Продуцирование и трансформация органического вещества размерными группами фито- и бактериопланктона (на примере водоемов подмосковья): Автореф. дис. ... докт. биол. наук

"МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМ. М.В.ЛОМОНОСОВА 

БИОЛОГИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ 

На правах рукописи 
УДК 577.475 

САДЧИКОВ 
Анатолий Павлович 

ПРОДУЦИРОВАНИЕ И ТРАНСФОРМАЦИЯ ОРГАНИЧЕСКОГО 
ВЕЩЕСТВА РАЗМЕРНЫМИ ГРУППАМИ ФИТО- И БАКТЕРИОПЛАНКТОНА 
(НА ПРИМЕРЕ ВОДОЕМОВ ПОДМОСКОВЬЯ) 

03.00.18 - гидробиология 

Автореферат диссертации 
на соискание ученой степени 
доктора биологических наук 

Москва, 1997 г. 

Работа выполнена на кафедре гидробиологии Биологического 
факультета Московского государственного университета 
им. И.В.Ломоносова 

на заседании Специализированного совета Д.053.05.71 
по адресу: 119899, Москва, В-234, Воробьевы горы, МГУ, 
Биологический факультет 

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Биологического 
факультета МГУ 

Автореферат диссертации разослан " 
1997 г. 

Отзыв в двух экземплярах просим направлять по адресу: 
119899, Москва, 
МГУ, Биологический факультет. Специализированный совет Д.053.05.71 

Ученый секретарь Специализированного 
совета, кандидат биологических наук, 
ведущий научный сотрудник 
А.Г.Дмитриева 

Актуальность проблемы. Изучение продукционно-деструкционных 
процессов в природных водоемах осуществляется довольно интенсивно. Результаты этих работ легли в основу оценки продуктивности и 
трофического статуса водоемов, 
установления общих закономерностей трансформации органического вещества в водных 
экосистемах, 
изучения процессов 
эвтрофирования 
водоемов и их очистительной 
способности (Винберг, 1960, 1975; Драчев, 1964; Сорокин, 1973; 
Одум, 
1975; Edmonclson, 1961; Brylinsky, Mann, 1973; Dillon, Riler, 1975). Однако, многие вопросы остаются нерешенными и требуют доработки. Кроме того, при изучении потока вещества и энергии 
в экосистеме постоянно возникает потребность в более 
детальном 
изучении механизма функционирования 
компонентов 
этой системы 
(Винберг, 1967). Актуальна также проблема, связанная с наблюдающимся во многих водоемах дисбалансом деструкционных и продукционных процессов (Константинов, 
1983), что требует 
разработки 
новых подходов и методов. 

В большинстве исследований представлены данные по продукции 
всего фитопланктонного сообщества без дифференцировки на участие 
в этом процессе отдельных видов или групп водорослей, 
которые с 
одной стороны обладают неодинаковой 
фотосинтетической 
активностью (Смирнов, 
Федоров, 
1982; Смирнов, Ильяш, Федоров, 1986; 
Федоров, Смирнов, Ильяш, 1991), с другой - по разному включаются 
в трофическую цепь (Сущеня, 1975; Гутельмахер. 1986). Пресноводный зоопланктон непосредственно потребляет в пищу 
наннопланктон 
размером до 30-50 мкм, 
тогда как более крупные водоросли, так 
называемый сетной фитопланктон, 
потребляются слабо и включаются 
в трофическую цепь преимущественно через детритно-бактериальное 
звено. 
Эвтрофирование многих водоемов привело к развитию в них 
крупных и колониальных водорослей, 
которые включаются в трофическую цепь с потерей энергии за счет ее удлинения (Сорокин, Монаков, 
1974; Приймаченко, 1986; Секи, 1986; Гутельмахер, Садчиков, Филиппова, 1988; Gliwicz, 1969; Hillbricht-Ilkowska, 1977). 
Такое избирательное потребление водорослей зоопланктоном указывает на необходимость дифференцированного подхода при 
определении первичной продукции. 

Синтезированное водорослями органическое вещество 
частично 
экскретируется в среду. 
Эти процессы хорошо исследованы в условиях культур и в морях: величины внеклеточной продукции достигают 40-70% и более от включенного в клетку углерода (Бульон, 
1977; 
Тамбиев, 1984; Hellebust, 1974; Stroch, Saunders, 1975; 

- 2 
Bjornsen, 
1988). В пресных водоемах работы такого плана носят 
эпизодический характер, 
чаще всего без учета трансформации экскретированных фитопланктоном продуктов микроорганизмами. 

Остаются далеко нерешенными вопросы, 
связанные с количественными 
оценками 
посмертных выделений водорослей, 
образования 
детрита после их отмирания, определения интенсивности деструкции 
органического вещества в зависимости от структуры бактериального 
сообщества. Не совсем ясна роль фототрофов в разрушении растворенного органического вещества (РОВ) водоемов, хотя гетеротрофия 
водорослей как в природных, 
так и в лабораторных условиях культур описана довольно полно (Гусев, 
Никитина, 1979; Кузьменко, 
1981; 
Федоров. 1987; Сиренко, Козицкая, 1S88; McCarthy, 1972; 
Fogg, 
1983). Практически неизученными остаются процессы ферментативного гидролиза органического вещества в толще водоемов и 
роль микроорганизмов в этом процессе. 

В связи с изложенным особое значение приобретает 
детальное 
рассмотрение 
продукционно-деструкционных 
процессов в водоемах 
разного трофического уровня с учетом размерной структуры фито- и 
бактериопланктона, 
поскольку входящие в них виды и группы существенно различаются своими физиологическими характеристиками. 

Цель и задачи исследования. Основная цель исследований состояла в выявлении 
закономерностей и экологической 
значимости 
продукционно-деструкционных 
процессов в некоторых водоемах разного трофического уровня средней полосы России в зависимости от 
размерной структуры фито- и бактериопланктона. В соответствии с 
этим в работе были поставлены следующие конкретные задачи: 

- изучить структурные и продукционные характеристики размерных групп фитопланктона (на примере некоторых водоемов разной 
трофности 
Подмосковья) и выявить закономерности пространственных, 
сезонных и суточных изменений продуцирования органического 
вещества; 

- изучить экскрецию РОВ культурами водорослей и природным 
фитопланктоном в суточных и сезонных экспериментах; 
выявить закономерности создания внеклеточной продукции размерными группами 
фитопланктона в водоемах разного трофического уровня; 

- изучить гетеротрофную активность размерных 
групп 
фитопланктона и бактерий для установления их роли в деструкции и 
трансформации РОВ разной молекулярной массы; 

- 3 
- выявить степень ферментативной деструкции органического 
вещества в культурах водорослей и бактерий и в природных 
водоемах; 

- определить интенсивность трансформации 
прижизненных и 
посмертных выделений водорослей структурными группами бактериопланктона и оценить степень деструкции органического 
вещества в 
водоемах. 

Научная новизна. На основе комплексных исследований впервые 
для водоемов разного трофического уровня средней полосы России 
определена экологическая значимость отдельных фракций фитопланктона в продуцировании органического вещества и его трансформации. 

С повышением трофности водоемов происходит возрастание роли наннопланктона и снижение участия доминирующего по массе сетного фитопланктона в продукционном процессе. Под влиянием трофического 
пресса зоопланктона биомасса наннопланктона поддерживается на относительно низком уровне, 
однако за счет 
достаточно 
высокой скорости размножения наннопланктон быстро восстанавливает свою численность. 

С повышением трофности водоемов возрастают и величины внеклеточной продукции : в гипертрофном водоеме они в 2 раза 
выше, 
чем в мезо-и эвтрофном. На долю наннопланктона приходится 2/3 
внеклеточной продукции фитопланктона. 
Экскреция РОВ водорослями 
осуществляется в течение суток. Наибольшие величины (в процентах 
от включенного в клетку углерода) наблюдаются на глубинах с недостаточной освещенностью и у поверхности, 
где происходит ингибирование фотосинтеза солнечной радиацией. В оптимальных для фотосинтеза условиях экскреция РОВ небольшая. В течение суток фитопланктон выделяет в среду в среднем от 10 до 40% синтезированного органического вещества. 

Высокая гетеротрофная активность фитопланктона определяется 
преимущественным потреблением низкомолекулярных органических соединений (до 60-75% потребленного 
фито- и 
бактериопланктоном 
этого РОВ). Однако удельное потребление РОВ бактериями (приведенное к единице биомассы) в несколько десятков раз выше, чем 
аналогичные значения фитопланктона. Наиболее высокой гетеротрофной активностью обладала фракция водорослей размером до 20 мкм. 
Высокомолекулярные 
соединения потребляются в основном бактерия

- 4 

МИ. 

Бактериопланктон потребляет около 60% прижизненных экскретов фитопланктона и около 40% РОВ, поступившего в среду при отмирании водорослей. 

Впервые в гидробиологической практике применен метод 
определения ферментативной активности микроорганизмов по измерению 
поляризации флуоресценции, позволивший установить, что экскреция 
протеаз осуществляется в основном бактериями. 
Выделившиеся в 
среду ферменты функционируют вне связи с живыми организмами, что 
дает возможность утилизировать продукты гидролиза пищевого субстрата всеми присутствующими гидробионтами. 
Утилизация высокомолекулярных соединений водорослями осуществляется только в присутствии бактерий, 
так как они экзоферменты не выделяют, а потребляют уже готовые продукты гидролиза субстрата. 

Интенсивность деструкционных процессов находится в прямой 
зависимости от количества колониальных бактерий, детритно-бактериальных ассоциаций (ДВА) и детрита. 
На взвеси происходит сорбция ферментов и РОВ, 
где и осуществляется его гидролиз. 
Часть 
образовавшихся продуктов ферментативного 
гидролиза 
пищевого 
субстрата потребляется обитающими на детрите бактериями, 
другая 
- поступает в воду и утилизируется присутствующими там 
гидробионтами. 
Утилизация прижизненных и посмертных выделений фитопланктона одиночными и агрегированными бактериями 
осуществляется 
с разной скоростью, 
однако на прирост бактериальной массы используется одинаковое количество потребленного органического вещества - 35-40%. 

Основные продукционно-деструкционные процессы в исследованных водоемах осуществляются с участием наннопланктона и агрегированных бактерий. 

Практическая значимость работы. 
На основе вскрытых закономерностей потребления и трансформации прижизненных и 
посмертных 
выделений водорослей микроорганизмами можно прогнозировать скорость разрушения фитопланктона при разной степени его развития в 
водоеме. При повышении доли агрегированных бактерий и увеличения 
количества детрита в толще водоема интенсивность 
деструкционных 
процессов резко возрастает, что позволяет прогнозировать способность водоемов к самоочищению. 

Разработан экспрессный метод определения ферментативной ак

- 5 
тивности микроорганизмов, позволяющий анализировать эти процессы 
как в лаборатории, 
так и в природных водоемах с целью определения интенсивности деструкционных процессов. 

На основе анализа размерной структуры фитопланктона и трофики зоопланктона можно прогнозировать 
состояние 
кормовой 
базы и выявлять наличие неиспользованных ресурсов. 
Воздействие 
на экосистему эвтрофированных водоемов за счет изменения 
структуры зоопланктона (а соответственно и интенсивности выедания водорослей) позволяет значительно снизить их биологическую продуктивность. 

Апробация работы. По результатам работ были сделаны доклады 
на: заседании МОИП (Москва, 1978 г., 1979 г., 1981 г.), V Всесоюзном лимнологическом совещании (Иркутск, 
1981 г.), 
Всесоюзном 
симпозиуме 
"Микроорганизмы как компонент 
биогеоценоза" (Алма-Ата, 
1982 г.), Всесоюзной научной конференции "Проблемы экологии Прибайкалья" (Иркутск, 
1982 г., 1988 г.). Всесоюзном симпозиуме "Теоретические основы аквакультуры" (Москва, 1983 г.), 
Всесоюзной конференции "Методология экологического нормирования" 
(Харьков, 
1990 г.), VI Съезде Гидробиологического общества РАН 
(Мурманск, 1991 г.), семинарах кафедры гидробиологии Биологического факультета МГУ. 

Публикации. По материалам 
диссертации опубликовано 60 работ, в том числе две коллективные монографии и два обзора. 

Структура и объем диссертации. Диссертация включает: введение, шесть глав, заключение, выводы, список литературы; изложена 
на 591' странице машинописного текста и содержит 120 рисунков и 
12 таблиц. В списке цитируемой литературы 474 названия, из которых 177 на иностраных языках. 

ГИДРОБИОЛОГИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ВОДОЕМОВ, ОБЪЕКТЫ 
И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ 

Натурные эксперименты проводили с 1976 по 1990 гг. на оз. 
Глубокое, 
Можайском 
водохранилище, 
нескольких прудах 
разной 
трофности, 
расположенных в непосредственной близости от Можайского водохранилища (Московская обл.), а также - в лабораториях 
МГУ. 

Мезотрофное оз. 
Глубокое имеет площадь 0,6 км2, максималь

- 6 

ную глубину 32 м и среднюю - 9 м. Несмотря на небольшие размеры 
оно обладает многими чертами крупного водоема. 
В летнее время в 
пелагиали озера резко выражена температурная и кислородная стратификации, которые сохраняются в течение всего теплого периода и 
исчезают лишь при осеннем перемешивании. 
Весной и в июне в 
планктоне преобладают диатомовые и зеленые водоросли, 
во второй 
половине лета (июль-август) - синезеленые и динофитовые, 
осенью 
доминируют синезеленые, золотистые и диатомовые. Биомасса фитопланктона в течение вегетационного сезона изменялась от 2 до 
84 
мг/л. Численность бактериопланктона в течение вегетационного сезона изменялась от 1 до 3 млн. кл/мл, а при отмирании фитопланктона достигала 4 млн. кл/мл. Прозрачность воды по диску Секки не 
превышала 2-4 м 
(Щербаков, 1967; Садчиков, Куликов, 1978; Садчиков, 1979; 1981). 

Можайское водохранилище появилось в результате 
затопления 
поймы р.Москвы при строительстве в 1960 г. Можайского гидроузла. 
Длина водохранилища 28 км, ширина 1 км, средняя глубина 8 м. 
Весной в планктоне преобладают диатомовые водоросли, летом - синезеленые и динофитовые, 
осенью - синезеленые, диатомовые и золотистые с биомассой 5-260 мг/л (Садчиков, Макаров, 
Максимов, 
1995). Численность бактериопланктона в основном изменялась 
от 
0,5 до 3 млн. кл/мл. Прозрачность воды по диску Секки изменялась 
от 1 до 5 м, рН 8-10. Можайское водохранилище относится к проточному водоему мезотрофного типа с чертами эвтрофирования. Подробная гидробиологическая характеристика водохранилища представлена в нашей работе (Каниковская, Садчиков, Федоров, 1985). 

Эвтрофный пруд площадью около 1 га соединен с Можайским водохранилищем небольшой протокой, имеет максимальную глубину 3 м. 
Прибрежная часть водоема сильно заросла элодеей. Пруд имеет мощный слой ила, а зимой в нем наблюдаются заморные явления. 
В 
планктоне пруда преобладают синезеленые, 
зеленые и 
динофитовые 
водоросли; 
биомасса - 2-124 мг/л. Численность бактериопланктона 
составляла 5 млн. кл/мл и более. Прозрачность воды по диску Секки в среднем была около 1 м, значение рН около 8 (Садчиков. Куликов, Максимов, 1990). 

Гипертрофный пруд имеет глубину 2 м. Большое количество биогенов и органического вещества, поступающих со стоками животноводческой фермы, 
способствовали массовому развитию водорослей и 

- 7 

бактерий. Биомасса фитопланктона достигала 594 мг/л, в основном 
за счет зеленых, 
эвгленовых и некоторых динофитовых водорослей. 
Общая численность бактерий в среднем за лето составляла 52 млн. 
кл/мл. Концентрация РОВ в гипертрофном пруду была в 5-6 раз выше, чем в двух других водоемах. 
Прозрачность воды 
составляла 
всего 0,1 м, значения рН около 7,5 (Садчиков, Козлов, 1993). 

Изучение количественных и структурных характеристик 
фито-, 
бактериопланктона и детрита осуществляли стандартными гидробиологическими методами (Романенко, Кузнецов, 1974; Федоров, 1979). 
Для определения видового состава, биомассы, продукции и гетеротрофной активности размерных фракций фитопланктона (до 10-20 мкм, 
20-50 мкм и более 50 мкм) отобраные из водоемов пробы фильтровали через сита размером 10 мкм, 
20 мкм, 
50 мкм методом обратной 
фильтрации (Садчиков, Макаров, Максимов, 1995). Учет численности 
окрашенных акридиновым оранжевым одиночных и колониальных бактерий, частиц детрита и прикрепленных к ним бактерий осуществляли 
на мембранных фильтрах (размер пор 0,2 мкм) под 
эпилюминесцентным микроскопом ЛЮМАМ-1И (увел, х 1200) (Куликов, Садчиков, Максимов, 1989, 1990; Садчиков, Куликов, Максимов, 1990). 

Продукцию размерных фракций фитопланктона определяли радиоуглеродным методом: пробы водорослей после экспозиции in situ с 
1 4С и деления на фракции фильтровали через мембранные фильтры 
(размер пор 1,5 мкм) и определяли их радиоактивность на сцинтилляционном счетчике "Rackbeta 1217" (фирма LKB) (Садчиков, 
Френкель, 1990 а, б; Садчиков, Козлов, 1992; Садчиков, Макаров, Максимов, 
1995). Количество 
экскретированного 
водорослями 
РОВ 
(внеклеточная продукция) определяли также радиоуглеродным 
методом 
(Бульон, 
1983) в нашей модификации (Садчиков, 
Френкель, 
19906). 

Потребление органических веществ водорослями и бактериями 
определяли по включению в их клетки меченых по 1 4С 
низкомолекулярных (глутаминовая кислота, аланин, глюкоза, гидролизат белка) 
и высокомолекулярных (1251-иммуноглобулин человека, 
3Н-целлюлоза, 
3Н-лецитин, 
3Н-глицил-лейцин, 3Н-бычий сывороточный альбумин) органических соединений . Кроме того, 
в качестве пищевого 
субстрата использовали меченое по 1 4С экскретированное водорослями РОВ и искусственно приготовленный 
гидролизат 
водорослей, 
содержащий 
органические 
соединения разной молекулярной массы 

- 8 

(Сорокин, 
1966). 
В зависимости от экспериментальных задач концентрация меченых органических веществ была в пределах 5 - 1500 
мкг С/л. Сообщество фито- и бактериопланктона после экспозиции с 
меченым РОВ делили на размерные фракции и определяли их радиоактивность на сцинтилляционном счетчике (Садчиков, 
Козлов, 19926; 
Садчиков, Френкель, Дмитровский, Еремин, 1993). 

Изучение деструкционных процессов осуществляли 
кислородным 
и радиоуглеродным методами (Романенко, 
Кузнецов, 1974). При использовании 14С-метода в опытные сосуды с микроорганизмами 
(фито- бактериопланктон и бактериопланктон) добавляли меченое органическое вещество (гидролизат белка, экскретированное водорослями РОВ, РОВ мертвых водорослей) и анализировали его потребление 
этими организмами. 
В фильтрате после удаления взвеси определяли 
количество неиспользованного меченого органического вещества. 
Интенсивность дыхания определяли по разнице между 
количеством 
внесенного в сосуды меченого органического вещества, включенного 
в метаболизм микроорганизмов, 
и оставшегося в среде 
(Садчиков, 
Куликов, 1992 а, б; Садчиков, Козлов, 1992 б). 

Протеолитическую активность определяли по измерению поляризации флуоресценции меченого флуоресцентным 
красителем белка 
(иммуноглобулин человека) под действием протеаз, 
выделяемых в 
среду микроорганизмами (Садчиков, Френкель, Скобеева, 1992). 

Пищевой рацион ракообразных рассчитывали по изменению 
концентрации пищевых объектов (водорослей и бактерий) в опытных сосудах с животными и контрольных (без животных), 
а также 14С-методом (Садчиков, Филиппова, 1982, 1984; Садчиков, 1983 а, б). 

Результаты исследований обработаны статистически с указанием ошибки репрезентативности выборочной средней для малых выборок и 5% уровня значимости (Плохинский, 1970). 

ПРОДУЦИРОВАНИЕ ОРГАНИЧЕСКОГО ВЕЩЕСТВА ФИТОПЛАНКТОННЫМ СООБЩЕСТВОМ 

Фитопланктон природных водоемов представлен большим разнообразием видов, у которых размер клеток и колоний различается на 
несколько порядков величин. 
Деление фитопланктона на размерные 
группы довольно произвольно - для пресноводных водорослей 
чаще 
всего используют термины 
"ультрапланктон" (размер до 10 мкм),