= ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ СТАТЬИ
УДК 574.583(285.2):579+578(285.2)
ВЛИЯНИЕ ВИРУСОВ НА ГЕТЕРОТРОФНЫЙ БАКТЕРИОПЛАНКТОН ВОДОХРАНИЛИЩ
© 2011 г. А. И. Копылов1, Д. Б. Косолапов, Е. А. Заботкина
Институт биологии внутренних вод им. И.Д. Папанина РАН, пос. Борок Ярославской обл.
Поступила в редакцию 11.05.2010 г.
В семи мезотрофных и эвтрофных равнинных водохранилищах Волго-Балтийского бассейна изучали количественное распределение вирусов и их роль в смертности гетеротрофного бактериопланктона. Количество планктонных вирусных частиц находилось в пределах (9.4—120) х 106 частиц/мл и превышало количество бактерий в 2.5—9 раз. Продукция вириопланктона составляла (2.1—132) х 106 ча-стиц/(мл сут), время оборота его численности — 0.3—11.6 сут. Максимальные величины количества и продукции вирио- и бактериопланктона зарегистрированы в наиболее продуктивном Иваньковском водохранилище. Распределение вирусов в водохранилищах в значительной мере определялось уровнем количественного развития и активностью гетеротрофных бактерий. Инфицированные клетки составляли 5.5—33.5% бактериопланктона. Бактериофаги являлись важным фактором смертности гетеротрофных бактерий. В июле—сентябре в результате их деятельности лизировалось от 6.1 до 40.6% (в среднем 20.2%) суточной продукции бактериопланктона водохранилищ.
Ключевые слова: количественное распределение вирио- и бактериопланктона, вирусный лизис, смертность бактерий, равнинные водохранилища.
Исследования, проведенные в последние два десятилетия, показали, что вирусы являются постоянным, наиболее многочисленным и разнообразным компонентом морских и пресных водоемов, инфицирующим все группы водных микроорганизмов, растений и животных. Эти открытия существенным образом изменили представления о структуре и функционировании водных экосистем. Было установлено, что численность планктонных вирусных частиц (вириопланктона) в большинстве водоемов находится в пределах 106—108 частиц/мл и примерно на порядок превышает численность бактериопланктона. Оказалось, что большинство водных вирусов относится к бактериофагам, паразитирующим в бактериях. Фаги играют существенную роль в регулировании количества, продукции и формировании структуры бактериальных сообществ, и, тем самым, оказывают существенное влияние на биогеохимические циклы углерода и других биогенных элементов. Вирусы являются важным компонентом микробной "петли", контролирующим потоки вещества и энергии в трофических сетях водоемов [1—6].
Однако приходится констатировать, что на данный момент пресноводный вириопланктон изучен гораздо хуже морского [7]. В литературе имеются сведения о динамике и функциях вирусов в ряде озер [4, 5], но очень мало данных о вириопланктоне такой широко распространенной группы водных объектов как водохранилища [8—12]. Водохранили-
1 Адрес для корреспонденции (e-mail: kopylov@ibiw.yaroslavl.ru).
ща — это искусственные водоемы, биологический режим которых зависит от водного стока реки и от большого числа абиотических факторов, прямо или косвенно связанных с зарегулированием реки [13]. В частности, от озер они отличаются меньшим периодом водообмена, значительной амплитудой колебания уровня воды, которая в несколько раз превышает сезонные изменения уровня озер, более ярко выраженными градиентами распределения веществ и гидробионтов, вызванными поступлением речных вод, и несоизмеримо меньшим возрастом.
Высокие величины численности вириопланкто-на, частоты инфицированных бактерий и гибели бактерий в результате вирусного лизиса были обнаружены в тропических водохранилищах [10]. Исследования сезонной динамики количества и активности вирусов в мезотрофных водохранилищах Рыбинское (Россия) и Сеп (Франция) показали, что значительная часть бактерий (до 40—60% суточной бактериальной продукции) погибает от вирусной инфекции, а также выявили тесную положительную связь численности вирусов с температурой воды, численностью и продукцией бактерий [11, 12]. В этих водохранилищах вирусиндуцированная смертность бактериопланктона сопоставима с его выеданием простейшими организмами. Экспериментальные исследования водохранилища Ри-мов (Чехия) выявили, что концентрация вирусов и частота инфицированных клеток бактерий значительно коррелировали с их выеданием. Это позволило предположить, что выедание бактерий простей-
шими стимулирует активность вирусов [9]. Экологические исследования вирусов в водохранилищах Верхней и Средней Волги, различающихся морфо-метрией, гидрологическим режимом, трофическим статусом, ограничиваются единичными работами [12]. Между тем сведения о количестве и значении вирусов в гибели гидробионтов необходимы при изучении трофической структуры и закономерностей функционирования планктонных сообществ водных экосистем разного типа, в т.ч. водохранилищ.
Цель настоящей работы — сравнительная оценка количества и активности планктонных вирусов в семи водохранилищах Волго-Балтийского бассейна, различающихся уровнем первичной продукции фитопланктона и степенью антропогенного воздействия. Конкретные задачи исследования были следующими: (1) изучение пространственного распределения количества вириопланктона и бактериопланктона, а также доли инфицированных клеток в бактериальном сообществе, (2) определение значения вирусов в смертности гетеротрофных бактерий и (3) выявление тесноты связи между вирусами и абиотическими и биотическими факторами окружающей среды.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
Исследования проводили в июле—сентябре 2005 г в семи мезотрофных и эвтрофных водохранилищах Волги и Волго-Балтийского водной системы (в дальнейшем "водохранилища Волги"): Иваньковском (на 11 станциях), Угличском (на 10 станциях), Рыбинском (на 34 станциях), Горьковском (на 16 станциях), верхней части Чебоксарского (на 4 станциях), Шекснинском (на 12 станциях) и Но-винкинском (на 1 станции). Определение количества вирусов и бактерий осуществляли в интегрированных образцах воды, которые получали смешиванием проб, отобранных через каждый метр от поверхности до дна. Сразу после отбора пробу фиксировали глутаральдегидом до конечной концентрации 2%, хранили в темноте при температуре 4°С и обрабатывали в лаборатории в течение месяца.
Планктонные вирусные частицы учитывали методом эпифлуоресцентной микроскопии с использованием флуорохрома SYBR Green I и фильтров из оксида алюминия Anodisc ("Wathman") с диаметром пор 0.02 мкм [14]; гетеротрофные бактерии — флуорохрома DAPI и черных ядерных фильтров с диаметром пор 0.2 мкм ("Nuclepore") [15]. Препараты просматривали при увеличении 1000 раз под эпифлуо-ресцентным микроскопом Olympus BX51 (Япония) с системой анализа изображений. На каждом фильтре подсчитывали не менее 400 вирусов и бактерий в 10—20 полях зрения и измеряли не менее 100 бактерий. Объемы бактерий вычисляли по формулам объемов шара, цилиндра или эллипсоида. Концентрацию органического углерода в сырой биомассе
бактерий рассчитывали согласно уравнению, связывающему объем клетки (V, мкм3) и содержание углерода (С, фг С/кл): С = 120 х V0 72 [16]. Содержание углерода в 1 вирусной частице принимали равным 10-10 мкг С [17].
Удельную скорость роста бактерий (ц, ч-1) оценивали по частоте делящихся клеток (FDC) по следующей формуле: lnц = 0.299 х FDC - 4.961 [18]. Делящиеся клетки учитывали параллельно с определением общего количества бактерий. На каждом фильтре подсчитывали не менее 30 делящихся клеток. Продукцию бактерий рассчитывали как произведение их численности (или биомассы) и удельной скорости роста. Первичную продукцию фитопланктона определяли радиоуглеродным методом [19].
Для определения частоты 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), ча-стиц/кл) использовали метод просвечивающей электронной микроскопии. Инфицированными считали бактериальные клетки, содержащие пять и более зрелых фаговых частиц. Вирусы и бактерии осаждали центрифугированием при 35000 g в течение 1 ч с использованием ультрацентрифуги OPTIMAL L-90k c ротором 45i на никелевые сеточки для электронной микроскопии плотностью 400 меш, покрытые пиолоформом с угольным напылением. Сеточки просматривали в электронном микроскопе JEM 100C ("Jeol", Япония) при увеличении в 50000-150000 раз. На каждой сеточке анализировали 1100-1200 бактерий. При оценке численности видимых инфицированных клеток бактерий погрешность их подсчета составляла 25-63%.
Зрелые фаги становятся хорошо видимыми в хозяйской клетке только в конце латентного периода, непосредственно перед лизисом клетки. Для расчета доли всех инфицированных клеток в бактерио-планктоне (FIC, % общего количества бактерий) использовали уравнение: FIC = 7.1 х FVIC - 22.5 х х FVIC2 [20]. Гибель бактериопланктона, вызванную вирусным лизисом (Viral-mediated mortality of bacteria (VMB), %), определяли по формуле: VMB = (FIC + 0.6 х FIC2)/(1-1.2 FIC) [20]. Допускали, что инфицированные и неинфицированные бактерии выедаются консументами с одинаковой скоростью, и латентный период равен времени генерации бактерий [21]. Полагали также, что численность бактериальных популяций остается постоянной. Скорость вирус индуцированной смертности бактерий (Virus-induced mortality (VIM), кл/(мл сут)), рассчитывали с использованием уравнения: VIM = VMB х Pbac, где Pbac — продукция бактериопланктона, кл/(мл сут). Продукцию вириопланктона (PVIR) определяли как произведение BS и VIM [9, 22]. Время оборота численности вирусов и бактерий получали делением их численности на продукцию.
Таблица 1. Характеристика условий наблюдений и первичная продукция фитопланктона в водохранилищах в августе— сентябре 2005 г.
Водохранилище Дата Гл, м Пр, см Т, °С Рриу
мг С/(м3 сут) мг С/(м2 сут)
Иваньковское 24—26 августа 3 . 0 - 1 6.0 8.8 ± 1. 4 40- 120 90 ± 8 1 8.3 - 27. 8 20 . 6 ± 0 .8 48 2- 54 14 1775 ± 925 10 12 -5 685 2664 ± 1192
Угличское 22—24 августа 4.0 - 19 . 0 10.8 ± 1.4 1 00 -1 6 0 11 3 ± 6 1 9.9 - 23. 0 20 . 5 ± 0 .3 3 67 -931 620 ± 98 920- 1955 1426 ± 134
Рыбинское 1 20—31 июля 5.5
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.