БИОЛОГИЯ ВНУТРЕННИХ ВОД, 2008, № 1, с. 49-57
= ВОДНАЯ МИКРОБИОЛОГИЯ =
УДК 574.583(285.2):579+578(285.2)
РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ВИРУСОВ И ИХ ВЛИЯНИЕ НА БАКТЕРИОПЛАНКТОН В ЭВТРОФНОМ И МЕЗОТРОФНОМ
ВОДОХРАНИЛИЩАХ
© 2008 г. А. И. Копылов, Д. Б. Косолапое, Е. А. Заботкина
Институт биологии внутренних вод им. И.Д. Папанина РАН, 152742 пос. Борок, Ярославская обл., Некоузскийр-н, e-mail: kopylov@ibiw.yaroslavl.ru
Поступила в редакцию 21.05.2007 г.
Изучено пространственное распределение планктонных вирусных частиц (вириопланктона) и оценена их роль как фактора, контролирующего развитие гетеротрофного бактериопланктона в эв-трофном Иваньковском и мезотрофном Угличском водохранилищах (Верхняя Волга). В период летнего пика фитопланктона количество вириопланктона оказалось выше в эвтрофном водохранилище (в среднем (55.1 ± 9.5) х 106 частиц/мл), чем в мезотрофном (в среднем (42.9 ± 5.1) х 106 частиц/мл). Отношение численностей планктонных вирусов и бактерий находилось в пределах 2.5-7.0. Среднее для пробы воды количество зрелых фаговых частиц в инфицированных гетеротрофных бактериях колебалось от 17 до 109 частиц/кл. В Иваньковском водохранилище большинство инфицированных бактериальных клеток имели форму палочек, в Угличском - вибрионов. В Иваньковском водохранилище от 8.3 до 22.4% планктонных бактерий инфицированы фагами. Последние за сутки лизировали 10.5-34.8% (в среднем 19.1%) продукции бактериопланктона. В Угличском водохранилище от 9.4 до 33.5% бактерий инфицированы фагами, что предполагает фаг-индуцирован-ную гибель от 13.7 до 40.2% (в среднем 23.5%) суточной продукции бактериопланктона. Полученные результаты свидетельствуют о важной роли автохтонных вирусов в регулировании численности и продукции бактериопланктона водохранилищ.
ВВЕДЕНИЕ
Вирусы - наиболее многочисленный компонент планктонных сообществ, инфицируют широкий круг гидробионтов и оказывают значительное влияние на круговороты углерода и других биогенных элементов в водных экосистемах [5, 9, 12, 13, 20]. Проведенные в последние 15 лет исследования показали, что вирусы-бактериофаги играют важную роль в регулировании численности, структуры и активности бактериопланктона пресных вод [8, 22, 25, 27, 28]. Однако большинство этих работ проводилось в озерах, подобные исследования в водохранилищах единичны [19, 21].
Цель работы - определение численности и продукции вириопланктона, а также сравнительная оценка фаг-индуцированной гибели планктонных гетеротрофных бактерий в мезотрофном и эвтрофном водохранилищах Верхней Волги.
МАТЕРИАЛ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
Исследования проводили 22-26 августа 2005 г. на 11 станциях в эвтрофном Иваньковском водохранилище и на 10 станциях в мезотрофном Угличском водохранилище (см. рисунок). Кроме того, одна станция (ст. 1) располагалась на границе Иваньковского водохранилища и канала им. Москвы. Подсчет количества вирусов и бактерий
осуществляли в интегральных пробах, которые получали, смешивая воду, отобранную по вертикали через каждый метр. Пробы отбирали однолитровым плексигласовым батометром Рутнера. Воду фиксировали глутаральдегидом до конечной концентрации 2%, хранили в темноте при температуре 4°С и обрабатывали в течение месяца.
Планктонные вирусные частицы и бактерии учитывали методом эпифлуоресцентной микроскопии с использованием флуорохрома SYBR Green I и фильтров Al2O3 Anodisc (Wathman) с диаметром пор 0.02 мкм [15]. Для определения количества вирусов и бактерий фильтровали 1 мл воды. На каждом фильтре считали не менее 400 бактерий и вирусов. Размеры бактерий оценивали с помощью линейного окулярного микрометра, их объемы вычисляли по формулам объемов шара, цилиндра или эллипсоида. Содержание углерода в сырой биомассе бактерий (С, фг С/кл.) рассчитывали согласно уравнению С = 120 V072, где V -объем бактериальной клетки, мкм3 [17].
Для определения частоты (доли) отчетливо видимых инфицированных вирусами бактерий (frequency of visibly infected cells (FVIC), % общего количества бактерий) и среднего количества зрелых фагов в инфицированных бактериях (burst size (BS), частиц/кл.) использовали метод просвечивающей электронной микроскопии. Бактерио-
3 Тверь
Л
Юрьевское
р. Созь
9~,
'
Дубна
Конаково
12
Канал им. Москвы
р. Донховка
Свердлово
Безбородово
р. Шоша
2
4
6
7
<р. Медведица
р. Кашинка
убна
13
р. Дубна
Кимры 14
15
16
Белыш ^ Р. Х°тча городок
&J 18 17 Калязин
19
20
(р. Нерль У р. Жобня
р. Пукша 21
22
Углич
Карта-схема станций отбора проб в Иваньковском (а) и Угличском (б) водохранилищах: 1 - у канала им. Москвы, 2 -у с. Юрьевское, 3 - у с. Городня, 4 - у оз. Вигодощь, 5 - 5 км выше р. Шоша, 6 - у пос. Безбородово, 7 - у с. Свердлово, 8 - у г. Конаково, 9 - в Мошковичском заливе, 10 - у с. Корчева, 11 - у о. Уходово, 12 - у о. Липня, 13 - у устья р. Дубна, 14 - у г. Кимры, 15 - у г. Белый Городок, 16 - ниже устья р. Медведица, 17 - у устья р. Нерль, 18 - у с. Новоокотово, 19 - у устья р. Кашинка, 20 - у г. Калязин, 21 - у с. Прилуки, 22 - у Грехова ручья.
планктон осаждали ультрацентрифугированием (центрифуга РС-6 с механизмом ускорения вращения СН-3/1, 3 ч при 35 000 g) на никелевые сеточки для электронной микроскопии плотностью 400 мешей, покрытые пиолоформом с угольным напылением. Сеточки просматривали с помощью электронного микроскопа JEM 100C (JEOL, Япония) при увеличении в 50-70 тыс. раз. Бактериальную клетку, содержащую пять и более зрелых фагов, считали инфицированной. Ранее показано [23], что вирусные частицы становятся видимыми в клетках бактерий под электронным микроскопом только в конце литического цикла, т.е. присутствие зрелых частиц фагов показывает конечную стадию сборки вирусов перед лизисом клеток. Для определения частоты (доли) инфицированных бактериальных клеток (frequency of infected cells
(FIC), % общего количества бактерий) использовали уравнение FIC = 7.1FVIC - 22.5FVIC2 [4]. Гибель бактериопланктона, вызванную вирусами (frequency of mortality due to viral lysis (FMVL), % суточной продукции бактерий), определяли по формуле FMVL = (FIC + 0.6FIC2)/(1-1.2FIC) [4]. При этом допускали, что латентный период в развитии вирусов приблизительно равен времени генерации бактерий и что инфицированные и неин-фицированные бактерии выедаются с одинаковой скоростью [18]. В свою очередь количество бактерий, лизированных вирусами в 1 мл воды за 1 ч (rate of viral lysis (L), кл./(мл • ч) или мг С/(м3 • ч)), вычисляли по уравнению L = FMVL х Pb, где Pb -продукция бактерий, кл./(мл • ч) или мг С/(м3 • ч) [15]. Продукцию вириопланктона (Pv, частиц/(мл • ч)) рассчитывали как произведение среднего количе-
Таблица 1. Первичная продукция планктона в канале им. Москвы и Иваньковском водохранилище
Номер станции Глубина, м Прозрачность, см Температура в поверхностном слое,°С Первичная продукция планктона
мг С/(м3 ■ сут) мг С/(м2 ■ сут)
1 6.0 120 20.4 43 109
2 6.0 90 19.4 - -
3 7.0 120 19.3 1397 3520
4 14.8 50 18.3 5414 5685
5 5.5 90 20.0 - -
6 3.0 40 19.3 - -
7 10.0 90 20.1 1032 1950
8 7.0 105 20.1 - -
9 4.0 100 27.8 482 1012
10 15.0 100 20.2 550 1154
11 8.0 90 20.0 - -
12 16.0 115 20.1 - -
Примечание. Здесь и в табл. 2 приведены средние для фотического слоя величины первичной продукции в единице объема воды (мг С/(м3 • сут)).
Таблица 2. Первичная продукция планктона в Угличском водохранилище
Номер станции Глубина, м Прозрачность, см Температура в поверхностном слое, °C Первичная продукция планктона
мг С/(м3 ■ сут) мг С/(м2 ■ сут)
13 4.0 105 20.0 871 1921
14 6.5 110 20.2 398 920
15 7.0 100 20.8 HO HO
16 8.0 100 20.4 653 1371
17 13.0 100 20.0 931 1956
18 13.0 100 19.9 HO HO
19 13.0 110 20.0 499 1153
20 12.0 120 20.4 HO HO
21 12.0 120 20.4 HO HO
22 19.0 160 23.0 367 1234
ства фагов, содержащихся внутри бактериальных клеток (BS, частиц/мл), на скорость лизиса бактерий вирусами (L, кл./(мл • ч)): Pv = BS L [16, 21].
Параллельно с определением численности вирусных частиц и бактерий на тех же фильтрах учитывали делящиеся бактериальные клетки, количество которых выражали в процентах общего количества бактериопланктона (частота (доля) делящихся клеток - frequency of dividing cells (FDC, %)). Удельную скорость роста бактерий определяли по формуле 1пц = 0.299FDC - 4.961, где ц - удельная скорость роста, ч-1 [14]. Продукцию бактериопланктона рассчитывали как произведение удельной скорости роста и общей численности бактерий. Первичную продукцию фитопланктона определяли радиоуглеродным
методом [1, 2]. Статистический анализ данных проводили с использованием программы 81аИ811еа 6.0. При установлении корреляционных зависимостей между исследованными параметрами использовали ранговый коэффициент корреляции Спирмена для уровня значимости 0.05.
РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
Исследования проводили в августе, когда на большей части акватории Иваньковского и Угличского водохранилищ наблюдалось интенсивное развитие фитопланктона. В этот период первичная продукция планктона изменялась в широких пределах (табл. 1 и 2). Наиболее продуктивные участки в Иваньковском водохранилище располагались в Волжском плесе, в Угличском водохрани-
Таблица 3. Средние для столба воды величины численности (Мь), среднего объема клетки (У), биомассы (В), удельной скорости роста (ц) и продукции (Рь) бактериопланктона и численности внеклеточных вирусных частиц (М^) в канале им. Москвы и Иваньковском водохранилище
Номер станции N, 106 кл/мл У, мкм3 в, мг С/м3 Ц1 ч 1 Рь, 6 106 частиц/мл
106 кл/(мл ■ сут) мг С/(м3 ■ сут)
1 10.03 0.087 872 0.0412 9.91 205.3 62.77
2 6.21 0.108 671 0.0338 5.04 121.9 23.78
3 6.67 0.082 547 0.0406 6.50 129.0 31.39
4 10.46 0.104 1088 0.0138 3.47 81.4 35.67
5 6.37 0.104 662 0.0239 3.65 85.8 15.69
6 31.00 0.122 3782 0.0151 11.24 296.1 120.32
7 7.56 0.106 801 0.0222 4.07 96.0 47.41
8 6.93 0.110 762 0.0379 6.31 154.6 31.39
9 13.99 0.101 1413 0.0122 4.10 94.4 56.24
10 16.48 0.109 1796 0.0290 11.47 278.8 96.78
11 15.69 0.112 1758 0.0342 12.88 320.3 71.93
12 10.86 0.077 836 0.0217 5.65 107.1 76.09
Среднее 12.02 0.107 1283 0.0234 6.76 160.5 55.15
Таблица 4. С
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.