Гетеротрофные нанофлагелляты в пелагиали и донных отложениях восточной части моря Лаптевых

Полный текст

ВВЕДЕНИЕ

Свободноживущие гетеротрофные нанофлагелляты (жгутиконосцы) повсеместно распространены в морских и пресноводных экосистемах, включая субарктические [10, 22] и арктические [11, 30, 35, 36]. Эти микроорганизмы, имеющие наименьшие размеры и наивысшие темпы размножения среди простейших, являются постоянными компонентами микробных трофических сетей, главными потребителями пикопланктона (бактерий, цианобактерий, водорослей и архей), выедаются инфузориями и беспозвоночными животными и активно участвуют в рециклинге биогенных элементов [12, 24, 26, 27]. В определенные сезоны гетеротрофные нанофлагелляты могут потреблять всю продукцию бактериопланктона [21]. Традиционно гетеротрофные жгутиконосцы считались единой группой, однако данные, полученные в последние годы с помощью молекулярно-генетических методов, показывают, что они представляют собой эволюционно разнородное сообщество жгутиковых организмов, представленных почти во всех ветвях домена Eukaryota, использующих фаготрофное или осмотрофное питание и выполняющих сходную роль в трофических сетях водных экосистем [17, 21, 37].

Море Лаптевых занимает центральное положение в системе морей Российской Арктики. Находясь в свободном водообмене с Северным Ледовитым океаном, на значительном удалении от Атлантического и Тихого океанов, море Лаптевых лишено их отепляющего воздействия. Поверхность моря покрыта льдом в течение большей части года. Только в августе-сентябре море частично освобождается ото льда. Эта мелководная экосистема испытывает большое влияние речного стока, прежде всего стока р. Лены.

В последние десятилетия морская экосистема моря Лаптевых является объектом комплексных научных исследований, в частности, таких как многолетняя программа российско-германского сотрудничества «Система моря Лаптевых» [9]. Однако микроорганизмы, в т. ч. гетеротрофные жгутиконосцы, редко являлись объектом этих исследований. До проведения наших работ имелись лишь единичные сведения о количественном распределении в море Лаптевых планктонных гетеротрофных нанофлагеллят, бактерий и вирусов [5]. Данные о видовом составе гетеротрофных жгутиконосцев отсутствовали. Вместе с тем, как было показано ранее, эти организмы являются постоянным и важным компонентом планктона, бентоса, а также льда арктических морей (Белого, Баренцева, Карского, Бофорта) [4, 7, 11, 13, 25, 30, 38].

Поэтому целью данной работы являлось изучение видового разнообразия, пространственного распределения и роли гетеротрофных жгутиконосцев в водной толще и донных отложениях восточной части моря Лаптевых от дельты Лены до глубоководной зоны.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Исследования проводили 8–14 сентября 2015 г. в восточной части моря Лаптевых в ходе 63-го рейса НИС “Академик Мстислав Келдыш”. На меридиональном разрезе от приустьевого района р. Лены до глубоководной зоны между 72°00′ и 78°37′ с. ш. было сделано 9 станций, и еще одна станция располагалась на внешнем шельфе в стороне от разреза на участке струйных выделений метана (ст. 5231, метановый полигон “Сипы”, глубина 71 м). Карта-схема расположения станций отбора проб и их подробная характеристика приведены в [1, 8]. В период исследований соленость воды возрастала, а температура снижалась по мере удаления от берега и с нарастанием глубины. Значения этих параметров изменялись от 3.0 до 34.2 psu и от -1.73 до 8.32°С соответственно.

Пробы воды с разных горизонтов отбирали с помощью комплекса Rosette, оборудованного СТD-зондом и пятилитровыми батометрами Нискина. Выбор горизонтов отбора проб проводили на основании предварительного зондирования температуры, солености и флуоресценции. Для отбора придонной воды и верхнего 2-см слоя донных отложений использовали трубки Неймисто.

Воду и грунты для микроскопических исследований сразу после отбора фиксировали 25% глутаровым диальдегидом до конечной концентрации в пробе 1%, хранили в темноте при температуре 4°С и обрабатывали в лаборатории ИБВВ в течение месяца. Численность и размеры гетеротрофных нанофлагеллят учитывали методом эпифлуоресцентной микроскопии на черных ядерных фильтрах производства Объединенного института ядерных исследований (г. Дубна, Россия) с диаметром пор 0.5 мкм и использованием флуорохрома примулин [16]. Фильтры просматривали под микроскопом РПО11 (Россия) при увеличении 1000 раз и освещении УФ-лучами. Линейные размеры жгутиконосцев измеряли с помощью линейного окулярного микрометра. На каждом фильтре считали и измеряли не менее 50 организмов. Их объемы рассчитывали с использованием формул объемов шара, цилиндра или эллипсоида. Для перевода биомассы нанофлагеллят в единицы углерода применяли коэффициент, равный 220 фг C/мкм ³ [15]. Допускали, что 1 гетеротрофный жгутиконосец за 1 ч осветляет объем воды, равный 10 ⁵ объема его клетки [20].

Количество и размеры пикофитопланктона определяли методом эпифлуоресцентной микроскопии по его автофлуоресценции на черных ядерных фильтрах с диаметром пор 0.2 мкм [29]. Фильтры просматривали под эпифлуоресцентным микроскопом РПО11 (Россия) при увеличении 1000 раз и освещении голубыми лучами. Линейные размеры пикофототрофов измеряли с помощью линейного окулярного микрометра, их объемы вычисляли по формулам шара или эллипсоида. На каждом фильтре считали и измеряли не менее 100 клеток. Допускали, что коэффициент для перевода биомассы пикофитопланктона в единицы углерода равен 200 фг C/мкм ³ [43].

Общую численность и размеры бактерий определяли методом эпифлуоресцентной микроскопии с использованием флуорохрома DAPI [32] и микроскопа Olympus BX51 (Япония), соединенного с цифровой камерой и компьютером. На каждом фильтре считали не менее 400 и измеряли не менее 100 клеток в 20 случайно выбранных полях зрения. Сырую биомассу бактерий получали путем умножения их численности на средний объем клеток (V, мкм ³). Содержание углерода в бактериальных клетках (С, фг С/кл) рассчитывали с использованием уравнения: С=120×V ^0.72 [31].

Продукцию бактерий в эвфотическом слое воды рассчитывали как произведение их биомассы и удельной скорости роста. Удельную скорость роста бактерий (µ, ч^-1) находили по формуле: µ=n×ln2/τ, где n — доля делящихся клеток в бактериопланктоне, τ — продолжительность деления (время от начала деления клеток до их расхождения) [3, 6]. Принимали, что в слоях воды с температурой выше 0°С продолжительность деления бактериальной клетки составляла 1.6 ч, а с температурой воды ниже 0°С — 8 ч [5].

Для определения численности и размеров бентосных жгутиконосцев и бактерий фиксированные пробы донных осадков в лаборатории разбавляли профильтрованным через мембранный фильтр с диаметром пор 0.2 мкм 3% раствором концентрата морской соли, добавляли в качестве детергента пирофосфат натрия до конечной концентрации 1 мМ и подвергали действию ультразвука [23].

Видовой состав гетеротрофных жгутиконосцев изучали с помощью фазово-контрастной микроскопии нефиксированных проб воды и донных отложений. Обнаруженных в этих пробах жгутиконосцев диагностировали по морфологическим признакам и особенностям их движения [2, 25, 41]. Выделение трофических групп жгутиконосцев и дифференцирование видов по типу питания проводили на основании собственных наблюдений и литературных данных [33, 39]. Бета-разнообразие (β) сообществ гетеротрофных нанофлагеллят рассчитывали по формуле Р. Уиттекера: β = (S/α) — 1, где S — количество видов, α — среднее количество видов в сообществах [11].

При установлении взаимосвязей между количественными характеристиками жгутиконосцев и биотическими и абиотическими параметрами окружающей среды использовали ранговый коэффициент корреляции Спирмена для уровня значимости 0.05.

РЕЗУЛЬТАТЫ

В водной толще восточной части моря Лаптевых идентифицировано 25 видов и форм гетеротрофных жгутиконосцев из 9 таксонов, а также неопределенного систематического положения. Это Kinetoplastea Honigberg, 1963 (Neobodo curvifilis (Griessmann, 1913) Moreira, López-Garcia and Vickerman, 2004, N. designis (Skuja, 1948) Moreira, López-Garcia and Vickerman, 2004, Bodo saltans Ehrenberg, 1832, Cryptaulax elegans Larsen and Patterson, 1990, Procryptobia sorokini (Zhukov, 1975) Frolov, Karpov and Mylnikov, 2001, Phyllomitus sp. и Rhynchomonas nasuta (Stokes, 1888) Klebs, 1892); Choanomonada Kent, 1880 (Monosiga marina Paasche, 1961, Diaphenoeca grandis Ellis, 1930, D. sphaerica Thomsen, 1982 и Salpingoeca sp.); Chrysophyceae Pascher, 1914 (Paraphysomonas imperforata Lucas, 1967, P. vestita (Stokes, 1885) De Saedeleer, 1929 и Paraphysomonas sp.); Cercomonadida (Poche, 1913), emend. Vickerman, 1983, emend. Mylnikov, 1986 (Bodomorpha minuta Hollande, 1942, Helkesimastix faccicola Woodcock et Lapage, 1914 и Cercomonas sp.); Bicosoecida Grassé, 1926, emend. Karpov, 1998 (Cafeteria roenbergensis Fenchel and Patterson, 1988); Euglenida Bütschli, 1884 (Petalomonas pusilla Skuja, 1948); Colpodellida Cavalier-Smith, 1993, emend. Adl et al., 2005 (Colpodella sp.); Cryptophyceae Pascher, 1913, emend. Schoenichen, 1925 (Goniomonas amphinema Larsen and Patterson, 1990); Histionidae Flavin and Nerad, 1993 (Reclinomonas americana Flavin and Nerad, 1993) и Eukaryota incertae sedis (Amastigomonas debruynei De Saedeleer, 1931, Ancyromonas sigmoides Kent, 1880 и Kathablepharis remigera (Vørs 1992) Clay and Kugrens, 2000).

Наибольшим видовым богатством отличались кинетопластиды (7 видов). Остальные таксономические группы насчитывали в своем составе от 1 до 4 видов. Наиболее часто (более чем в 30% проб) встречались Bodo saltans, Paraphysomonas imperforata, Paraphysomonas sp. и Procryptobia sorokini. 13 видов жгутиконосцев, что составляет более половины видового списка, были найдены лишь на одной станции, что свидетельствует о высокой неоднородности фауны гетеротрофных нанофлагеллят моря Лаптевых.

Максимальное число видов гетеротрофных жгутиконосцев (10) обнаружено на глубоководной ст. 5227, минимальное (6) — на прибрежной ст. 5217. На всех исследуемых участках наибольшее видовое богатство регистрировалось в поверхностном слое воды и снижалось с глубиной. Виды Bodomorpha minuta, Monosiga marina, Kathablepharis remigera и Rhynchomonas nasuta были обнаружены только в более теплых и менее соленых водах, а виды Goniomonas amphinema, Helkesimastix faccicola и Reclinomonas americana — только в более холодных и соленых водах.

Представленность в сообществе крупных таксономических групп гетеротрофных жгутиконосцев изменялась на станциях меридионального разреза (рис. 1). Наиболее разнообразной их фауна (5–7 крупных таксонов) была в глубоководном районе моря (станции 5228, 5227 и 5225). У фронтального раздела на северной периферии опресненной прибрежной области (ст. 5220) обнаружены только страменопилы и кинетопластиды, которые регистрировались на всех станциях.

 

Рис. 1. Таксономическая структура сообществ планктонных гетеротрофных жгутиконосцев на станциях меридионального разреза в море Лаптевых.

 

Сообщества гетеротрофных жгутиконосцев моря Лаптевых характеризовались невысоким уровнем α-разнообразия: в пробах воды было обнаружено от 1 до 9 (в среднем 2.5) видов. В то же время в каждой отдельно взятой пробе встречалась лишь небольшая часть общего числа видов гетеротрофных нанофлагеллят, что свидетельствует о высоком β-разнообразии их сообществ. Наименьшим β-разнообразием (наибольшей гетерогенностью) отличались сообщества планктонных гетеротрофных жгутиконосцев прибрежных участков, испытывающих сильное влияние пресного стока Лены (станции 5216 и 5217). По мере удаления от берега β-разнообразие увеличивалось, и наибольшим β-разнообразием характеризовались сообщества глубоководных районов моря (станции 5225, 5227 и 5228).

Большинство идентифицированных в море Лаптевых гетеротрофных жгутиконосцев относится к бактериотрофам, основным пищевым ресурсом которых служат бактерии и пиководоросли. Среди них 6 видов являются седиментаторами — это в основном прикрепленные колониальные и одиночные организмы, у которых пищевые частицы (гетеротрофные бактерии, пикоцианобактерии, пиководоросли, крупные вирусные частицы) подгоняются токами воды, вызываемыми биением жгутиков, и 12 видов — «собиратели», которые характеризуются активным поиском и захватом пищи. Также обнаружено 4 вида эврифагов (Paraphysomonas imperforata, P. vestita, Paraphysomonas sp. и Goniomonas amphinema), потребляющих как пико-, так и нанопланктон, и 3 вида облигатных хищников (Colpodella sp., Kathablepharis remigera и Phyllomitus sp.), способных питаться другими жгутиконосцами.

Трофическая структура сообщества гетеротрофных жгутиконосцев в разных районах моря была различной. На самой южной ст. 5216, расположенной в наиболее опресненной прибрежной области, отсутствовали седиментаторы. Необходимо сказать, что все обнаруженные в море Лаптевых виды, относящиеся к этой трофической группе, являются чисто морскими. Седиментаторы доминировали только на ст. 5223, расположенной на внешнем шельфе. Собиратели с активным поиском и захватом пищи преобладали на внутреннем и срединном шельфе (станции 5216, 5220 и 5215_2), а также в глубоководном районе (станции 5227 и 5225). На ст. 5217, расположенной на внутреннем шельфе, в равных долях представлены три трофические группы: седиментаторы, собиратели и эврифаги. На ст. 5228, находящейся на внешнем шельфе, по числу видов доминировали жгутиконосцы с активным поиском пищи и эврифаги. Хищные виды встречались только на четырех станциях: на прибрежной ст. 5216 обнаружен Kathablepharis remigera, который часто встречается в пресных водоемах, на ст. 5223, расположенной на внешнем шельфе, — Phyllomitus sp., а на глубоководных станциях 5227 и 5225 — Phyllomitus sp. и Colpodella sp., причем последний вид отмечен в морских экосистемах впервые.

В донных отложениях моря Лаптевых идентифицировано 7 видов гетеротрофных жгутиконосцев: Lagenoeca sp., Goniomonas amphinema, Goniomonas sp., Cafeteria roenbergensis, Actinomonas mirabilis, Colpodella sp. и Metromonas grandis. Три из них (Lagenoeca sp., Actinomonas mirabilis и Metromonas grandis) не обнаружены в планктоне.

Численность и биомасса планктонных гетеротрофных нанофлагеллят на меридиональном разрезе в восточной части моря Лаптевых колебались в широких пределах: коэффициенты вариации (CV) этих параметров составили 130 и 158% соответственно. Эти простейшие обнаружены в большинстве проб воды, за исключением подповерхностного и придонного слоев на станциях 5223 и 5228, расположенных на среднем шельфе, и глубоководной ст. 5225. Их максимальная численность (1474 кл/мл) зарегистрирована в придонном слое воды на внешнем шельфе в районе струйных выделений метана (на ст. 5231) (табл. 1), максимальная биомасса (108 мг/м ³, или 23.8 мг С/м ³) — также в придонном горизонте, но в области срединного шельфа (ст. 5215_2). Высокие количественные показатели гетеротрофных нанофлагеллят обнаружены на внутреннем (станции 5216 и 5217) и срединном (станции 5220 и 5215_2) шельфе. Их вертикальное распределение существенно различалось между станциями, однако на каждой из них их максимальное количество было приурочено либо к более теплому и менее соленому поверхностному слою, либо к холодному и соленому придонному горизонту. Выявлены положительные связи численности, биомассы и числа видов гетеротрофных нанофлагеллят с температурой воды: r=0.457, 0.549 и 0.659 соответственно, и отрицательные — с соленостью: r=-0.447, -0.603 и -0.623 соответственно.

 

Таблица 1. Численность (N, 10³ кл/мл) и биомасса (В, мг С/м³) планктонных гетеротрофных нанофлагеллят (HNF), гетеротрофных бактерий (BAC) и автотрофного пикопланктона (APP)

№ ст.	Параметр	HNF	BAC	APP
5216	N	0.249–0.663* 0.456±0.293	1420–3092 2256±1182	30.1–74.1 52.1±31.2
	В	2.9–6.3 4.6±2.4	29.0–60.5 39.2±14.4	6.0–16.5 11.3±7.4
5217	N	0.066–0.172 0.119±0.075	767–1653 1210±627	17.0–48.0 32.5±21.9
	В	0.7–2.4 1.6±1.2	19.5–40,6.1 30.1±14.9	3.5–10.3 6.9±4.8
5220	N	0.064–0.712 0.340±0.273	1106–3050 1675±921	10.7–106.4 50.1±50.0
	В	0.9–17.1 6.5±7.3	14.9–38.0 26.0±9.5	2.6–22.6 11.5±10.1
5215-2	N	0.092–1.009 0.413±0.417	739–3032 1693±1067	5.5–103.3 40.8±54.3
	В	1.5–23.8 9.0±10.2	12.3–40.2 23.3±12.8	0.6–9.2 3.8±4.7
5223	N	0–0.581 0.224±0.281	379–1478 867±544	8.6–43.2 23.0±18.0
	В	0–11.0 4.3±5.3	6.3–19.0 12.0±6.3	1.5–5.3 3.2±1.9
5228	N	0.039–0.481 0.146±0.188	155–2280 678±903	3.5–7.0 5.3±1.8
	В	0.2–4.7 1.4±1.9	2.7–15.8 7.0±5.4	0.8–2.2 1.4±0.7
5226	N	0.071–0.332 0.179±0.104	135–572 276±148	3.1–9.2 6.0±3.1
	В	0.4–3.0 1.4±1.0	2.2–9.1 4.3±2.4	0.7–1.7 1.2±0.5
5227	N	0.019–0.175 0.094±0.068	181–624 353±181	3.5–7.9 5.5±2.2
	В	0.2–2.8 1.2±1.1	2.4–12.6 6.2±3.9	1.2–2.2 1.8±0.5
5225	N	0.033–0.107 0.066±0.031	196–711 400±225	3.5–7.9 5.5±2.2
	В	0.2–1.4 0.8±0.6	2.7–13.8 7.4±5.0	0.2–0.5 0.3±0.2
5231	N	0.048–1.474 0.282±0.527	145–794 439±222	3.6–12.5 6.7±3.7
	В	0.4–14.3 2.5±4.8	2.6–15.8 7.9±4.3	0.5–1.0 0.7±0.2

* Здесь и в табл. 3 над чертой — пределы колебаний параметра, под чертой — среднее значение ± стандартное отклонение.

 

Численность и биомасса автотрофного пикопланктона в поверхностных и подповерхностных слоях водной толщи моря Лаптевых изменялись в пределах (3.1–106.4) (в среднем 19.5± 27.4)×10 ³ кл/мл и 0.20–22.60 (в среднем 3.50± 5.06) мг С/м ³ соответственно (табл. 1). Количественные показатели пикофитопланктона достигали наибольших значений в фотическом слое воды и постепенно уменьшались с глубиной. Его максимальные численность и биомасса зарегистрированы на срединном шельфе на северной границе опресненной речным стоком прибрежной области, где наблюдалось резкое возрастание солености воды (ст. 5220). Численность и биомасса пикофитопланктона, так же как таковые гетеротрофных нанофлагеллят, положительно коррелировали с температурой (r=0.562 и 0.631 соответственно) и отрицательно — с соленостью воды (r=-0.659 и -0.745 соответственно).

Общая численность гетеротрофного бактериопланктона колебалась в широких пределах. Она была максимальной (3.09×10 ⁶ кл/мл) в наиболее опресненной прибрежной области (ст. 5216), минимальной (0.14×10 ⁶ кл/мл) — в глубоководном районе (ст. 5226) и составляла в среднем (0.80±0.80)×10 ⁶ кл/мл (табл. 1). Средний объем бактериальных клеток в пробах воды изменялся от 0.023 до 0.115 (в среднем 0.065±0.017) мкм ³. Это существенно меньше размеров автотрофного пикопланктона, объем клеток которого составлял в среднем 0.933±0.405 мкм ³. Биомасса бактериопланктона находилась в пределах 2.2–49.4 (в среднем 12.7±11.7) мг С/м ³. Максимальные и минимальные значения численности и биомассы бактерий зарегистрированы в одних и тех же пробах воды. Коэффициенты вариации численности и биомассы бактериопланктона оказались равными 99.8 и 92.4% соответственно. Между количественными показателями планктонных гетеротрофных жгутиконосцев и бактерий установлены положительные зависимости: численность жгутиконосцев коррелировала с численностью и биомассой бактерий (r=0.540 и 0.398 соответственно), биомасса жгутиконосцев — с численностью и биомассой бактерий (r=0.747 и 0.526 соответственно). Кроме того, коррелировали друг с другом численности и биомассы автотрофного и гетеротрофного компонентов пикопланктона: r=0.683 и 0.756 соответственно.

В эвфотической зоне воды делящиеся бактерии составляли 1.5–4.0% их общей численности. Удельная скорость роста бактериопланктона находилась в пределах 0.004–0.015 ч^-1. Его продукция изменялась от 14.2–16.2 мг С/(м ³×сут) в поверхностных горизонтах воды в области внутреннего и срединного шельфа до 0.4– 0.8 мг С/(м ³×сут) на глубинах 20–26 м в области внешнего шельфа. Средняя для эвфотической зоны продукция бактериопланктона снижалась на порядок в направлении от прибрежных участков, прилегающих к дельте р. Лена, до глубоководных районов, составляя на внутреннем шельфе, срединном шельфе, внешнем шельфе и глубоководном участке 10, 4.7±1.4, 1.2 и 1.7±0.6 мг С/(м ³×сут) соответственно.

Как уже отмечалось, в придонных горизонтах воды моря Лаптевых наблюдалось увеличение количественных показателей гетеротрофных нанофлагеллят и бактерий, причем эти показатели были наиболее высокими в узком пограничном с донными отложениями слое, отбираемом с помощью трубки Неймисто (рис. 2). По-видимому, это связано с поступлением микроорганизмов, органических субстратов и соединений биогенных элементов из донных отложений. Средние численность и биомасса гетеротрофных нанофлагеллят в узком наддонном слое воды составляли 851±400 кл/мл и 14.2±7.1 мг С/м ³ соответственно, бактерий — (2.07±1.04)×10 ⁶ кл/мл и 25.4±13.0 мг С/м ³ соответственно. В воде на расстоянии 1–3 м над дном эти показатели оказались в 2.6–10.7 раз ниже.

 

Рис. 2. Численность (N) и биомасса (B) гетеротрофных нанофлагеллят ((а) и (б) соответственно) и бактерий ((в) и (г) соответственно) в придонных слоях воды: 1–3 м над дном (1) и в 20-см пограничном с донными отложениями слое (2).

 

Количественные показатели гетеротрофных нанофлагеллят и бактерий в донных осадках были на 3–4 порядка выше, чем в водной толще (табл. 2). Средние значения численности и биомассы бентосных гетеротрофных жгутиконосцев оказались равными (3.07±1.80)×10 ⁶ кл/мл и 0.016±0.011 мг С/мл соответственно, бактерий — (3.08±1.05)×10 ⁹ кл/мл и 0.091±0.034 мг С/мл соответственно. Биомасса гетеротрофных нанофлагеллят составляла 13.5–29.8% биомассы бактериобентоса.

 

Таблица 2. Численность, средний объем клетки и биомасса гетеротрофных нанофлагеллят (соответственно N_HNF, V_HNF и В_HNF) и бактерий (соответственно N_ВAC, V_ВAC и В_ВAC) в донных отложениях

Параметр	№ ст.
	5220	5215_2	5223	5228	5231
NHNF, 106 кл/мл	5.54	1.26	2.60	1.68	4.27
VHNF, мкм3	28	25	21	24	20
ВHNF, мг/мл	0.155	0.031	0.052	0.040	0.085
ВHNF, мг С/мл	0.034	0.006	0.011	0.009	0.018
NВAC, 109 кл/мл	4.45	1.80	2.37	3.05	3.71
VВAC, мкм3	0.083	0.090	0.136	0.070	0.123
ВВAC, мг/мл	0.369	0.162	0.322	0.214	0.456
ВВAC, мг С/мл	0.089	0.038	0.068	0.054	0.098

 

ОБСУЖДЕНИЕ

Микробные сообщества арктических морей, состоящие из бактерий, архей и простейших, существуют в условиях экстремально низкой температуры и освещенности, дефицита субстратов и биогенных элементов, и характеризуются резкими сезонными колебаниями количественных, структурных и функциональных показателей. Их развитие в значительной степени определяется весенней и летней первичной продукцией планктона. Гетеротрофные нанофлагелляты являются постоянным и важным компонентом микробных трофических сетей арктических морей. Как показали проведенные ранее исследования, значительную часть их сообщества занимают широко распространенные таксоны, населяющие морские, пресноводные и почвенные экосистемы во всех регионах земного шара, численность которых обычно составляет 10–20% и более общей численности нанофлагеллят [14, 28, 37].

Большинство видов, обнаруженных в ранне-осенний период сукцессии экосистемы моря Лаптевых, имеют широкие рамки географического распространения и встречаются в т. ч. в арктических и субарктических морях [10, 11, 38, 42]. Сообщество гетеротрофных жгутиконосцев моря Лаптевых сходно с таковыми других северных морей как по видовому составу, так и по таксономической структуре. В нем преобладали кинетопластиды и страменопилы, которые проявляли наибольшую толерантность по отношению к солености и были обнаружены во всех исследованных районах моря. Наиболее часто встречались Goniomonas amphinema и представители р. Paraphysomonas. Общее видовое богатство снижалось с глубиной водной толщи и возрастало по направлению к открытым районам моря: минимальное видовое разнообразие отмечалось в опресненной части, прилегающей к дельте Лены, максимальное — в глубоководной мористой области. В опресненных прибрежных водах фауна жгутиконосцев отличалась большей гетерогенностью по сравнению с морскими водами.

Результаты аналогичных исследований в Белом море свидетельствуют о большей сложности сообществ гетеротрофных нанофлагеллят, населяющих морские и распресненные участки моря по сравнению с солоноватоводными [10]. В сублиторали и батиали Карского моря были идентифицированы 33 вида и формы гетеротрофных жгутиконосцев с преобладанием кинетопластид, страменопил, апузомонад и хоанофлагеллят, из которых 21 вид обнаружен в наилке с наддонной водой, а остальные — в верхнем слое грунта [11]. Как и в Карском море, сообщества гетеротрофных жгутиконосцев моря Лаптевых характеризуются высокими значениями бета-разнообразия и низкими — альфа-разнообразия, что свидетельствует об их потенциально высоком видовом богатстве.

Кластерный анализ выявил в сообществе планктонных гетеротрофных жгутиконосцев моря Лаптевых два четко отличающихся по видовому составу комплекса (рис. 3). В первый из них объединились станции, расположенные на внутреннем и срединном шельфе и в разной степени испытывающие влияние пресноводного стока Лены. Наибольшее сходство наблюдалось между станциями, находящимися на срединном шельфе (станции 5215_2 и 5220). В этом кластере наиболее отличное от других сообщество гетеротрофных нанофлагеллят сформировалось в опресненной прибрежной области (ст. 5216), где кроме морских видов обнаружены виды, обитающие в пресных водоемах. Во второй кластер объединились станции, расположенные на внешнем шельфе и в глубоководном районе.

 

Рис. 3. Дендрограмма биоценотического сходства сообществ гетеротрофных жгутиконосцев (метод полной связи, Эвклидовы расстояния).

 

Высокие значения биомассы гетеротрофных нанофлагеллят зарегистрированы в областях внутреннего и срединного шельфа, низкие — в области внешнего шельфа. При этом в пределах внутреннего и срединного шельфа и глубоководного района средние для столба воды значения биомассы на станциях различались в 1.4–2.9 раза (табл. 3). Отношение биомассы гетеротрофных нанофлагеллят к суммарной биомассе их потенциальных пищевых объектов (гетеротрофного бактериопланктона и автотрофного пикопланктона) изменялось от 4.3 на мелководной ст. 5217 до 48.2% на глубоководной ст. 5226. По-видимому, жгутиконосцы, обитающие на внутреннем шельфе, лучше обеспечены пищей по сравнению с другими районами моря. Между биомассой гетеротрофных нанофлагеллят и суммарной биомассой автотрофного и гетеротрофного пикопланктона выявлена положительная корреляция (n=10, r=0.66). Биомасса гетеротрофных нанофлагеллят в среднем составляла 23–54% биомассы их потенциальных потребителей — растительноядного зоопланктона. Вероятно, гетеротрофные нанофлагелляты могут быть существенным дополнительным пищевым ресурсом для зоопланктона, который в свою очередь может быть важным фактором, контролирующим их развитие. Доля гетеротрофных жгутиконосцев в общей биомассе планктонного сообщества, включающего фитопланктон [8], зоопланктон [1], простейших, бактерий и вирусов, на внутреннем (694 мг С/м ²), срединном (826 мг С/м ²) и внешнем шельфе (511 мг С/м ²) и в глубоководной области (609 мг С/м ²) составляла 4.9, 9.6, 5.3 и 8.4% соответственно.

 

Таблица 3. Средние для верхнего 30-м слоя воды значения биомассы (мг С/м³) автотрофного пикопланктона, гетеротрофных бактерий, гетеротрофных нанофлагеллят и растительноядного зоопланктона в различных районах моря Лаптевых

Параметр	Внутренний шельф	Средний шельф	Внешний шельф	Глубоководный район
Автотрофный пикопланктон	6.9–11.2 9.0	3.2–11.5 6.1±4.6	0.8–1.2 1.0	0.3–1.8 1.2±0.8
Бактерии	30–39.2 34.6	11.0–22.0 16.9±5.5	4.8–6.7 5.7	4.2–7.7 6.0±1.8
Автотрофный пикопланктон + Бактерии	36.9–50.4 43.6	14.2–33.5 23.0±9.8	5.6–7.9 6.8	5.6–8.0 7.2±1.4
Флагелляты	1.6–4.6 3.1	2.9–4.1 3.3±0.7	0.8–0.9 0.9	1.2–2.4 1.7 ±0.6
Флагелляты / (Автотрофный пикопланктон + Бактерии), %	4.3–9.1 6.7	9.0–20.4 16.2±6.3	11.4–14.3 12.8	15.0–48.2 27.7±17.9
Зоопланктон*	11.8±3.4	6.1±2.1	3.9±0.8	5.2
Флагелляты / Зоопланктон, %	26.3	54.1	23.1	32.7

* Данные по биомассе зоопланктона взяты из статьи Арашкевич с соавт. [1]. Содержание углерода в сырой биомассе зоопланктона принимали равным 5%.

 

Скорость осветления воды гетеротрофными нанофлагеллятами оказалась равной 3.0–8.9 нл/(экз.×ч), что сопоставимо со скоростью этого процесса в других арктических морях, которая обычно находится в пределах 2.5–10 нл/(экз.×ч) [35, 40]. В областях внутреннего, срединного и внешнего шельфа и в глубоководном районе средняя скорость потребления бактерий составляла 8±5, 9±4, 1.8±1.1 и 2.5±1.6 кл/(экз.×ч) соответственно, а скорость потребления пиководорослей и пикоцианобактерий — 0.22±0.11, 0.25±0.34, 0.034±0.016 и 0.036±0.017 кл/(экз.×ч) соответственно. В среднем гетеротрофные нанофлагелляты потребляли 12.3±5.4% первичной продукции фитопланктона и продукции гетеротрофных бактерий (табл. 4). Максимальные скорости потребления бактерий и автотрофного пикопланктона наблюдались в области срединного шельфа. Эти значения сопоставимы с данными, полученными в июле-сентябре в Центральной Арктике, где гетеротрофные жгутиконосцы выедали 1.1–23.2% (в среднем 6.7%) продукции бактериопланктона [35], но ниже данных, полученных весной в заливе Баффина (в среднем 31±26% продукции бактериопланктона) [40]. В восточной части моря Лаптевых в сентябре 2015 г. роль гетеротрофных нанофлагеллят в выедании первичной продукции планктона на внутреннем и срединном шельфе была существенно выше, чем на внешнем шельфе и в глубоководном районе, тогда как выедание первичной продукции растительноядным зоопланктоном, наоборот, было выше на внешнем шельфе и глубоководном участке. В среднем для всех четырех районов потребление первичной продукции фитопланктона гетеротрофными нанофлагеллятами (3.3±2.9%) было почти в 2 раза ниже ее потребления растительноядным зоопланктоном (6.2±5.5%) [1].

 

Таблица 4. Первичная продукция планктона (P_PHY), скорость (G_РНY) и доля (G_РНY/P_PHY) ее потребления гетеротрофными нанофлагеллятами, продукция гетеротрофного бактериопланктона (P_ВAC), скорость (G_ВAC) и доля (G_ВFC/P_ВAC) ее потребления гетеротрофными нанофлагеллятами в различных районах моря Лаптевых

Параметр	Внутренний шельф	Средний шельф	Внешний шельф	Глубоководный район
PPHY, мг С/(м2×сут)*	89.7±13.0	62.0±5.8	73.7±27.3	56.5±0.9
GРНY, мг С/(м2×сут)	3.4	4.4±2.3	0.4	1.0±0.6
GРНY/PPHY, %	3.8	7.1	0.5	1.8
PВAC, мг С/(м2×сут)	108.4	115.1±12.9	29.3	41.8±12
GВAC, мг С/(м2×сут)	14.3	21.8±10.3	1.7	4.7±1.7
GВFC/PВAC, %	13.2	18.9±4.2	5.8	11.2±5.5

* Данные по первичной продукции фитопланктона взяты из статьи Арашкевич с соавт. [1].

 

В морских прибрежных и эстуарных экосистемах количество гетеротрофного бактериопланктона обычно максимально в узком пограничном слое воды над донными отложениями, где регистрируется также высокое содержание взвешенного органического вещества автохтонного и аллохтонного происхождения, оседающего из толщи воды и в дальнейшем потребляемого бентосными организмами [18, 19, 34]. Процесс активной микробной деструкции органического вещества приводит к возникновению высоких концентраций биогенных элементов, высокой численности бактерий и их потребителей непосредственно над поверхностью донных осадков.

В шельфовой зоне моря Лаптевых численность и биомасса гетеротрофных нанофлагеллят в 20-см слое воды над поверхностью донных отложений превышали максимальные значения этих параметров в вышележащих горизонтах в 1.2–9.2 и 1.8–8.9 раза соответственно. Причем наибольшее превышение зарегистрировано в области внешнего шельфа. В узком наддонном слое воды отношение численности бактерий к численности гетеротрофных нанофлагеллят (в среднем 2900±1700) существенно ниже, чем в вышележащих горизонтах (в среднем 6100±4400). Это свидетельствует о напряженных трофических взаимоотношениях между бактериями и нанофлагеллятами в этом пограничном слое воды. Кроме того, меньшие объемы бактериальных клеток в этом слое (0.047±0.022 мкм ³ по сравнению с 0.066±0.013 мкм ³ в вышележащей водной толще) могут быть результатом интенсивного избирательного потребления крупных бактерий гетеротрофными жгутиконосцами, что уже отмечалось в придонных горизонтах воды Карского моря [7]. В то же время высокая концентрация детритных частиц, линейные размеры которых не превышали 30 мкм, населенных микроорганизмами, в придонном слое воды (до 133×10 ³ частиц/мл), вероятно, способствовала уменьшению выедания гетеротрофных нанофлагеллят мирным зоопланктоном.

Проведенные впервые исследования гетеротрофных нанофлагеллят в донных отложениях моря Лаптевых выявили их немногочисленный видовой состав и высокий уровень количественного развития. В поверхностном слое донных осадков при отрицательной температуре, солености более 30 psu и высоком количестве бактериобентоса численность гетеротрофных нанофлагеллят составляла (1.2–5.5)×10 ⁶ кл/мл. Это значительно выше их численности, например, в Северном море (0.007–1.1)×10 ⁶ кл/мл [24]. При этом размеры клеток большей части гетеротрофных нанофлагеллят в донных отложениях моря Лаптевых и Северного моря находились в пределах 2–4 и 2–5 мкм соответственно. Максимальные значения численности и биомассы бентосных жгутиконосцев обнаружены в прибрежном районе вблизи дельты Лены. По-видимому, аллохтонные органические вещества, приносимые рекой, наряду с оседающими на дно автохтонными веществами обеспечивают активное функционирование бактериобентоса и его потребителей — гетеротрофных нанофлагеллят.

На шельфе моря Лаптевых на глубинах от 23 до 100 м доли бентосных гетеротрофных бактерий и нанофлагеллят в суммарной биомассе планктонных и бентосных бактерий и нанофлагеллят под 1 м ² (1316–2457 и 303–802 мг С/м ² соответственно) составляли 58–80% (в среднем 69±8%) и 39–85% (в среднем 60±18%) соответственно (рис. 4). Только на станциях 5215_2 и 5223 биомасса гетеротрофных нанофлагеллят под 1 м ² в донных отложениях была меньше, чем в толще воды. На остальных участках она, наоборот, была в 1.46–5.57 раза больше. Биомасса бактериобентоса превышала биомассу бактериопланктона в 1.37–3.94 раза на всех мелководных станциях. В пересчете на 1 м ² биомасса бактерий была больше биомассы жгутиконосцев как в водной толще (в среднем в 3.7 раза), так и в донных отложениях (в среднем в 5.8 раза). Максимальная суммарная биомасса гетеротрофных нанофлагеллят зарегистрирована на ст. 5220, расположенной на срединном шельфе и характеризующейся резким увеличением солености воды, бактерий — на участке струйных выделений метана (ст. 5231). Полученные данные свидетельствуют о важной роли бентосных микробных сообществ в структуре и функционировании биотического компонента экосистемы шельфа моря Лаптевых.

 

Рис. 4. Биомасса (В) гетеротрофных нанофлагеллят (а) и бактерий (б) в верхнем слое донных отложений (1) и столбе воды (2) на станциях, расположенных в шельфовой области.

 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Проведенные исследования выявили повсеместное распространение планктонных гетеротрофных жгутиконосцев в восточной части моря Лаптева в ранне-осенний период сукцессии, причем они вносили заметный вклад в формирование биомассы планктона, как в прибрежных, так и в открытых районах моря Лаптевых, и принимали активное участие в потреблении, как первичной продукции фитопланктона, так и продукции гетеротрофного бактериопланктона. Однако в этот сезон их численность и биомасса не достигали высоких значений. Распространение, разнообразие и структура сообщества гетеротрофных нанофлагеллят в большой степени определялись характеристиками водных масс, существенно зависящих от стока реки Лены, распространяющегося на значительные расстояния. В южном, наиболее опресненном районе внутреннего шельфа и в северном глубоководном районе с максимальной соленостью сформировались разные сообщества гетеротрофных жгутиконосцев, и, по-видимому, важным фактором, определяющим их различия, была соленость воды. Количество и биомасса гетеротрофных нанофлагеллят в поверхностном слое донных отложений были на 3–4 порядка выше, чем в водной толще, и в шельфовой зоне моря под 1 м ² биомасса бентосных жгутиконосцев превышала таковую планктонных жгутиконосцев. Полученные результаты позволяют утверждать, что гетеротрофные нанофлагелляты вносят заметный вклад в формирование биоразнообразия и биомассы арктических морей.

 

Об авторах

Н. Г. Косолапова

Институт биологии внутренних вод им. И.Д. Папанина РАН; Институт океанологии им. П.П. Ширшова РАН

Автор, ответственный за переписку.
Email: kng@ibiw.yaroslavl.ru
Россия, пос. Борок, Ярославская обл.; Москва

Д. Б. Косолапов

Институт биологии внутренних вод им. И.Д. Папанина РАН; Череповецкий государственный университет

Email: kng@ibiw.yaroslavl.ru
Россия, пос. Борок, Ярославская обл.; Череповец, Вологодская обл.

А. И. Копылов

Институт биологии внутренних вод им. И.Д. Папанина РАН

Email: kng@ibiw.yaroslavl.ru
Россия, пос. Борок, Ярославская обл.

А. В. Романенко

Институт биологии внутренних вод им. И.Д. Папанина РАН; Институт океанологии им. П.П. Ширшова РАН

Email: kng@ibiw.yaroslavl.ru
Россия, пос. Борок, Ярославская обл.; Москва

Список литературы

Дополнительные файлы