"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. Специализиро-
ванный 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 интенсив-
но. Результаты этих работ легли в основу оценки продуктивности и 
трофического статуса водоемов, 
установления общих закономернос-
тей 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, Ri-
ler, 1975). Однако, многие вопросы остаются нерешенными и требу-
ют 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 наблюдаю-
щимся во многих водоемах дисбалансом деструкционных и продукци-
онных 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 
актив-
ностью (Смирнов, 
Федоров, 
1982; Смирнов, Ильяш, Федоров, 1986; 
Федоров, Смирнов, Ильяш, 1991), с другой - по разному включаются 
в трофическую цепь (Сущеня, 1975; Гутельмахер. 1986). Пресновод-
ный 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 трофи-
ческую цепь с потерей энергии за счет ее удлинения (Сорокин, Мо-
наков, 
1974; Приймаченко, 1986; Секи, 1986; Гутельмахер, Садчи-
ков, Филиппова, 1988; Gliwicz, 1969; Hillbricht-Ilkowska, 1977). 
Такое избирательное потребление водорослей зоопланктоном указы-
вает на необходимость дифференцированного подхода при 
определе-
нии первичной продукции. 

Синтезированное водорослями органическое вещество 
частично 
экскретируется в среду. 
Эти процессы хорошо исследованы в усло-
виях культур и в морях: величины внеклеточной продукции достига-
ют 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 экс-
кретированных фитопланктоном продуктов микроорганизмами. 

Остаются далеко нерешенными вопросы, 
связанные с количест-
венными 
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 раство-
ренного органического вещества (РОВ) водоемов, хотя гетеротрофия 
водорослей как в природных, 
так и в лабораторных условиях куль-
тур описана довольно полно (Гусев, 
Никитина, 1979; Кузьменко, 
1981; 
Федоров. 1987; Сиренко, Козицкая, 1S88; McCarthy, 1972; 
Fogg, 
1983). Практически неизученными остаются процессы фермен-
тативного 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 су-
щественно различаются своими физиологическими характеристиками. 

Цель и задачи исследования. Основная цель исследований сос-
тояла в выявлении 
закономерностей и экологической 
значимости 
продукционно-деструкционных 
процессов в некоторых водоемах раз-
ного 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 раз-
мерных групп фитопланктона (на примере некоторых водоемов разной 
трофности 
Подмосковья) и выявить закономерности пространствен-
ных, 
сезонных и суточных изменений продуцирования органического 
вещества; 

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

- изучить гетеротрофную активность размерных 
групп 
фитоп-
ланктона 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 
водое-
мах; 

- определить интенсивность трансформации 
прижизненных и 
посмертных выделений водорослей структурными группами бактериоп-
ланктона 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 фитопланк-
тона в продуцировании органического вещества и его трансформа-
ции. 

С повышением трофности водоемов происходит возрастание ро-
ли наннопланктона и снижение участия доминирующего по массе сет-
ного фитопланктона в продукционном процессе. Под влиянием трофи-
ческого 
пресса зоопланктона биомасса наннопланктона поддержива-
ется на относительно низком уровне, 
однако за счет 
достаточно 
высокой скорости размножения наннопланктон быстро восстанавлива-
ет свою численность. 

С повышением трофности водоемов возрастают и величины внек-
леточной 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 не-
достаточной освещенностью и у поверхности, 
где происходит инги-
бирование фотосинтеза солнечной радиацией. В оптимальных для фо-
тосинтеза условиях экскреция РОВ небольшая. В течение суток фи-
топланктон выделяет в среду в среднем от 10 до 40% синтезирован-
ного органического вещества. 

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

- 4 
-

МИ. 

Бактериопланктон потребляет около 60% прижизненных экскре-
тов фитопланктона и около 40% РОВ, поступившего в среду при от-
мирании водорослей. 

Впервые в гидробиологической практике применен метод 
опре-
деления 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 субс-
трата всеми присутствующими гидробионтами. 
Утилизация высокомо-
лекулярных соединений водорослями осуществляется только в при-
сутствии бактерий, 
так как они экзоферменты не выделяют, а пот-
ребляют уже готовые продукты гидролиза субстрата. 

Интенсивность деструкционных процессов находится в прямой 
зависимости от количества колониальных бактерий, детритно-бакте-
риальных ассоциаций (ДВА) и детрита. 
На взвеси происходит сорб-
ция 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 
гидроби-
онтами. 
Утилизация прижизненных и посмертных выделений фитоп-
ланктона одиночными и агрегированными бактериями 
осуществляется 
с разной скоростью, 
однако на прирост бактериальной массы ис-
пользуется одинаковое количество потребленного органического ве-
щества - 35-40%. 

Основные продукционно-деструкционные процессы в исследован-
ных водоемах осуществляются с участием наннопланктона и агреги-
рованных бактерий. 

Практическая значимость работы. 
На основе вскрытых законо-
мерностей потребления и трансформации прижизненных и 
посмертных 
выделений водорослей микроорганизмами можно прогнозировать ско-
рость 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 способ-
ность 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 определе-
ния интенсивности деструкционных процессов. 

На основе анализа размерной структуры фитопланктона и тро-
фики зоопланктона можно прогнозировать 
состояние 
кормовой 
базы и выявлять наличие неиспользованных ресурсов. 
Воздействие 
на экосистему эвтрофированных водоемов за счет изменения 
струк-
туры зоопланктона (а соответственно и интенсивности выедания во-
дорослей) позволяет значительно снизить их биологическую продук-
тивность. 

Апробация работы. По результатам работ были сделаны доклады 
на: заседании МОИП (Москва, 1978 г., 1979 г., 1981 г.), V Всесо-
юзном лимнологическом совещании (Иркутск, 
1981 г.), 
Всесоюзном 
симпозиуме 
"Микроорганизмы как компонент 
биогеоценоза" (Ал-
ма-Ата, 
1982 г.), Всесоюзной научной конференции "Проблемы эко-
логии Прибайкалья" (Иркутск, 
1982 г., 1988 г.). Всесоюзном сим-
позиуме "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 Биологичес-
кого факультета МГУ. 

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

Структура и объем диссертации. Диссертация включает: введе-
ние, 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 кото-
рых 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 Можайс-
кого 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 стра-
тификации, 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 фитоп-
ланктона в течение вегетационного сезона изменялась от 2 до 
84 
мг/л. Численность бактериопланктона в течение вегетационного се-
зона изменялась от 1 до 3 млн. кл/мл, а при отмирании фитопланк-
тона достигала 4 млн. кл/мл. Прозрачность воды по диску Секки не 
превышала 2-4 м 
(Щербаков, 1967; Садчиков, Куликов, 1978; Сад-
чиков, 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 - си-
незеленые и динофитовые, 
осенью - синезеленые, диатомовые и зо-
лотистые 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 про-
точному водоему мезотрофного типа с чертами эвтрофирования. Под-
робная гидробиологическая характеристика водохранилища представ-
лена в нашей работе (Каниковская, Садчиков, Федоров, 1985). 

Эвтрофный пруд площадью около 1 га соединен с Можайским во-
дохранилищем небольшой протокой, имеет максимальную глубину 3 м. 
Прибрежная часть водоема сильно заросла элодеей. Пруд имеет мощ-
ный 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 Сек-
ки в среднем была около 1 м, значение рН около 8 (Садчиков. Ку-
ликов, Максимов, 1990). 

Гипертрофный пруд имеет глубину 2 м. Большое количество би-
огенов и органического вещества, поступающих со стоками животно-
водческой 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 вы-
ше, 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 гидробио-
логическими методами (Романенко, Кузнецов, 1974; Федоров, 1979). 
Для определения видового состава, биомассы, продукции и гетерот-
рофной активности размерных фракций фитопланктона (до 10-20 мкм, 
20-50 мкм и более 50 мкм) отобраные из водоемов пробы фильтрова-
ли через сита размером 10 мкм, 
20 мкм, 
50 мкм методом обратной 
фильтрации (Садчиков, Макаров, Максимов, 1995). Учет численности 
окрашенных акридиновым оранжевым одиночных и колониальных бакте-
рий, частиц детрита и прикрепленных к ним бактерий осуществляли 
на мембранных фильтрах (размер пор 0,2 мкм) под 
эпилюминесцент-
ным микроскопом ЛЮМАМ-1И (увел, х 1200) (Куликов, Садчиков, Мак-
симов, 1989, 1990; Садчиков, Куликов, Максимов, 1990). 

Продукцию размерных фракций фитопланктона определяли ради-
оуглеродным 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 сцинтил-
ляционном счетчике "Rackbeta 1217" (фирма LKB) (Садчиков, 
Френ-
кель, 1990 а, б; Садчиков, Козлов, 1992; Садчиков, Макаров, Мак-
симов, 
1995). Количество 
экскретированного 
водорослями 
РОВ 
(внеклеточная продукция) определяли также радиоуглеродным 
мето-
дом 
(Бульон, 
1983) в нашей модификации (Садчиков, 
Френкель, 
19906). 

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

- 8 
-

(Сорокин, 
1966). 
В зависимости от экспериментальных задач кон-
центрация 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 радиоак-
тивность на сцинтилляционном счетчике (Садчиков, 
Козлов, 19926; 
Садчиков, Френкель, Дмитровский, Еремин, 1993). 

Изучение деструкционных процессов осуществляли 
кислородным 
и радиоуглеродным методами (Романенко, 
Кузнецов, 1974). При ис-
пользовании 14С-метода в опытные сосуды с микроорганизмами 
(фи-
то- бактериопланктон и бактериопланктон) добавляли меченое орга-
ническое вещество (гидролизат белка, экскретированное водоросля-
ми 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 поляри-
зации флуоресценции меченого флуоресцентным 
красителем белка 
(иммуноглобулин человека) под действием протеаз, 
выделяемых в 
среду микроорганизмами (Садчиков, Френкель, Скобеева, 1992). 

Пищевой рацион ракообразных рассчитывали по изменению 
кон-
центрации пищевых объектов (водорослей и бактерий) в опытных со-
судах с животными и контрольных (без животных), 
а также 14С-ме-
тодом (Садчиков, Филиппова, 1982, 1984; Садчиков, 1983 а, б). 

Результаты исследований обработаны статистически с указани-
ем ошибки репрезентативности выборочной средней для малых выбо-
рок и 5% уровня значимости (Плохинский, 1970). 

ПРОДУЦИРОВАНИЕ ОРГАНИЧЕСКОГО ВЕЩЕСТВА ФИТОПЛАНК-
ТОННЫМ СООБЩЕСТВОМ 

Фитопланктон природных водоемов представлен большим разно-
образием 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), 

июль 
август сентябрь 
В 

июнь июль 
август сентябрь 

Рис.1. Участие размерных фрак-
ций фитопланктона в продуциро-
вании органического вещества 
(1988 г.) 
А - Мовайское водохранилище 
эвтрофный пруд 

июнь 
июль август 
сентябрь 

В - гипертрофныи пруд 

1 - размер до 4 мкм 
2 - размер 4-20 мкм 
3 - размер 20-50 мкм 
4 - размер более 50 мкм 

2оо 
МКГ С/л-4ч 

ibO-

20.07. 
87г. 

, 1 — I — I — Г ~ 1 

0-4 8-12 16-21 
4-8 12-16 20-24 
(Время суток, ч) 

Рис. 2. Суточная динамика внутри (1)-
и внеклеточной (2) продукции размер-
ных фракций фитопланктона Можайского 
водохранилища 

@ - 
размер до 20 мкм 

^ 
- размер 20-50 мкм 

- размер более 50 мкм