Продуцирование и трансформация органического вещества размерными группами фито- и бактериопланктона (на примере водоемов Подмосковья). Том 2.: Дисс. ... 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) 

ТОМ 2 

03.00.18 - гидробиология 

Диссертация 
на соискание ученой степени 
доктора биологических наук 

Москва, 1997 г. 

О Г Л А В Л Е Н И Е 

ГЛАВА 4.ГЕТЕРОТРОФНАЯ АКТИВНОСТЬ ФИТО- И БАКТЕРИОПЛАНК
ТОНА 
295 

Автохтонное РОВ. Источники его поступления . . . . 
296 

Потребление РОВ водорослями 
300 

Экологическая значимость гетеротрофного питания во
дорослей 
308 

Ферментативный гидролиз органического вещества . . .310 

Характер взаимоотношений водорослей и бактерий . . .313 

Потребление органического вещества водорослями и 

бактериями 
318 

Потребление фито- и бактериопланктоном разных ис
точников углерода 
321 

Суточная динамика гетеротрофной активности фито- и 

бактериопланктона Можайского водохранилища в 1987 г. 340 

Суточная динамика гетеротрофной активности бактерий 

и водорослей мезотрофного и эвтрофного водоемов в 

1988 г 
347 

Сезонная динамика потребления аминокислоты фито- и 

бактериопланктоном Можайского водохранилища в 1988 г. 350 

Потребление гидролизата белка фито- и 
бактериоп
ланктоном в трех водоемах разной трофности в 1987 и 

1988 г. г 
355 

Потребление фито- и бактериопланктоном высокомоле
кулярных органических соединений 
373 

Потребление микроорганизмами прижизненно выделен

ного культурами зеленых водорослей РОВ 
382 

ГЛАВА 5.ФЕРМЕНТАТИВНАЯ И ГЕТЕРОТРОФНАЯ АКТИВНОСТЬ ВОДО
РОСЛЕЙ И БАКТЕРИЙ 
391 

Ферментативная активность в культурах микроорганиз
мов и природных водоемах 
393 

Стимуляция некоторыми водорослями протеолитической 

активности бактерий 
404 

Потребление водорослями и бактериями органического 

вещства разной молекулярной массы и связанная с этим 

процессом их протеолитическая активность 
415 

Влияние концентрации белка на протеолитическую 
ак
тивность бактерий (на примере Bacillus subtilis) . . 421 

ГЛАВА 6.ТРАНСФОРМАЦИЯ ОРГАНИЧЕСКОГО ВЕЩЕСТВА БАКТЕРИАЛЬ
НЫМ СООБЩЕСТВОМ 
436 

Детрит. Его количество 
437 

Размерная структура детрита в природных водоемах 

разной трофности 
446 

Изучение структуры детрита в лабораторных условиях .464 

Поверхность детрита. 
Сорбция органического вещства 

на детрите 
468 

Структурные характеристики бактериопланктона . . . . 472 

Структура бактериопланктона в водоемах разной троф
ности 
478 

Изучение структуры бактерий в лабораторных условиях 493 

Численность и физиологическая активность 
бактерий, 

обитающих на седиментационном детрите 
503 

Изучение физиологической активности бактерий с по
мощью флуоресцеиндиацетата 
505 

Изучение физиологической активности 
бактериопланк
тона с помощью 02-метода . . . 
512 

Ферментативная активность на поверхности детрита . .517 

Трансформация прижизненно выделенного фитопланкто
ном РОВ бактериальным сообществом 
527 

Потребление и трансформация прижизненных и посмерт
ных выделений Chlorella vulgaris бактериальным 
сооб
ществом 
532 

Утилизация и трансформация посмертных выделений фи
топланктона бактериальным сообществом 
541 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 
556 

ВЫВОДЫ 
562 

ЛИТЕРАТУРА 
566 

- 295 

ГЛАВА 4 

ГЕТЕРОТРОФНАЯ АКТИВНОСТЬ ФИТО- И БАКТЕРИОПЛАНКТОНА 

Гетеротрофная активность микроорганизмов является одной из 

наименее изученных проблем гидробиологии. 
И это несмотря на то, 

что деструкционными процессами, 
как бы второй стороной данной 

проблемы, исследователи занимаются довольно интенсивно. 
Понятие 

"гетеротрофная активность" трактуется очень широко и среди иссле
дователей по этому вопросу нет единой точки зрения. В одних слу
чаях в это понятие входит "деструкция" в самом широком 
смысле 

слова, включая и ферментативные процессы; в другом - способность 

организмов потреблять органическое вещество. 
В нашей работе под 

термином 
"гетеротрофная активность" подразумевается способность 

микроорганизмов (водорослей, бактерий) потреблять то или иное ор
ганическое вещество во времени. 

Традиционно принято считать, что выяснение трофической роли 

РОВ началось с гипотезы А.Пюттера, высказанной им в начале XX 

столетия, 
о том, что водные животные значительную часть пищи по
лучают из окружающей среды в виде РОВ. В результате многосторон
него изучения этой проблемы сформировалось представление о роли 

РОВ в функционировании водных экосистем; можно даже сказать, о 

центральном его местоположении, 
поскольку основная масса органи
ческого вещества как в морских, так и в пресноводных водоемах 

представлена в растворенной форме (Айзатуллин, Лебедев, 
Хайлов, 

1979, 1984; Хайлов, 1971; Романкевич,1975; Федоров,1987). Поэтому 

рассмотрение проблемы гетеротрофной активности 
микроорганизмов 

целесообразно начинать именно с РОВ, его концентрации в водоемах, 

- 296 

источниках поступления и др. 

Органическое вещество, находящееся в водоеме, принято делить 

по его происхождению на автохтонное и аллохтонное. 
Оба эти поня
тия в полной мере относятся и к РОВ. Однако в свете поставленной 

проблемы, наибольший интерес для нас представляет РОВ автохтонно
го происхождения. 
Несмотря на относительно низкие концентрации, 

РОВ играет большую роль в функционировании водных экосистем. 
Это 

не удивительно, 
если принять во внимание тот факт, что в состав 

РОВ входят энергетический материал, биологические активные соеди
нения, витамины, вещества гормональной природы и многое другое. 

Понятие "РОВ" сформировалось не сразу. Чаще всего, 
органи
ческое вещество, 
содержащееся в воде, относили к РОВ или к ВОВ в 

зависимости от его способности проходить через фильтры определен
ного размера пор. Условность такого разграничения хорошо освещена 

в работе К.М.Хайлова (1971а). На сегодняшний день принята точка 

зрения в (Романкевич, 1975; Хайлов, 1974; Goldberg, 
Baker, Fox, 

1952), согласно которой, РОВ - это сбалансированная система, сос
тоящая из истинно растворенного органического вещества с молеку
лярной массой 1000 дальтон, коллоидных частиц с молекулярной мас
сой около 1000 дальтон и тонкодисперстных частиц размером до 0,45 

мкм. Такой широкий размерный диапазон компонентов РОВ связан 

прежде всего с весьма условным пониманием термина "РОВ" (Мишусти
на, Батурина,1984), 
с условностью границ между растворенным и 

взвешенным веществом, а также отсутствием строгих методик выделе
ния и идентификации растворенной органики. 

АВТОХТОННОЕ РОВ. ИСТОЧНИКИ ЕГО ПОСТУПЛЕНИЯ. Источниками ав
тохтонного органического вещества в водоеме служат прижизненные и 

- 297 

посмертные выделения всей биоты (водоросли, бактерии,зоопланктон, 

рыбы и т.д.). Одним из основных источников РОВ являются водоросли 

и высшая водная растительность, которые в процессе фотосинтеза 

создают органическое вещество, часть которого прижизненно выделя
ется в среду (Винберг,1970; Nalewajko, Shlndler, 1976; Nalewajko, 

1977). Все метаболиты, выделяемые водными микроорганизмами, пос
тупают как бы в общую копилку - РОВ водоема. 

В природных водоемах РОВ присутствует в количествах, превос- j 

ходящих концентрацию ВОВ во много раз. В поверхностных слоях отк- ! 

рытого океана концентрация его колеблется от 0,5 (и менее) до 3 

мг С/л, составляя, в среднем, 1 мг С/л (Романкевич, 1975; Старит 

кова, 1966; Хайлов, 1971; Христофорова, 1989). В прибрежных водах 

и зонах апвеллинга концентрация РОВ может достигать 20 мг С/л и 

более (Хайлов, 1971 а). Кроме того, высокая концентрация РОВ наб
людается также в слое активного фотосинтеза и может составлять 

6-8 мг С/л (Христофорова, 1989); в более глубоких слоях океана 

эта величина снижается до 1-3 мг С/л (Старикова, 1966; Скопинцев, 

1966; Хайлов, 1971; Романкевич, 1975). 

Несколько большие концентрации РОВ представлены в речной во
де, в озерах и водохранилищах. Так, например, в воде Рыбинского 

водохранилища в среднем за год содержится 8-17 мг С/л растворен
ных органических соединений (Ларионов, Скопинцев, 1978). В озерах 

Большое,,Плещеево, Неро концентрация РОВ составляет 17 мг С/л, 10 

мг С/л, 20 мг С/л, соответственно (Ларионов, 1978). В ряде водое
мов концентрация РОВ может достигать 100 мг С/л и более (Кузне
цов, 1970; Денисова, Паламарчук, 1971; Кораблева, 1989). Сведения 

о концентрации РОВ в пресноводных водоемах представлены в моног
рафиях С.И.Кузнецова (1970) и В.И.Романенко (1985). Довольно мно

- 298 

го работ посвящено изучению отдельных компонентов РОВ в природных 

водоемах и культуральной жидкости разных видов водорослей. 

Для морских вод соотношение РОВ и ВОВ в среднем принимается 

равным 10, при этом в разных районах океана оно может изменяться 

в 50-100 раз (Батурина,1977).[ В пресноводных экосистемах относи
тельное содержание РОВ по сравнению с ВОВ как правило ниже, чем в 

морях. По данным ряда авторов (материал обобщен в статье А.П.Ос
тапени,1987) соотношение РОВ/ВОВ в пресных водоемах разной троф
ности изменяется в пределах 2-98. С увеличением трофности водое
мов отношение РОВ/ВОВ уменьшается. Так, в мезотрофном озере На
рочь РОВ составляет 90% от общего количества органического ве
щества, а в эвтрофном оз. Мястро и высокотрофном оз. Баторин со
ответственно 76% и 50% (Дубко, Остапеня, 1974). 

В то же время необходимо отметить, что основная масса РОВ в 

водоемах представлена гуминовыми веществами, которые с трудом 

утилизируются микроорганизмами, и только небольшая часть - 1-12% 

является легкоусвояемой (Кузнецов, 1970). В природных водоемах 

развитие микроорганизмов зависит не столько от концентрации РОВ, 

сколько от содержания в нем легкоусвояемых компонентов. Особенно 

резко сказывается влияние органического вещества на развитие мик
роорганизмов при отмирании водорослей и поступлении в среду их 

содержимого. Трудноусвояемое РОВ является как бы стабилизирующим 

элементом системы, а легкоусвояемое РОВ, выделяемое в среду орга
низмами, быстро включается в трофическую цепь. Несмотря на низкие 

концентрации легкоусвояемое РОВ играет большую роль в регулирова
нии скорости деструкционных процессов в водных экосистемах (Куз
нецов, 1970). 

Показано, что в природных водоемах и культуральной среде во

- 299 

дорослей встречаются самые разнообразные соединения - белки, пеп
тиды, аминокислоты, углеводы, спирты, липиды, жирные кислоты, ви
тамины, карбоновые кислоты, фенольные соединения, гуминовые ве
щества, комплексы металлов, соединения гормональной природы и др. 

(Максимова, Горская,1980; Тамбиев,Кирикова, 1981; Тамбиев,1984; 

Hellebust, 1965; Fogg, 1983). 

Автохтонное РОВ образуется в основном за счет прижизненных и 

посмертных выделений водных организмов и в первую очередь водо
рослей (Parsons, Seki, 1970). Величины экскреции водорослями ор
ганического вещества могут быть одним из существенных источников 

автохтонного РОВ водоемов; в процессе фотосинтеза они выделяют, в 

виде РОВ до 50-80%, а временами и больше от включенного при фото
синтезе углерода (см. главу 3). 

При отмирании водных микроорганизмов под воздействием авто
литических ферментов и увеличения проницаемости клеточных мембран 

содержимое организма поступает в среду в растворенной форме. При 

отмирании водорослей в среду в виде РОВ поступает 15-50% их био
массы (Денисова,1978), а по другим данным - до 75% (Хай
лов, 1971а). Однако среди исследователей нет единой точки зрения 

относительно того, что является преобладающим в накоплении РОВ в 

среде - прижизненные или посмертные выделения водорослей. 

Количество РОВ в водоеме во много раз превышает суммарную 

биомассу населяющих его организмов (Хайлов, 1971а; Лебедев, Айза
туллин, Хайлов, 1974; Величко,1982), в связи с этим единственный 

путь мобилизации этого вещества связан с осмотрофным типом пита
ния. То есть, основной способ включения РОВ в пищевую цепь связан 

с питанием бактерий, одноклеточных водорослей и грибов. РОВ в пи
тании животных (простейшие, черви, ракообразные и др.) имеет не

- 300 

существенное значение (Гутельмахер, Садчиков, Филиппова, 1988). 

Кроме трофической функции РОВ, несомненно, выполняет и регулятор
ную функцию, поскольку в его состав входит большое количество би
ологически активных веществ, витаминов, энзимов, антиоксидантов, 

токсинов и прочих. 

ПОТРЕБЛЕНИЕ РОВ ВОДОРОСЛЯМИ. Рассмотрение вопросов гетерот
рофной активности бактерий и водорослей необходимо начать, прежде 

всего, с определения гетеротрофии как способа питания. Имеется 

много различных классификаций типов питания организмов в зависи
мости от источника углерода, энергии и прочего. Наиболее полно, 

на наш взгляд, эти основные положения сформулированы в работе 

В.Д.Федорова (1987): 

- все осмотрофные организмы в различной степени способны ус
ваивать углекислоту; 

- все осмотрофные организмы в различной степени способны к 

органотрофному питанию; 

- все осмотрофные организмы способны усваивать азот, фосфор 

и другие биогены из неорганических и органических соединений; 

- все осмотрофные организмы способны к прижизненному выделе
нию в среду органического вещества; 

- все окрашенные осмотрофные организмы, содержащие фотосин
себилизирующие ферменты способны к фотоавтотрофному питанию; 

- по аналогии с животным миром, масса, размеры осмотрофных 

организмов связаны с интенсивностью обмена параболической зависи
мостью, которая аппроксимилируется степенной функцией У= аВс , 

где: У - функция, В - биомасса, а и с - нормировочные коэффициен
ты; 

- 301 

- эффективность мобилизации РОВ и растворенных неорганичес
ких соединений возрастает с увеличением удельной поверхности ос
мотрофных организмов. 

Упрощенно можно представить себе питание микроводорослей как 

совокупность трех типов процессов: фотоавтотрофного, фотоорганот
рофного и органогетеротрофного. Рассматривая данную точку зрения 

можно отметить, что соотношение органогетеротрофного и фотоорга
нотрофного процессов в питании водорослей во многом зависит от 

внешних условий (освещенности, концентрации РОВ, температуры, на
личия биогенов и прочего ) и их физиологического состояния. 

Транспорт экзогенной органики внутрь водорослевой клетки мо
жет происходить следующим образом (Кондратьева, Максимова, Самуи
лов, 1989): 

- за счет диффузии, когда поглощение органики идет до вырав
нивания концентрации данного вещества внутри клетки и в окружаю
щей среде; 

- за счет активного транспорта; 

- путем групповой транслокации; 

- химической модификации при переносе. 

Другими словами, при этом способе транспорта органическое 

вещество переносится через мембрану не в чистом виде, а в виде 

некоторых производных, принимающих участие во внутриклеточном ме
таболизме. 

Основными потребителями РОВ являются бактерии, грибы, водо
росли и отчасти одноклеточные животные. Имея малые размеры, высо
кую удельную поверхность они интенсивно трансформируют и разруша
ют РОВ. 

У бактерий и грибов РОВ является основным энергетическим и 

- 302 

конструктивным материалом, тогда как у фототрофных организмов 
водорослей - скорее всего вспомогательным. Однако имеется много 

данных, согласно которым способность к использованию на свету ор
ганических соединений присуща многим фототрофным организмам (Гу
сев, Никитина,1979). Е.Н. Кондратьева (1972), например, считает, 

что такой способ питания является более древним, чем усвоение 

С02. Утилизация тех или иных органических соединений связана со 

способностью клеток водорослей к их транспорту, проницаемостью 

для них клеточной мембраны, присутствием в клетках ферментов, 

направляющих эти соединения по тому или иному пути (Гусев,Никити
на, 1979). 

Основная роль в гетеротрофном питании водорослей принадле
жит, несомненно, низкомолекулярным соединениям, которые относи
тельно легко проникают через клеточную мембрану. О способности 

водорослей в культурах и природных водоемах потреблять низкомоле
кулярные органические вещества имеется много данных. 

Самым простым доказательством гетеротрофного питания являет
ся рост водорослей при отсутствии или недостатке света. На боль-' 

ших глубинах с недостаточной для фотосинтеза освещенностью были 

обнаружены водоросли, которые не только не были угнетены отсутс
твием света, но и вегетировали (Кондратьева, 1967). 

Другим доказательством потребления органических веществ яв
ляется следующее. Как известно, водоросли не очень хорошо растут 

на одних только минеральных средах; добавление различных органи
ческих веществ приводило к изменению роста культур. В бактериаль
но чистых культурах 13-ти видов водорослей наблюдали • потребление 

органического углерода в составе тех или иных соединений (15 Са
харов, 19 органических кислот, 16 спиртов) ( Ukeles, Rose, 1976). 

- 303 

Используя изотоп 15N было показано, что поглощение фитопланктоном 

у берегов Южной Калифорнии мочевины составляло 28% от всего пот
ребленного азота (McCarthy, 1972). 

В некоторых случаях вывод о наличии гетеротрофии у того или 

иного вида водорослей можно сделать на основе оценки роста сме
шанных культур (Ильяш, Федоров,1985). Эти авторы наблюдали изме
нение численности и фотосинтеза черноморских динофлагеллят в 

двух- и трехвидовых культурах, на основании которых сделан вывод 

о их способности потреблять органические вещества в качестве ис
точника энергии и конструктивного материала. 

Показано, что многие синезеленые являются активными потреби
телями органических соединений; гетеротрофия у синезеленых водо
рослей является довольно широко распространенным явлением. В оп
ределенных условиях она является единственно возможным для их 

размножения или продлевающим их развитие и препятствующим гибели 

и лизису от фотоокисления (Гусев, Никитина, 1979). 

Некоторые органические соединениия (органические кислоты, 

углеводы и др.), ряд аминокислот положительно влияют на развитие 

естественных популяций и чистых культур некоторых синезеленых из 

Днепровских водохранилищ (Мережко,1965; Кузьменко,1968). Добавки 

органических веществ (глюкоза, аспарагиновая и глутаминовая кис
лоты) оказывают положительное влияние на Anabaena variabilis , 

находящейся в стационарной фазе роста или в процессе лизиса. При 

добавлении органических веществ продлевалась экспоненциальная фа
за развития культуры на необычно долгое время (вплоть до 2 мес.). 

В конечном счете урожай клеток был выше, чем без добавления орга
нических веществ. Добавление органических веществ в начальной 

стадии роста культуры не влияло на развитие водорослей (Никитина.