Потребление органического вещества бактериальным сообществом и ультрафитопланктоном

Статья поступила  в редакцию 16.09.2019 г.

УДК 574.5

Садчиков А.П.

Международный биотехнологический центр Московского государственного университета имени М.В.Ломоносова.

119992, Москва, Ленинские горы, д. 1, корп. 12

 E-mail: aquaecotox@yandex.ru

// Материалы по флоре и фауне Республики Башкортостан. 2019. № 24. С. 63-70.

Введение

 Водоросли наряду с бактериями являются активными деструкторами органического вещества. Мелкие по размеру водоросли  обладают высокой фотосинтетической и гетеротрофной активностью, в некоторых случаях они выступают конкурентами бактерий. Скорость потребления органического вещества, а, соответственно,  и его трансформация разными размерными группами сильно различается (Кузьменко, 1981; Садчиков, 1997).

   Данная проблема является актуальной, так как раскрывает разные стороны экологической роли водорослей и бактерий  в природе. Однако таких исследований  в природных водоемах явно недостаточно. В связи с этим, цель нашей работы состояла в установлении роли бактерий и мелких размерных фракций фитопланктона   в потреблении органического вещества.

Материалы и методы

 Эксперименты проводили на мезотрофном Можайском водохранилище (Московская область).

В течение июля-сентября  с периодичностью три раза в месяц определяли потребление низкомолекулярных органических веществ (гидролизата белка) бактериальным сообществом и фракцией фитопланктона размером 4-20 мкм.  Параллельно в водоемах регистрировали видовой состав и биомассу тех же размерных групп фитопланктона.

   Пробы воды отбирали в поверхностном слое водоема (на глубине около  0,5 м), разливали в темные склянки (в 6 повторностях),  добавляли 14С-гидролизат белка фирмы Amersham (США), из расчета, чтобы в склянке количество белка было около 30 мкг С/л (рассчитывали исходя из его концентрации, указанной в техническом паспорте препарата).  Сосуды экспонировали на глубине отбора проб в течение 8 ч.

   После экспозиции из склянок отделяли водоросли и бактерии (фильтровали через сита разного размера и мембранные фильтры).  Из освобожденного от водорослей фильтрата отфильтровывали бактерий (в 6 повторностях) через фильтры с порами 0,2 мкм и измеряли его радиоактивность. Подсчет радиоактивности образцов проводили на сцинтилляционном счетчике «Rackbeta 1217» (фирма LKB).

   Содержимое склянок фильтровали через мельничное сито 20 мкм методом обратной фильтрации. Затем полученную фракцию фильтровали через фильтр с порами 4 мкм (по разности получали фракцию 4-20 мкм).  (Садчиков, Козлов, 1993; Садчиков, Макаров, 1997, 2000; Садчиков, Остроумов, 2018 а,б,в).

   Интенсивность потребления меченого органического вещества сообществом водорослей и бактерий, находили по разнице между количеством внесенного в экспериментальные сосуды меченого РОВ и потребленного фито- и бактериопланктоном (Садчиков, Куликов, 1990). Для дальнейших расчетов использовали среднее значение радиоактивности шести фильтров фракции водорослей и бактерий. Потребление меченого РОВ водорослями и бактериями пересчитывали на один час.

   В экспериментах в качестве аналога легкоусвояемого РОВ использовали меченый по 14С-гидролизат белка, содержащий набор аминокислот. Его концентрация составляла доли процента той, которая обычно наблюдается в водоемах (Енаки, 1972; Кораблева, 1989), поэтому по интенсивности включения в клетки организмов  меченого РОВ можно с некоторыми допущениями судить о процессах, протекающих в водоемах.

 

Результаты

   Можайское водохранилище относится к мезотрофному типу (с чертами эвтрофирования); в начале лета в планктоне преобладали диатомовые водоросли,  криптофитовые, в июле и августе – цианобактерии и динофитовые водоросли. На долю динофитовых  в августе приходились до 90% биомассы фитопланктона. Прозрачность воды по диску Секки изменялась от 0.7 до 4.7 м, величины рН 8.0-9.9  (Каниковская, Садчиков, 1985; Садчиков, Каниковская, 1985).

   Численность бактерий в течение  исследованного периода изменялась от 0,7 до 3,7 млн. кл./мл, из которых в среднем на долю одиночных клеток приходилось около 90% бактерий, остальное – на долю колониальных  и  детритно-бактериальных ассоциаций (ДБА).  Наибольшее количество агрегированных бактерий (колонии и ДБА) –  15-20% наблюдали в середине августа во время отмирания фитопланктона. Количество частиц планктонного детрита было в пределах 2-20 тыс./мл воды. Размер частиц не превышал 50 мкм; скорость его оседания в толще воды составляла около одного метра в сутки (Садчиков, 1997; Ostroumov, Sadchikov,1918). Детрит в водохранилище имеет в основном альгогенное происхождение, поэтому увеличение его количества наблюдалось в период отмирания фитопланктона.

   В Можайском водохранилище кормовые для зоопланктона водоросли размером до 50 мкм составляли 42% общей массы фитопланктона. А доля водорослей размером до 20 мкм, которые, как показали исследования, являются физиологически активной единицей сообщества, составляли небольшую часть общей массы фитопланктона – 2%.

   В Можайском водохранилище на долю фракции размером до 20 мкм приходилось 22% продукции фитопланктонного сообщества. Доля сетного фитопланктона наоборот уменьшалась и соответственно составляла 61%. Водоросли размером 4-20 мкм обладали более высокой по сравнению с сетным фитопланктоном удельной продукцией: максимальные ее значения различались в 80-120 раз. Мелкие водоросли в середине вегетационного сезона удваивали свою численность в течение 2-3 суток (Садчиков, Каниковская, 1984; Садчиков, Макаров, Максимов, 1995).

Таблица 1

Потребление меченого по 14С органического вещества бактериальной фракцией 0.85-4 мкм

(в процентах от внесенного в экспериментальные сосуды)

Водоем

Месяц

Результаты (в %%)

Можайское водохранилище (мезотрофный водоем)

Июль

11.8

17.3

22.1

Август

18.0

15.7

21.1

Сентябрь

6.0

13.6

11.6

Таблица 2

Потребление меченого по 14С органического вещества водорослями размером 4-20 мкм

(в процентах от внесенного в экспериментальные сосуды)

Водоем

Месяц

Результаты (в %%)

Можайское водохранилище (мезотрофный водоем)

Июль

15.4

4.5

7.8

Август

12.9

17.5

16.2

Сентябрь

5.4

11.2

7.9

     Как уже отмечалось,  в экспериментальные сосуды вносили меченый по 14С гидролизат белка в концентрации около 30 мкг С/л (см. методику), в конце опыта в среде трех водоемов оставалось всего 0,1-0,4  мкг С/л  этого РОВ. Это показывает, что фито-и бактериопланктон  способен потреблять легкоусвояемое органическое вещество до ничтожно малых концентраций. Причем, интенсивность потребления РОВ зависит  не только от общего количества фито-и бактериопланктона и температуры среды, но и присутствия агрегированных бактерий и детрита. Когда в водоемах преобладали одиночные бактериальные клетки, концентрация неиспользованного меченого РОВ в экспериментальных сосудах было на уровне 1,5-2,5 мкг С/л, а когда повышалась доля агрегатов – снижалась почти в 6-10 раз (до 0,1-0,4  мкг С/л). Причем это проявлялось в течение всех трех месяцев. Это можно объяснить, с одной стороны, высокой физиологической активностью агрегированных бактерий (колониальных и обитающих на детрите) и сорбционной способностью детрита. На детрите происходит концентрирование РОВ, которое в дальнейшем потребляется обитающими там бактериями (Садчиков, Куликов, 1990).

  В течение исследованного периода значительная часть внесенного в экспериментальные сосуды меченого РОВ потреблялась сообществом фито-и бактериопланктона. Часть потребленного РОВ использовалась на дыхание, другая – на прирост. По этим показателям  можно судить о деструкционных процессах, протекающих в водоемах. Наиболее активно потребление меченого РОВ осуществлялось в середине лета, чему способствовало интенсивное развитие микроорганизмов (водорослей и бактерий) в это время,  поступление органического вещества в процессе жизнедеятельности водорослей (в том числе и при их отмирании) и прогрев водоема.

  В мезотрофном водохранилище сообщество фито-и бактериопланктона потребляли от 9 до 91% внесенного в экспериментальные сосуды меченого гидролизата белка, а в среднем за летне-осенний период – 42.7%. (Садчиков, Остроумов, 2019). Наиболее активно фракции водорослей и бактерий утилизировали РОВ в начале июля и во второй половине августа (до 56-91%  меченого РОВ), причем, увеличение гетеротрофной активности происходило как при активном росте водорослей, так и при их отмирании. При отмирании водорослей резко возрастает численность бактерий и количество детрита, что способствует увеличению гетеротрофной активности водорослей и бактерий. Наиболее слабо утилизация РОВ осуществлялась в сентябре (около 9-11% внесенного в сосуды меченого РОВ), что, скорее всего, связано с низкой температурой воды в это время.

   В Можайском водохранилище из потребленного сообществом водорослей и бактерий меченого РОВ на долю бактерий летом приходилось 17-18% потребленного РОВ (Табл. 1, 2). В августе на долю бактерий приходилось от 16 до 21% потребленного РОВ. Фракция водорослей размером 4-20 мкм (ее биомасса составляла 2% от общей массы фитопланктона) потребляла в течение исследованного периода в среднем от 8 до 15% РОВ. Причем наибольшие значения (13-17%) приходились на август. Фитопланктон, доминировавший по биомассе в водоеме (т.е., размером более 20 мкм),  потреблял от 6 до 14% меченого РОВ. В сентябре при понижении температуры водохранилища бактерии и водоросли потребляли меченое РОВ менее интенсивно, чем в летнее время  (Табл. 1, 2).

               

Заключение

 Исследования показали, что водоросли и бактерии активно потребляют легкоусвояемое органическое вещество, причем активными потребителями являются как бактерии, так и мелкие водоросли (ультрафитопланктон). Интенсивность потребления РОВ зависит  не только от общего количества фито-и бактериопланктона и температуры среды, но и присутствия агрегированных бактерий и детрита. Это можно объяснить, с одной стороны, высокой физиологической активностью агрегированных бактерий (колониальных и обитающих на детрите) и сорбционной способностью детрита. На детрите происходит концентрирование РОВ, которое в дальнейшем потребляется обитающими там бактериями. Так что сообщество фито-и бактериопланктона является активными деструкторами органического вещества. Водоросли, прижизненно выделяя легкоусвояемое органическое вещество,  как бы помогает бактериям утилизировать и трудноусвояемое органическое вещество (Садчиков, Куликов, 1990).

   Водоросли не только потребляют органическое вещество, они выделяют в среду свои метаболиты (органическое вещество) и тем стимулируют развитие бактерий и потребление ими трудноусвояемого органического вещества (Садчиков, Макаров,1997).

   Среди водорослей наиболее высокой гетеротрофной активностью обладала фракция размером 4-20 мкм, несмотря на то, что в мезо- и эвтрофных водоемах на их долю приходилось 2-4% биомассы фитопланктона. В мезотрофном водоеме эта фракция потребляла РОВ практически наравне с бактериями.

  Летом (июль-август) при прогреве воды (а, соответственно, интенсивном развитии водорослей и бактерий) деструкционные процессы протекали более интенсивно, чем в другое время исследованного периода. Осенью с понижением температуры воды понизилась гетеротрофная активность организмов.

Литература

 Енаки Г.А.  О количественном составе органического вещества вод днепровских водохранилищ  // Гидробиол. журн. – 1972. – Т. 8,  № 1. С. 38-42.

Каниковская А.А., Садчиков А.П. Изучение сезонных изменений взаимоотношений фито- и бактериопланктона Можайского водохранилища. 1. Сезонные изменения численности и биомассы планктона в зависимости от основных гидробиологических характеристик. // журнал Научные доклады высшей школы. Биологические науки, 1985, № 7. – с.55-62.

Кораблева А.И.  Взаимосвязь компонентов РОВ и планктона в водоемах интенсивного комплексного использования // Водные ресурсы. – 1989.      – № 2. – С. 171-174.

Кузьменко М.И.  Миксотрофизм синезеленых водорослей и его экологическое значение. – Киев: Наукова Думка,  1981.  – 210 с.

Садчиков А.П. Продуцирование и трансформация органического вещества размерными группами фито-и бактериопланктона: Автореф. дисс. …докт. биол. наук. – М., МГУ, 1997. – 53 с.

Садчиков А.П., Каниковская А.А.  Роль бактериопланктона в деструкции органического вещества Можайского водохранилища // Микробиол. журн. – 1984. – Т. 46, вып. 4. – С. 10-14.

Садчиков А.П., Каниковская А.А. Сезонные изменения взаимоотношений фито-и бактериопланктона в толще воды мезотрофного водоема. // журнал Научные доклады высшей школы. Биологические науки. Деп. ВИНИТИ, № 3360-85 от 17.05.1985 (62 с.), с. 1-62.

Садчиков А.П., Козлов О.В. Продукция нанно- и сетного фитопланктона в трех разных по трофности водоемах // Гидробиол. журн. – 1993. – Т. 29, № 1. – С. 3-9.

Садчиков А.П., Куликов А.С. Трансформация прижизненно выделенного фитопланктоном органического вещества // Гидробиол. журн. – 1990. – Т. 26, № 6. – С. 13-16.

Садчиков А.П., Макаров А.А.  Прижизненное выделение органического вещества фитопланктоном в трех водоемах разной трофности (методические аспекты) // Гидробиол. журн. – 1997. – Т. 33, № 2. – С. 104-108.

Садчиков А.П., Макаров А.А.  Потребление и трансформация низкомолекулярного растворенного органического вещества фито-и бактериопланктоном в двух водоемах разной трофности // Водные ресурсы. – 2000. Том 27, № 1. – С. 72-75.

Садчиков А.П., Макаров А.А., Максимов В.Н. Продукция размерных групп фитопланктона в трех водоемах разной трофности // Гидробиол. журн. 1995. Т. 31. № 6. С. 44–53.

Садчиков А.П., Остроумов С.А. Методические аспекты изучения продукционно-деструкционных процессов в водных экосистемах // Ecological Studies, Hazards, Solutions. 2018 a. Vol. 25.  – P.139-146.

Садчиков А.П., Остроумов С.А. Потребление низкомолекулярного органического вещества водорослями и бактериями (на примере мезотрофной экосистемы) // Ecological Studies, Hazards, Solutions. 2018 б. Vol. 25. – P.146-153.

Садчиков А.П., Остроумов С.А. Совершенствование методологии при изучении гетеротрофной активности водорослей и бактерий // Ecological Studies, Hazards, Solutions. 2018 в. Vol. 25. – P.153-160.

Садчиков А.П., Остроумов С.А. Формирование качества воды в пресноводной экосистеме и потребление низкомолекулярного органического вещества водорослями и бактериями // Рыбное хозяйство. – 2019. – № 2. – С.  65-69.

Ostroumov S.A., Sadchikov A.P. Dynamics of the content of nitrogen, phosphorus, and carbon in the detrital particles suspended in water phase of ecosystems: consideration of water quality formation and exometabolism. //Russian Journal of General Chemistry, 2018. Vol. 88 (13), P. 2912-2917. https://www.researchgate.net/publication/331099556 .