Потребление органического вещества разными фракциями фитопланктона

Статья поступила  в редакцию 14.03.2020 г.

УДК 574.5

© 2020 г. 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. 2020. № 26. С.65-71.

Введение

   Водоросли являются активными деструкторами органического вещества. Мелкие по размеру водоросли (размером 4-20 мкм)  обладают высокой фотосинтетической и гетеротрофной активностью (Кузьменко, 1981; Садчиков, 1997). Их удельная гетеротрофная активность (в пересчете на единицу массы) значительно выше, чем более крупных водорослей.  Данная проблема является актуальной, так как раскрывает разные стороны экологической роли водорослей в природе. Однако таких исследований  в природных водоемах явно недостаточно. В связи с этим, цель нашей работы состояла в установлении роли разных размерных фракций фитопланктона (4-20 мкм и более 20 мкм)   в потреблении органического вещества. Такие работы проводились у нас в стране и за рубежом впервые.

Материалы и методы

 

 Эксперименты проводили на мезотрофном Можайском водохранилище (Московская область). В течение июля-сентября  с периодичностью три раза в месяц определяли потребление меченого по 14С низкомолекулярных органических веществ (гидролизата белка) фракциями фитопланктона размером 4-20 и более 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,  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 содержимое склянок фильтровали через фильтры 4 мкм, получали  результаты гетеротрофной активности всего фитопланктонного сообщества.       Другую часть содержимое склянок фильтровали через мельничное сито 20 мкм методом обратной фильтрации. Затем полученную фракцию фильтровали через фильтр с порами 4 мкм. По разности между результатами радиоактивности всего фитопланктонного сообщества и фракцией 4-20 мкм получали величины радиоактивности фракции 4-20 мкм и более 20 мкм.  Подсчет радиоактивности образцов проводили на сцинтилляционном счетчике «Rackbeta 1217» (фирма LKB). (Садчиков, Козлов, 1993; Садчиков, Макаров, 1997, 2000; Садчиков, Остроумов, 2018 а,б,в). Потребление меченого РОВ водорослями и бактериями пересчитывали на один час.   Концентрация меченого легкоусвояемого РОВ составляла доли процента той, которая обычно наблюдается в водоемах (Кораблева, 1989), поэтому по интенсивности включения в клетки водорослей  меченого гидролизата белка  можно с некоторыми допущениями судить о деструкционных 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 в течение сезона 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) (Садчиков, 1997; Ostroumov, Sadchikov,1918).                 В Можайском водохранилище одиночные и колониальные водоросли размером до 50 мкм составляли 42% общей массы фитопланктона. Более крупный фитопланктон (так называемый сетной фитопланктон) составлял в среднем 56% массы фитопланктона. А доля водорослей размером до 20 мкм, которые, как показали исследования, являются физиологически активной единицей сообщества, составляли небольшую часть общей массы фитопланктона – всего 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% продукции, однако, их удельная продукция была значительно ниже, чем более мелких водорослей. 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 фракцией водорослей 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

Таблица 2

Потребление меченого по 14С органического вещества фракцией водорослей размером более 20 мкм (в процентах от внесенного в экспериментальные сосуды)

Водоем

Месяц

Результаты (в %%)

Можайское водохранилище (мезотрофный водоем)

Июль

4.3

5.2

13.0

Август

9.0

8.9

23.8

Сентябрь

8.0

4.9

5.4

    В экспериментальные сосуды вносили меченый по 14С гидролизат белка в концентрации около 30 мкг С/л (см. методику), в конце опыта в экспериментальных сосудах  оставалось 0,1-0,4  мкг С/л  этого РОВ. Это показывает, что микроорганизмы  способны потреблять легкоусвояемое органическое вещество до ничтожно малых концентраций. Причем, интенсивность потребления РОВ зависит  не только от общего количества микроорганизмов и температуры среды, но и присутствия агрегированных бактерий и детрита (Садчиков, 2019). Причем это проявлялось в течение всех трех месяцев. Это можно объяснить высокой физиологической активностью агрегированных бактерий и мелких водорослей (размер 4-20 мкм) (Садчиков, Куликов, 1990; Садчиков, 2019).

  В течение исследованного периода значительная часть внесенного в экспериментальные сосуды меченого РОВ потреблялась сообществом фитопланктона (в основном мелкими фракциями) и бактериопланктона. По этим показателям  можно судить о деструкционных процессах, протекающих в водоемах. Наиболее активно потребление меченого РОВ осуществлялось в середине лета (в августе), чему способствовало интенсивное развитие организмов (водорослей и бактерий) в это время и прогрев воды,  а также поступление органического вещества в процессе жизнедеятельности водорослей.    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, 2019; Садчиков, Остроумов, 2019). Фракция водорослей размером 4-20 мкм в июне в среднем потребляла 9% внесенного в экспериментальный сосуд меченого гидролизата белка, в июле 15.5%, а в августе – 8%. Сетной фитопланктон (размером более 20 мкм) в июне потреблял в среднем  7.5%, в июле 14%, в августе – 6% меченого РОВ (Табл. 1, 2).

Средние значения в потреблении органического вещества между этими фракциями водорослей различались незначительно, однако при пересчете на единицу биомассы, различия заметны значительно больше.

     Отмирание водорослей (и соответственно увеличение в водоеме РОВ) способствовало увеличению гетеротрофной активности водорослей. В сентябре при понижении температуры воды утилизация  РОВ заметно снизилась  (около 9-11% от внесенного в сосуды меченого 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 16% РОВ. Причем наибольшие значения  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 воды водоросли потребляли меченое РОВ менее интенсивно, чем в летнее время  (Табл. 1, 2).

 

Заключение

    Исследования показали, что водоросли активно потребляют легкоусвояемое органическое вещество, причем активными потребителями являются наиболее мелкие водоросли (размер 4-20 мкм), которые обладают высокой физиологической (фотосинтетической)  активностью. Так что сообщество фитопланктона является активным деструктором органического вещества. Отмечено, что водоросли, прижизненно выделяют легкоусвояемое органическое вещество,  которое  в дальнейшем потребляется сообществом микроорганизмов (Садчиков, Куликов, 1990).

   Водоросли не только потребляют органическое вещество, но и выделяют в среду свои метаболиты (органическое вещество) и тем стимулируют развитие микроорганизмов 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 (Садчиков, 1997).  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

 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 // 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.  Потребление органического вещества бактериальным сообществом и ультрафитопланктоном // Материалы по флоре и фауне Республики Башкортостан. 2019, №. 24. С. 72-79.

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 .