ИЗВЕСТИЯ РАН. СЕРИЯ БИОЛОГИЧЕСКАЯ, 2010, № 6, с. 661-669
МИКРОБИОЛОГИЯ
УДК 579+574.583(285.2):579
РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ПИКОЦИАНОБАКТЕРИЙ И ВИРИОПЛАНКТОНА В МЕЗОТРОФНОМ И МЕЗОЭВТРОФНОМ ВОДОХРАНИЛИЩАХ: РОЛЬ ВИРУСОВ В СМЕРТНОСТИ ПИКОЦИАНОБАКТЕРИЙ
© 2010 г. А. И. Копылов*, Д. Б. Косолапов*, Е. А. Заботкина*, В. Страшкрабова**
*Институт биологии внутренних вод им. И.Д. Папанина РАН, 152742 Ярославская обл., пос. Борок **Биологический центр АН ЧР, Институт гидробиологии, 37005 Ческе Будеевице, Чешская республика e-mail: kopylov@ibiw.yaroslavl.ru Поступила в редакцию 12.01.2010 г.
Изучено количественное распределение и взаимоотношения пикоцианобактерий и вирусов в мезо-трофном Шекснинском и мезоэвтрофном Рыбинском водохранилищах, входящих в систему Волго-Балтийского водного пути. Доля пикоцианобактерий в суммарной биомассе и продукции фитопланктона снижалась с увеличением продуктивности водоемов, а количество вириопланктона, напротив, возрастало. Степень инфицирования фагами и вирусиндуцированная смертность пико-цинобактерий оказались в среднем в 2 раза выше в мезоэвтрофном водохранилище по сравнению с мезотрофным: 14 и 7% численности пикоцианобактерий, и 21 и 11% суточной продукции пикоци-анобактерий соответственно. Смертность пикоцианобактерий в результате лизиса вирусами возрастала (до 52% суточной продукции пикоцианобактерий) на локальных участках с "цветением" воды фитопланктоном и районах, испытывающих загрязняющее влияние населенных пунктов.
Одноклеточные фотосинтезирующие организмы размером менее 2 мкм (пикофитопланктон) широко распространены в морских и пресных водах (Stockner, 1988). В эту размерную группу фитопланктона входят как прокариотные цианобак-терии, так и эукариотные водоросли. Особенно важную роль пикофитопланктон играет в олиго-трофных озерах, где на его долю приходится от 50 до 70% годовой первичной продукции (Stockner, 1991; Callieri, Stockner, 2002). В пресных водах численность пикоцианобактерий обычно на порядок превышает таковую пиководорослей, причем одиночные пикоцианобактерии достигают высокого уровня количественного развития в олиго- и мезотрофных озерах, тогда как в эвтроф-ных, как правило, доминируют колониальные формы (Михеева, 1998; Stockner et al., 2000).
Наиболее многочисленным компонентом водных экосистем являются вирусы. Они регулируют количество и разнообразие бактерио- и фитопланктона (Brussaard, 2004; Weinbauer, 2004). В ряде водоемов динамика вириопланктона тесно связана с развитием пикоцианобактерий (Dorigo et al., 2004). Исследования последних лет выявили важные функции вирусов цианобактерий — циа-нофагов в водных экосистемах разного типа. В частности, они играют ведущую роль в уменьшении "цветения" воды цианобактериями (Mann, 2003; Tijdens et al, 2008; Yoshida et al., 2008). Не смотря на важные функции пикофитопланктона
и вирусов, имеются только единичные публикации об их распространении и динамике в водохранилищах Волги (Копылов, Косолапов, 2008).
Цель работы — изучение количественного распределения пикоцианобактерий и вириопланктона, а также оценка роли фагов в смертности пикоцианобактерий в мезотрофном Шекснинском и мезоэвтрофном Рыбинском водохранилищах.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ
Исследования проводили 8—16 августа 2007 г. в двух водохранилищах, входящих в систему Вол-го-Балтийского водного пути: в озерной (оз. Белое, 13 станций) и русловой (8 станций) частях мезотрофного Шекснинского водохранилища и в мезоэвтрофном Рыбинском водохранилище, а именно: на двух станциях, расположенных на р. Шексна в зоне влияния крупного промышленного центра (Череповец), и на 10 станциях в его основных плесах (табл. 1, 2). Пробы воды отбирали плексигласовым батометром Руттнера через 1м в слое, равном тройной прозрачности по диску Секки (фотическом слое) или до дна, и смешивали для получения интегральных проб воды, которые фиксировали глутаральдегидом до конечной концентрации 1% и хранили до определения в холодильнике.
Температуру, значения рН и концентрацию растворенного кислорода определяли при помо-
Таблица 1. Характеристика условий наблюдений на станциях отбора проб в Шекснинском водохранилище
№ станции Координаты Гл, м Пр, см Цв, град. рН Т, °С О2, мг/л Продукция фитопланктона
с.ш. в.д. мг С/(м3 ■ сут) мг С/(м2 ■ сут)
оз. Белое
1 60 °14' 37°21' 4.7 120 63 - 21.2 9.3 370 932
2 60 °17' 37°19' 2 180 64 8.0 22.5 8.9 333 1259
3 60 °12' 37°30' 5.5 115 43 7.4 20.7 9.2 266 642
4 60 °14' 37°33' 5.2 110 - 8.8 20.5 10.6 726 1677
5 60 °19' 37°46' 5 110 52 8.8 21.2 10.6 287 663
6 - - 1 100 65 8.9 21.4 10 228 479
7 60 °15' 37°56' 4.1 120 60 8.8 22 10.9 215 315
8 60 °11' 37°43' 5.5 120 56 8.8 20.3 8.9 232 585
9 60 °05' 37°25' 5 110 56 8.6 20.7 9.9 471 1088
10 60°04' 37°31' 5 120 54 8.8 20.6 9 172 433
11 60°02' 37°30' 1.3 100 59 8.5 21.1 7.8 288 605
12 60°03' 37°50' 4.5 115 - 8.5 21.2 9.2 100 242
13 60°08' 37°52' 4.5 105 62 - 20.6 9 256 564
Русловой участок
14 60°04' 38°02' 4 50 61 8.4 20.7 8.7 689 1723
15 60°01' 38°07' 5.5 70 74 8.3 21.4 8.6 744 1094
16 59°51' 38°17' 9 70 68 - 22.8 8 425 625
17 59°45' 38°22' 5 80 65 8.9 22.2 8.3 489 822
18 59°39' 38°33' 5 120 76 8.2 21.1 8.1 163 411
19 59°35' 38°28' 7 120 76 7.9 21.3 7.6 208 524
20 59°29' 38°30' 7 140 73 8.3 21.8 8.7 248 729
21 59°14' 38°30' 9 140 64 8.5 22.7 9.9 388 1141
Примечание. "—" — нет данных. Гл — глубина, Пр — прозрачность, Цв — цветность, Т — температура поверхностного слоя воды (для табл. 1, 2).
Таблица 2. Характеристика условий наблюдений на станциях отбора проб в Рыбинском водохранилище
Участок водохранилища № станции Координаты Гл, Пр, Цв, рН Т, О2, Продукция фитопланктона
с.ш. в.д. м см град °С мг/л мг С/(м3 ■ сут) мг С/(м2 ■ сут)
р. Шексна выше г. Череповца 22 59°06' 38°02' 8 100 56 8.8 23.9 9.3 879 1846
р. Шексна у г. Череповца 23 59°06' 37°46' 11 100 87 8.6 22.7 9.6 1162 2440
Шекснинский плес 24 59°01' 37°51' 12 120 69 8.7 22.2 8.7 318 801
28 58°51' 38°06' 14 150 72 - 22.3 8 213 671
Волжский плес 25 58°04' 38°18' 12 155 34 - 24.1 9.8 512 1667
26 58°13' 38°27' 12.5 160 55 - 23.2 9.9 230 773
Центральный плес 27 58°22' 38°23' 9.5 200 64 - 22.7 9.4 69 290
29 58°31' 38°19' 9.5 175 71 - 22.7 8.6 325 1194
30 58°27' 38°30' 7 190 61 - 23 9.3 249 994
31 58°19' 37°57' 13 150 71 - 23.8 8.8 165 520
Моложский плес 32 58°31' 37°32' 12 130 68 - 24.1 8.1 755 2061
33 58°24' 37°44' 10 140 66 - 23.5 8.8 882 2593
щи переносного кислородомера YSI Model 55 (YSI, Inc., США). Концентрацию нитритов, нитратов, аммонийного азота, минерального и общего фосфора анализировали стандартными гидрохимическими методами (Алекин и др., 1973).
Численность пикоцианобактерий определяли методом эпифлуоресцентной микроскопии по автофлуоресценции фитопигментов клеток (Ma-clsaac, Stockner, 1993). Для этого 5—15 мл воды фильтровали через черный фильтр Nuclepore (США) с диаметром пор 0.2 мкм. Фильтры помещали между предметными и покровными стеклами в нефлуоресцирующее иммерсионное масло. Клетки пикоцианобактерий подсчитывали с помощью эпифлуоресцентного микроскопа Olympus BX51 (Япония). Отдельно считали делящиеся клетки пикоцианобактерий. Измерения клеток проводили с помощью линейного окулярного микрометра, их объемы вычисляли по формулам объемов шара или эллипсоида. На каждом фильтре считали 100—200 и измеряли не менее 50 клеток. Сырую биомассу пикоцианобактерий получали путем умножения численности на средний объем клеток и затем пересчитывали на углерод, полагая, что углерод составляет 16.5% сырой биомассы (Jochem, 1988).
Для оценки удельной скорости роста (|) пико-цианобактерий использовали следующее уравнение: | = (1/td)ln(1 + f), где td — продолжительность деления клетки, f — частота делящихся клеток (McDuff, Chisholm, 1982). Принимали, что среднее значение td для пикоцианобактерий составляет 3 ч (Carpenter, Campbell, 1988). Продукцию пи-коцианобактерий определяли как произведение их удельной скорости роста и биомассы.
Планктонные вирусные частицы учитывали методом эпифлуоресцентной микроскопии с использованием флуорохрома SYBR Green I и фильтров Al2O3 Anodisc (Wathman, Великобритания) с диаметром пор 0.02 мкм (Noble, Fuhrman, 1998). Для этого отфильтровывали 0.5—2 мл природной воды. На каждом фильтре под эпифлуо-ресцентным микроскопом учитывали от 400 до 700 вирусных частиц.
Для определения частоты (доли) отчетливо видимых инфицированных вирусами пикоцианобактерий (frequency of visibly infected cells (FVIC), % общего количества пикоцианобактерий) и среднего количества зрелых фагов в инфицированных цианобактериях (burst size (BS), ча-стиц/кл.) использовали метод просвечивающей электронной микроскопии. Вирусы и пикоци-анобактерии осаждали центрифугированием при 100000 g (35000 об./мин) в течение 1 ч при 4°С с использованием ультрацентрифуги OPTIMAL L-90k (Beckman Coulter, США) c ротором 45Ti на никелевые сеточки для электронной микроскопии плотностью 400 мешей, покрытые пиоло-
формом с угольным напылением. Сеточки просматривали в электронном микроскопе JEM 1100C (Jeol, Япония) при увеличении 50000— 150000. Инфицированными считали клетки ци-анобактерий, содержащие пять и более зрелых фагов.
В цикле фаговой инфекции бактериальных клеток выделяют несколько стадий. Время от начала инфекции до лизиса клетки называют латентным периодом (latent period). Фаги, проникшие в клетку, становятся хорошо видимыми ("зрелыми"), только перед лизисом хозяйской клетки. Время от начала инфекции до появления первого зрелого фага в клетке, когда вирусные частицы не видны, называется "скрытым" периодом или эклипс-фазой. Долю инфицированных клеток в сообществе (FIC) можно рассчитать, используя отношение "скрытого" периода к латентному периоду (б). По данным разных авторов эта величина для пикоцианобактерий составляет от 0.5 до 0.8 (Waterbury, Valois, 1993; Suttle, 2000).
Ориентировочный расчет смертности пикоцианобактерий в результате вирусного лизиса (fraction of mortality due to viral lysis (FMVL), % суточной продукции) проводили по уравнению: FMVL = = FVIC/y ln(2)(1 — s — FVIC), где у — отношение между л
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.