Оценка численности, биомассы и продукции гетеротрофных бактерий в водохранилищах Верхней Волги

Полный текст

Гетеротрофные бактерии – важный компонент водных экосистем, где они играют главную роль в деструкции органических веществ и рециклинге биогенных элементов [8]. Значительная часть (≥50%) общего потока углерода в планктонных трофических сетях проходит через гетеротрофных бактерий [15]. Очевидно, что для познания закономерностей функционирования и оценки способности к самоочищению пресноводных экосистем необходимы данные о количественном развитии и функциональной активности бактерий во всех местообитаниях этих экосистем.

В водохранилищах Волги, как и в большинстве других водоемов, сообщества гетеротрофных бактерий в водной толще изучены значительно лучше [4] по сравнению с обрастаниями высшей водной растительности [10] и донными отложениями (ДО) [1, 6]. Сравнения структурно-функциональных характеристик планктонных, перифитонных и бентосных бактериальных сообществ водохранилищ Волги, полученных современными методами, до сих пор не проводились. Не оценена роль сообществ, населяющих разные местообитания, в формировании общего количества и продукции гетеротрофных бактерий водохранилищ. В других водных экосистемах подобные сравнительные исследования проводились редко [17].

Цель настоящей работы – определить структурно-функциональные характеристики планк-тонных, эпифитонных и бентосных бактериальных сообществ и оценить вклад этих сообществ в формирование общего количества и продукции гетеротрофных бактерий в эвтрофном Иваньковском и мезоэвтрофном Рыбинском водохранилищах.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Иваньковское (площадь водного зеркала – 327 км², объем – 1.2 км³, средняя глубина – 3.4 м, коэффициент водообмена – 10.6 год^-1) и Рыбинское (площадь зеркала – 4550 км², объем – 25.4 км³, средняя глубина – 5.6 м, коэффициент водообмена – 1.9 год^-1) водохранилища расположены в регионе Верхней Волги [11]. Эти морфометрические характеристики соответствуют нормальному подпорному уровню (НПУ), который для Иваньковского водохранилища составляет 124 м, для Рыбинского – 102 м. По последним оценкам, степень зарастания высшей водной растительностью Рыбинского и Иваньковского водохранилищ составляет соответственно 4.1 и 29.2% площади водного зеркала [7].

Исследования бактериальных сообществ водохранилищ проводили в июле–августе 2005–2007 и 2012 гг. Структурно-функциональные параметры бактериопланктона и бактериобентоса (в верхнем 2-сантиметровом слое ДО) Рыбинского водохранилища определяли на 20-ти станциях 17–18 июля 2012 г., Иваньковского – на 12-ти станциях 10–11 августа 2012 г. (рисунок). Изучение бактериоэпифитона Иваньковского и Рыбинского водохранилищ проводили в августе 2005 г. и в июле–августе 2005–2007 гг. соответственно. При этом исследовали обрастания разных групп макрофитов: воздушно-водных видов (осока острая (Carex acuta)); полупогруженных (камыш озерный (Scirpus lacustris), камыш укореняющийся (Scirpus radicans), манник большой (Gliceria maxima), тростник обыкновенный (Phragmites australis), рогоз широколистный (Typha latifolia), хвощ приречный (Equisetumfluviatile)); погруженных с плавающими листьями (стрелолист стрелолистный (Sagittaria sagittifolia), кувшинка чисто-белая (Nymphaea candida), горец земноводный (Persicaria amphibia), кубышка желтая (Nuphar lutea)); полностью погруженных (уруть колосистая (Myriophyllum spicatum), рдест пронзеннолистный (Potamogeton perfoliatus), телорез обыкновенный (Stratiotes aloides)).

 

Карта-схема станций отбора проб в Рыбинском (а) и Иваньковском (б) водохранилищах.

 

Численность и размеры гетеротрофных бактерий определяли методом эпифлуоресцентной микроскопии с использованием флуорохрома DAPI и черных ядерных фильтров с диаметром пор 0.17 мкм [20]. При приготовлении микроскопических препаратов пробы донных отложений и обрастаний макрофитов разбавляли дистиллированной водой, предварительно профильтрованной через мембранные фильтры с диаметром пор 0.2 мкм, добавляли в качестве детергента пирофосфат натрия и подвергали действию ультразвука [23]. Препараты просматривали при увеличении в 1000 раз под эпи- флуоресцентным микроскопом “Olympus BX51” (Япония) с системой анализа изображений. Биомассу бактерий рассчитывали как произведение общей численности и среднего объема бактериальной клетки. Содержание органического углерода в сырой биомассе бактерий рассчитывали согласно уравнению, связывающему объем и содержание углерода в клетке [19].

Продукцию гетеротрофного бактериопланк-тона и бактериобентоса измеряли по включению ³Н-тимидина в ДНК клеток бактерий [14]. Продукцию бактериоэпифитона в Рыбинском водохранилище определяли радиоуглеродным методом по темновой ассимиляции CO₂ [9]. Для расчета продукции бактериоэпифитона и бактериобентоса в Иваньковском водохранилище использовали средние значения удельной скорости роста, полученные в Рыбинском водохранилище. Первичную продукцию фитопланктона определяли радиоуглеродным методом в фотическом слое воды от поверхности до глубины тройной прозрачности [9].

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

В Иваньковском водохранилище температура поверхностного слоя воды в период проведения исследований колебалась в пределах 21.9–28.2°С (в среднем 23.7±0.5°С), придонного слоя – 20.8–27.0°С (в среднем 22.3±0.6°С). Прозрачность воды составляла 0.7–1.1 м (в среднем 0.8±0.04 м). Первичная продукция фитопланк-тона в единице объема воды изменялась от 218 до 1814 мг С/(м³ × сут) (в среднем 923±151 мг С/(м³ × сут)), а под единицей площади поверхности – от 321 до 4191 мг С/(м² ×сут) (в среднем 1689±318 мг С/(м² × сут)).

В Рыбинском водохранилище температура воды на поверхности колебалась в пределах 20.4–22.0°С (в среднем 21.1±0.1°С), у дна – в пределах 20.2–21.3°С (в среднем 20.8±0.1°С). Прозрачность воды составляла 0.8–1.2 м (в среднем 0.9±0.3 м). Первичная продукция фитопланктона в единице объема воды менялась от 153 до 973 (в среднем 569±53) мг С/(м³ × сут), а под единицей площади поверхности – от 289 до 1850 мг (в среднем 1080±10) мг С/(м² × сут).

Бактериопланктон. Средние значения численности бактериопланктона в двух водохранилищах оказались близки, но объемы и биомасса бактерий в Иваньковском водохранилище превышали таковые в Рыбинском в 1.7 и 1.6 раз (мг/м³) соответственно (табл. 1). Удельная скорость роста планктонных бактерий в Иваньковском водохранилище находилась в пределах 0.334–2.030 (в среднем 0.679±0.432) сут^-1, в Рыбинском – в пределах 0.274–1.250 (в среднем 0.691±0.290) сут^-1. Продукция бактериопланк-тона в Иваньковском водохранилище была в 1.4 раза выше по сравнению с Рыбинским.

 

Таблица 1. Численность (N), средний объем клетки (V), биомасса (В) и продукция (Р) бактериопланктона в Иваньковском и Рыбинском водохранилищах

Параметр	Иваньковское водохранилище		Рыбинское водохранилище
	минимум–максимум	среднее ± ошибка	минимум–максимум	среднее ± ошибка
N, 106кл/см3 V, мкм3 В, мг/м3 В, мг С/м3 Р, мг С/(м3 × сут)	4.58–11.32 0.045–0.163 338–902 87.4–199.7 51.1–228.7	7.59±0.45 0.087±0.009 624±46 148.6±7.8 95.9±1.3	5.10–12.81 0.036–0.067 243–578 70.0–165.1 24.2–110.4	7.62±0.42 0.051±0.002 381±19 105.6±5.3 70.6±5.8

 

Бактериоэпифитон. Средняя численность бактериоэпифитона полупогруженных и погруженных видов растений в Иваньковском водохранилище оказалась выше таковой в Рыбинском в 1.4–2.4 раза (табл. 2). Средний объем клеток эпифитных бактерий в Иваньковском водохранилище был ниже, чем в Рыбинском. В результате биомассы бактериоэпифитона разных групп растений в Иваньковском водохранилище превышали таковые в Рыбинском в 1.2–1.8 раза (в мкг/см²) или в 1.1–2.0 раза (в мкг С/см²). В обоих водохранилищах значения численности и биомассы эпифитонных бактерий снижались в ряду групп растений: воздушно-водные – полупогруженные – погруженные с плавающими листьями – полностью погруженные. В Рыбинском водохранилище удельная скорость роста бактериоэпифитона воздушно-водных растений колебалась в пределах 0.490–0.890 (в среднем 0.678±0.088) сут^-1, полупогруженных растений – в пределах 0.490–1.750 (в среднем 0.961±0.126) сут^-1, погруженных растений с плавающими листьями – 0.298–1.960 (в среднем 0.857±0.126) сут^-1, полностью погруженных растений – 0.159–2.020 (в среднем 0.894±0.259) сут^-1. В итоге, величины продукции гетеротрофных бактерий в обрастаниях разных групп высших водных растений в Иваньковском водохранилище оказались выше таковых в Рыбинском в 1.2–1.6 раза.

 

Таблица 2. Численность (N), средний объем клетки (V), биомасса (В) и продукция (Р) бактериоэпифитона (Здесь и в табл. 4: ВВ – воздушно-водные, ПП – полупогруженные, ППЛ – погруженные с плавающими листьями, ППО – полностью погруженные растения; над чертой – пределы колебаний параметра, под чертой – среднее значение ± ошибка средней)

Растения	N, 106кл/см2	V, мкм3	В, мг/м2	В, мг С/м2	Р, мкг С/(см2 × сут)
Иваньковское водохранилище
ПП ППЛ ПО	36–513 203±23 27–454 137±53 22–155 64±17	0.066–0.257 0.124±0.007 0.065–0.259 0.122±0.021 0.092–0.1490.115±0.008	3.3–60.5 22.9±2.5 2.5–44.0 17.0±4.9 2.8–15.5 7.0±1.6	0.8–13.2 5.0±0.5 0.6–10.1 3.2±1.1 0.7–3.5 1.6±0.4	0.77–12.68 4.78±0.52 0.51–8.66 2.63±1.11 0.63–3.13 1.39±0.33
Рыбинское водохранилище
ВВ ПП ППЛ ППО	134–282 175±36 2–232 142±24 8–176 94±18 2–51 26±6	0.082–0.148 0.123±0.015 0.082–0.273 0.139±0.018 0.074–0.402 0.165±0.029 0.111–0.403 0.200±0.044	16.8–23.1 20.0±1.3 0.5–24.0 16.4±2.2 3.3–45.0 13.5±4.0 0.8–6.8 4.0±0.8	3.7–6.6 4.4±0.4 0.1–5.6 3.6±0.5 0.5–7.8 2.9±0.7 0.1–1.2 0.8±0.2	2.11–4.12 2.99±0.51 0.05–9.44 3.52±0.74 0.15–4.77 2.14±0.40 0.05–2.50 0.85±0.33

 

Бактериобентос. Численность, средний объем клетки и биомасса бактериобентоса в Иваньковском водохранилище были выше по сравнению с Рыбинским в 5.8, 1.6 и 8.7 (мг/см³) (7.8 (мгС/см³)) раз соответственно (табл. 3). Удельная скорость роста бактериобентоса в Рыбинском водохранилище была в пределах 0.528–4.224 (в среднем 1.642±0.216) сут^-1. Продукция бактериобентоса в Иваньковском водохранилище также оказалась существенно выше, чем в Рыбинском.

 

Таблица 3. Численность (N), средний объем клетки (V), биомасса (В) и продукция (Р) бактериобентоса

Параметр	Иваньковское водохранилище		Рыбинское водохранилище
	минимум–максимум	среднее ± ошибка	минимум–максимум	среднее ± ошибка
N, 109кл/см3 V, мкм3 В, мг/см3 В, мг С/см3 Р, мг С/(см3 × сут)	19.6–93.5 0.109–0.665 7.3–19.7 1.19–3.07 1.95–5.04	44.9±5.7 0.334±0.038 13.2±0.9 2.20±0.14 3.61±0.23	3.71–14.98 0.120–0.278 0.47–2.53 0.10–0.46 0.19–1.06	7.73±0.71 0.205±0.012 1.51±0.14 0.28±0.02 0.46±0.05

 

ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

Структурно-функциональные характеристики бактериопланктона (за исключением его количества) в эвтрофном Иваньковском водохранилище были выше, чем в мезоэвтрофном Рыбинском. Значения численности, биомассы и продукции бактериопланктона, полученные в этих водоемах, характеризуют их как эвтрофные [5].

Численность гетеротрофных бактерий в эпифитоне макрофитов в различных водоемах колеблется в пределах 10⁵–10⁷ кл/см² [13, 16]. Значения этого параметра в водохранилищах Верхней Волги находятся в верхней части этого диапазона.

Численность бактериобентоса в большинстве водных экосистем находится в пределах 10⁸–10¹⁰ кл/см³ [21, 22]. Следует отметить, что в Рыбинском водохранилище численность бентосных бактерий в 2012 г. была близка к данным, полученным в прежние годы [6]. Большое количество бактерий, обнаруженное в ДО Иваньковского водохранилища, характерно для эвтрофных и гипертрофных озер [24].

Средние численность (и биомасса) гетеротрофных бактерий в водной толще, эпифитоне (толщину обрастаний принимали равной 1 мм) и ДО (верхний 2-сантиметровый слой), рассчитанные на 1 см³, составили в Иваньковском водохранилище (7.59±0.45) × 10⁶ кл/см³ (0.148±0.008 мкг С/см³), (1.35±0.30) × 10⁹ кл/см³ (32.7±9.8 мкг С/см³) и (44.9±5.7) × 10⁹ кл/см³ (2.20±0.14 мг С/см³) соответственно; в Рыбинском водохранилище – (7.62±0.42) × 10⁶ кл/см³ (0.106±0.005 мкг С/см³), (1.09±0.32) × 10⁹ кл/см³ (29.3±7.7 мкг С/см³) и (7.73±0.71) × 10⁹ кл/см³ (0.28±0.02 мг С/см³) соответственно.

Удельная скорость роста планктонных, эпифитонных и бентосных бактерий в период проведения исследований составляла в среднем 0.657, 0.848 и 1.642 сут^-1 соответственно. Одна из возможных причин более медленного прироста численности планктонных бактерий – низкая доля активных бактерий в сообществе. Так, в мезотрофном оз. Эркен (Швеция) численность активных клеток составляла 4, 37 и 46% численности бактериопланктона, бактерио-эпифитона и бактериобентоса соответственно [18]. Удельная скорость роста бактериобентоса в верхневолжских водохранилищах находилась в диапазоне этого параметра в пресноводных ДО, превышая средние значения для озерных (0.8 сут^-1) и речных (1.3 сут^-1) грунтов [21]. По-видимому, это связано с тем, что настоящие исследования проводились в середине – конце лета при наибольшем прогреве грунтов. Гетеротрофная бактериальная продукция в водной толще, обрастаниях высших водных растений и ДО в Иваньковском водохранилище составляла в среднем 0.096±0.013 мкг С/(см³ × сут), 29.3±9.9 мкг С/(см³ × сут) и 3.61±0.23 мг С/ (см³ × сут) соответственно; в Рыбинском водохранилище – 0.071±0.025 мкг С/(см³ × сут), 23.8±5.8 мкг С/(см³ × сут) и 0.46±0.05 мг С/(см³ × сут) соответственно. Итак, в исследованных водоемах структурно-функциональные параметры бактерибентоса значительно превышали таковые бактериоэпифитона и бактериопланктона.

По данным [7], площадь водной поверхности Иваньковского водохранилища, заросшая высшими водными растениями, в 2005 г. составляла 19 830 га (198 км²), из которых на долю гигрогелофитов (воздушно-водных растений) приходилось 66.8, гелофитов (полупогруженных растений) – 6818, гидрофитов (погруженных растений) с плавающими листьями – 985, полностью погруженных гидрофитов – 11 961 га. В Рыбинском водохранилище площадь поверхности высших водных растений в 2009 г. была равной 86 166 га (862 км²), при этом площадь поверхности гигрогелофитов составляла 466, гелофитов – 34 865, гидрофитов с плавающими листьями – 1969, гидрофитов погруженных – 48 865 га. С использованием этих данных рассчитаны численность, биомасса и продукция эпифитных бактерий в обрастаниях разных групп высших водных растений в Иваньковском и Рыбинском водохранилищах. Оказалось, что основной вклад в формирование суммарного количества, биомассы и продукции бактериоэпифитона в обоих водохранилищах вносят бактерии, развивающиеся в обрастаниях полупогруженных, полностью погруженных растений и в меньшей степени – погруженных растений с плавающими листьями (табл. 4).

 

Таблица 4. Численность (N, 10¹⁷ кл), биомасса (В, 10¹¹ мкг С) и продукция (Р, 10¹¹ мкг С/сут) гетеротрофных бактерий в обрастаниях разных групп высших водных растений

Растения	Иваньковское водохранилище			Рыбинское водохранилище
	N	В	Р	N	В	Р
ВВ ПП ППЛ ППО	5.9 1112.2 135.9 765.5	0.2 27.3 3.2 19.1	0.1 26.2 2.6 16.6	40.8 3972.9 185.1 1271.0	1.0 100.8 5.7 39.1	0.7 98.8 4.2 41.5

 

С использованием морфометрических характеристик водохранилищ и данных настоящих исследований рассчитаны количество и продукция всех гетеротрофных бактерий в водохранилищах (табл. 5). Как в эвтрофном Иваньковском, так и в мезоэвтрофном Рыбинском водохранилищах основное количество бактерий находилось в ДО. Эти бактерии вносили главный вклад в общую гетеротрофную бактериальную продукцию в водохранилищах. Численность, биомасса и продукция бактериобентоса превышали таковые у бактериопланкона в 4–35, 9–83 и 23–221 раз соответственно. Суммарная численность, биомасса и продукция бактериоэпифитона составляли соответственно 0.3–2.4, 0.6–2.3 и 0.8–3.7% таковых бактериопланктона.

 

Таблица 5. Численность (N, 10²⁰ кл), биомасса (В, 10¹⁰ мг С) и суточная продукция (Р, 10¹⁰ мг С) гетеротрофных бактерий в водной толще, обрастаниях высших водных растений и ДО водохранилищ (в скобках указана доля, % суммарного значения)

Параметры	Водная толща	Обрастания	ДО	Сумма
Иваньковское водохранилище
N В Р	84.4 (2.79) 17.4 (1.19) 10.7 (0.45)	2.0 (0.07) 0.5 (0.03) 0.5 (0.02)	2933.2 (97.14) 1438.8 (98.78) 2360.9 (99.53)	3019.6 1456.7 2372.1
Рыбинское водохранилище
N В Р	1942.8 (21.63) 269.1 (9.55) 179.9 (4.12)	5.5 (0.06) 1.5 (0.05) 1.5 (0.03)	7034.3 (78.31) 2548.0 (90.40) 4186.0 (95.85)	8982.6 2818.6 4367.4

 

Если допустить, что коэффициент использования усвоенных субстратов на бактериальный рост равен 0.3 [8], можно рассчитать, что в Иваньковском водохранилище в период проведения настоящих исследований все гетеротрофные бактерии потребляли за сутки 7907×10¹⁰ мг С. Их траты на энергетический обмен составили 5535×10¹⁰ мг С/сут, 99.5% из которых приходилось на долю бентосных бактерий. В Рыбинском водохранилище гетеротрофные бактерии потребляли за сутки 14 558 × 10¹⁰ мг С. При этом траты на энергетический обмен составили 10 191 × 10¹⁰ мг С/сут, 95.9% которых принадлежало бентосным бактериям.

Полученные авторами статьи результаты согласуются с данными по другим водным экосистемам. Так, в р. Шпрее (Германия), 40% площади дна которой занимали макрофиты, биомасса и продукция гетеротрофных бактерий в поверхностном слое ДО превышали таковые в воде соответственно в 6 и 17 раз. Бентосные бактерии были крупнее и активнее планктонных. Продукция бактериоэпифитона составляла 14–67% продукции бактериопланктона. Общая продукция гетеротрофных бактерий превышала первичную продукцию. Можно считать, что эта равнинная река представляет собой гетеротрофную систему с доминированием бентосных процессов [17]. Сообщества донных организмов вносят основной вклад в метаболизм экосистем субарктических озер, расположенных в северной части Швеции. Доля фито- и бактериобентоса в общей продуктивности этих озер составляла 86 ± 4%, при этом на гетеротрофные бактерии отвечали за 19% общей продукции в ДО и 51% – в водной толще [12].

По данным [2], в водохранилищах Волго-Камского каскада и Дона деструкция в воде превышает деструкцию в ДО, и это превышение увеличивается с севера на юг. Такая географическая закономерность объясняется тем, что в северных водоемах значительная часть органических веществ, не успев разложиться в воде, оседает на дно, где активно разлагается бентосными бактериями, протистами и беспозвоночными. В южных водохранилищах, особенно в эвтрофных, большая часть органических веществ, образуемых фотосинтезирующими организмами и поступающих с водосбора, разлагается в хорошо прогреваемой водной толще, и только малая часть легкоокисляемых органических соединений поступает в грунты. Иловые процессы определяют в северных водохранилищах 30–35% суммарной деструкции в воде и ДО, на Средней Волге ~20%, а в южных водохранилищах — 10– 12%. Кроме того, вклад бентосных процессов в суммарную деструкцию возрастает в градиенте трофии водных экосистем от олиготрофных к гипертрофным. Наибольшую роль бентосные процессы играют в дистрофных озерах. Однако позже установлено [3], что интенсивность деструкции в ДО недооценивалась на 30–60% из-за недостатков использованных методов. Кроме того, необходимо учитывать, что хотя бактерии играют главную роль в деструкции органических веществ в воде и грунтах, в этих процессах принимают участие и другие гидробионты.

ВЫВОДЫ

Уровень количественного развития гетеротрофных бактерий в эвтрофном Иваньковском водохранилище выше по сравнению с мезоэвтрофным Рыбинским водохранилищем. В этих мелководных экосистемах основной вклад в формирование общей численности, биомассы и продукции гетеротрофных бактерий вносит бактериобентос. Бактериопланктон и бактериоэпифитон играют существенно меньшую роль. Основную часть биомассы и продукции бактериоэпифитона формируют бактерии, развивающиеся на поверхности полупогруженных водных растений. Полученные данные свидетельствуют об огромном метаболическом потенциале бентосных бактерий и их ведущей роли в минерализации органических веществ в водохранилищах Верхней Волги.

Об авторах

А. И. Копылов

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

Автор, ответственный за переписку.
Email: kopylov@ibiw.yaroslavl.ru
Россия, 152742, р-н Некоузский, п. Борок, д. 109

Д. Б. Косолапов

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

Email: kopylov@ibiw.yaroslavl.ru
Россия, 152742, р-н Некоузский, п. Борок, д. 109

И. В. Рыбакова

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

Email: kopylov@ibiw.yaroslavl.ru
Россия, 152742, р-н Некоузский, п. Борок, д. 109

Список литературы

Дополнительные файлы