Содержание к диссертации
Введение
1. Использование флуоресценции для изучения трофометаболических взаимодействий гидробионтов 28
1.1. Основные представления о флуоресценции хлорофилла микроводорослей 28
1.2. Определение таксономического состава микроводорослей на основе флуоресцентной диагностики 34
1.3. Использование флуоресценции для изучения первичной продукции фитопланктона 40
1.4. Использование флуоресценции для изучения трофометаболических взаимоотношений растительноядных гидробионтов и фитопланктона 51
1.5. Основные направления использования флуоресцентных методов в исследованиях водных экосистем 63
1.6. Резюме 72
2. Характеристика районов работ 75
2.1. Пруд Бугач 75
2.2. Пруд Лесной 80
2.3. Залив Кантегирская Сосновка Саянского водохранилища 82
2.4. Кантатское водохранилище 83
2.5. Красноярское водохранилище 85
3. Методы исследований 87
3.1. Методика полевых исследований и камеральная обработка проб 87
3.2. Определение концентрации хлорофилла а микроводорослей 91
3.3. Эксперименты по изучению трофометаболических взаимодействий фитопланктона и рачкового зоопланктона 96
3.4. Трехлучевая эпифлуоресцентная диагностика клеток микроводорослей 104
3.5. Эксперименты по изучению роста синезеленых микроводорослей в воде из цветущего и нецветущего водоемов 105
3.6. Эксперименты по изучению роста акинет синезеленых микроводорослей в воде из цветущего и не цветущего водоемов 105
3.7. Эксперименты по изучению транзитного стимулирующего влияния карасей нарост синезеленых микроводорослей 107
3.8. Статистическая обработка материалов 108
4. Флуоресцентная оценка вклада отдельных таксономических групп и фракций планктонных микроводорослей в первичную продукцию фитопланктона 110
4.1. Теоретические предпосылки возможности расчета первичной продукции отдельных таксономических групп микроводорослей на основе СФД 110
4.2. Эффективность использования света в области ФАР отдельными таксономическими группами микроводорослей 118
4.2.1. Эффективность использования света в области ФАР фито планктоном Кантатского водохранилища 123
4.3. Связь световых кривых вариабельной флуоресценции с типами профиля вертикального распределения хлорофилла микроводо рослей 126
4.4. Связь энергетической эффективности хлорофилла а с таксономической структурой фитопланктона 131
4.5. Апробация расчетных методов оценки первичной продукции отдельных таксономических групп микроводорослей 143
4.5.1. Модификация основного расчетного метода определения первичной продукции фитопланктона на основе СФД 144
4.5.2. Сравнительное определение первичной продукции флуоресцентными и скляночным методами 153
4.6. Продуктивность фитопланктона евфотической и дисфотической зон пруда Лесной 156
4.6.1. Вклад фитопланктона дисфотической зоны в общую первичную продукцию 157
4.6.2. Структурно-функциональные характеристики фито планктона евфотической и дисфотической зон 164
4.7. Флуоресцентная диагностика суточной динамики вертикального распределения и фотосинтетической активности фитопланктона 173
4.7.1. Фотозависимые вертикальные миграции диатомовых микроводорослей в заливе Кантегирская Сосновка Саянского водохранилища 178
4.7.2. Суточная динамика вертикального распределения ДФл/Флм и Схл.а синезеленых микроводорослеи в условиях Кантатского водохранилища 186
4.8. Резюме 195
5. Изучение трофометаболических взаимодействий водных животных и фитопланктона 198
5.1. Проверка гипотезы трофического каскада расчетными методами, основанными на теории продукционной гидробиологии 198
5.2. Флуоресцентная диагностика микроводорослевого питаниярачкового зоопланктона 205
5.2.1. Микроводорослевое питание Daphnia longispina в периоды доминирования синезеленых микроводорослей 206
5.2.2, Микроводорослевый спектр питания Ceriodaphnia quadrangula 214
5.3. Флуоресцентная диагностика ритмики микроводорослевого питания рачкового зоопланктона 224
5.3.1. Суточные ритмы микроводорослевого питания природной популяции Ceriodaphnia quadrangula 224
5.3.2. Околочасовые ритмы микроводорослевого питания лабораторной культуры Ceriodaphnia quadrangula 228
5.4. Флуоресцентная диагностика экскреторного и транзитного влияния животных гидробионтов на фотосинтетическую активность микроводорослей 233
5.4.1. Изучение экскреторного и транзитного влияния Moina тасгосора на фотосинтетическую активность и рост Chlorella vulgaris 236
5.4.2. Изучение экскреторного и транзитного влияния Daphnia longispina на фотосинтетическую активность синезеле-ных в условиях цветущего евтрофного водоема 243
5.4.3. Эпифлуоресцентное изучение физиологического состояния транзитных клеток микроводорослей 248
5.5. Транзитное стимулирующее влияние планктоядных рыб на фотосинтетическую активность и рост синезеленых микроводорослей 250
5.5.1. Рост колоний Microcystis aeruginosa прошедших через кишечник Carassius auratus в воде пруда Бугач 253
5.5.2. Изучение возможных механизмов стимулирующего влияния на рост синезеленых их транзита через кишечник Carassius auratus 257
5.6. Резюме 261
6. Использование системы флуоресцентной диагностики для изучения причин возникновения цветения фитопланктона континентальных водоемов 264
6.1. Изучение роли общего химического состава воды и донных отложений в инициации массового развития синезеленых микроводорослей в континентальных водоемах 266
6.1.1. Рост и выживание синезеленых микроводорослей в экспериментах в водах цветущего и нецветущего водоемов 267
6.1.2. Прорастание акинет синезеленых микроводорослей из донных отложений в водах цветущего и нецветущего водоемов 271
6.1.З. Прорастание перезимовавших акинет синезеленых микроводорослей из донных отложений в водах цветущего и нецветущего водоемов 275
6.2. Изучение Stephanodiscus hantzschii в периоды массового развития в условиях разнотипных водоемов 278
6.3. Резюме 301
Заключение 303
Выводы 314
- Определение таксономического состава микроводорослей на основе флуоресцентной диагностики
- Пруд Лесной
- Эффективность использования света в области ФАР отдельными таксономическими группами микроводорослей
- Флуоресцентная диагностика микроводорослевого питаниярачкового зоопланктона
Определение таксономического состава микроводорослей на основе флуоресцентной диагностики
В конце семидесятых годов были предприняты первые попытки качественной (видовой) идентификации микроводорослей в естественных условиях на основе изучения различий в спектре флуоресценции видов микроводорослей (Yentsch, Yentsch, 1979). Теоретические предпосылки для видовой идентификации микроводорослей были следующие. Как известно, микроводоросли имеют большую вариабельность по составу пигментов-сборщиков энергии (табл.1.1). При этом, все пигменты организованы в функциональные группы, получившие название фотосинтетических единиц. Каждая фотосинтетическая единица содержит около 300 молекул пигментов, но только одна специализированная молекула хлорофилла а действует как реакционный центр, а остальные молекулы функционируют как антенна для собирания световой энергии. Имеются три основные пигментные группы, используемые при захвате и передаче световой энергии: хлорофиллы, каротиноиды и фикобилины. В дополнение к обязательно присутствующему хлорофиллу a (Chi а) в клетках микроводорослей может встречаться хлорофилл Ь (СЫ Ь) и хлорофиллы с (СЫ с\, с2, с3). Указанные типы хлорофиллов отличаются по максимуму длины волны спектра поглощения. Так, максимумом поглощения СЫ а в синей и красной области видимого света является длина волны равная 440 нм и 675 нм соответственно, а у СЫ Ъ - 470 нм и 650 нм. К группе хлорофиллов с относят пигменты с резко отличающимися максимумами поглощения - 461 (СЫ с і), 583 (СЫ с2) и 644 нм (СЫ су). Группа каротиноидов, которая включает более 100 различных пигментов, поглощает между 450 и 550 нм, а группа фикобилииов — между 480 и 600 нм. Так как отдельные виды микроводорослей содержат различные пигменты в разных генетически детерминированных пропорциях, то имеется возможность проведения идентификации видового состава фитопланктона на основе спектрофотометрии (Кондратьев, Поздняков, 1988). Масштабное изучение спектров возбуждения флуоресценции хлорофилла а фитопланктона (Yentsch, Phirmey, 1985; Hilton et al., 1989) и лабораторных культур микроводорослей (Poryvkina et al., 1994; Lutz et al., 2001) показало, что определенным флористическим группам можно поставить в соответствие вполне определенную спектральную кривую возбуждения. Спектр флуоресценции фитопланктона в зависимости от его флористической принадлежности может быть представлен либо одной полосой (при Я=685 нм или 560-580 нм), либо двумя (при ,=685 нм и 560-580 нм). Такие, хотя и весьма ограниченные, таксономические возможности спектрофлуоресцентного метода, по мнению C.S. Yentsch и DA. Phiimey (1985) могут стать основой экспрессной контактной диагностики при мониторинговых исследованиях. Например, тот факт, что полоса поглощения фикобилинов значительно удалена от полос поглощения других пигментов, и более того, приходится на максимум пропускания света некоторыми другими пигментами, позволяет надеяться на возможность легкой идентификации наличия синезеленых в фитопланктоне по форме спектра.
В недавних работах вывод о возможности осуществления диагностики фитопланктона по группам, содержащим фикобилины или не содержащим, на основе различий в спектрах поглощения и флуоресценции микроводорослей, получил практическое подтверждение (Seppala, Balode, 1998; Gitelson et al, 1999). При определении видового состава фитопланктона в полевых условиях очень часто трудности возникают из-за помех от светорассеивания и присутствия в воде различных окрашенных веществ. Поэтому продолжается поиск способов регистрации спектров возбуждения флуоресценции пигментов, которые позволили бы обойти указанные помехи и ограничения. Например, новые возможности анализа состава микроводорослей по спектрам флуоресценции пигментов продемонстрированы в работе T.J. Cowls et al. (1993). Авторы зарегистрировали смещение максимума флуоресценции фикоэритрина от 578 нм в поверхностном слое через 585 нм на глубине 30%-ной освещенности к 590 нм на глубине 1%-ной освещенности вслед за изменением соотношения между микроводорослями отдельных видов с глубиной. Подобные работы также доказывают возможность экспрессного флуоресцентного спектрального анализа видового состава фитопланктона в водной среде. Использование современных волоконно-оптических кабелей для обмена возбуждающим излучением и флуоресценцией между водной средой и бортовым прибором открывает возможность экспрессной диагностики состава микроводорослей in situ на основе обычных лабораторных приборов со сканированием по длинам волн возбуждающего излучения и флуоресценции. Для определения таксономического состава до экологически значимых отделов микроводорослей был специально разработан трехканальныи бортовой флуориметр, включающий два лазера VSL-DYE, которые могут быть настроены на определенную длину волны, систему линз, фотоумножителя сигналов и регистрирующую систему (Phinney et al., 1988). Частота излучения 1-20 Гц, чувствительность — 0.2 мкг хлорофилла а в литре. По данным разработчиков, трехканальныи флуориметр позволял параллельно определять концентрацию хлорофилла а и фикоэритрина (флуоресценция 675 нм и 575 нм), а также разделять сигналы от фикоэритрин-содержащих синезеленых и криптомонад на основе регистрации флуоресценции, вызываемой УФ-лучами (375 нм). К сожалению, в доступной литературе отсутствуют сведения о практической апробации этого прибора в природных условиях. Как уже отмечалось ранее, впервые возможность дифференцированной по основным таксономическим отделам оценки концентрации хлорофилла а на основе регистрации прижизненной флуоресценции микроводорослей была показана в работе В.М. Гольда с соавторами (1986) в рамках СФД. Флуоресценцию поочередно возбуждали тремя относительно широкими полосами спектра с максимумами при 410, 510 и 540 нм. При этом в поглощении света преимущественно участвовали молекулы хлорофилла а, фукоксантина, фикобилинов или билихромопротеинов.
Для стабилизации величин удельных выходов флуоресценции все измерения проводили в присутствии ингибитора электронного транспорта диурона (10"5М) или его функционального аналога симазина. Концентрацию хлорофилла а у зеленых, диатомовых и синезеленых микроводорослей определяли, решая систему трех линейных уравнений, которая приведена в разделе 3.2 (уравнение 3.5) настоящей диссертации. Ее коэффициентами стали удельные выходы флуоресценции (Ку=1нь( )/Ссы), полученные в ходе анализа альгологически чистых культур зеленых, диатомовых и синезеленых микроводорослей. Набор чистых культур не мог полностью соответствовать видовому составу фитопланктона, поэтому заложенные при калибровке в систему t линейных уравнений коэффициенты были скорректированы в натурных экспе- риментах в условиях Красноярского, Саянского, Кантатского, Рыбинского водохранилищ (Гаевский и др., 1993; Колмаков и др., 19936). В результате, путем ряда итераций удельных выходов были получены работоспособные уравнения для определения концентрации хлорофилла а в таких экологически близких таксономических группах фитопланктона, как "зеленые+евгленовые", "диатомо- I вые+криптофитовые", "синезеленые" (Гольд и др., 2001). Следует отметить, что информация о таксономической структуре альгоце- i ноза заложена не в абсолютных значениях удельных выходов флуоресценции каждого таксономического комплекса, а в их соотношении (Гольд и др., 1986; Гаевский и др., 1993). Пронормировав Ку в пределах каждой выделенной таксономической группы по одному из значений, например, по Ьмосц» получили такую систему линейных уравнений, что при ее решении сигнал флуоресценции ока-Ь зался распределенным между таксономическими группами фитопланктона. Это р позволило количественно охарактеризовать таксономическую структуру альгоценоза в терминах их флуоресценции (Гольд и др., 2001). Дифференцированные таким образом сигналы флуоресценции в дальнейшем были рекомендованы для использования при определении значений концентрации хлорофилла а планктонных микроводорослей. Из экспериментально определенных величин удельных выходов была составлена база данных, которая используется при и выполнении расчетов концентрации хлорофилла а по флуоресцентным измере- ниям в полевых условиях. Н.А. Гаевским со соавторами (2001) было предложено редуцировать систему до двух линейных уравнений, в том случае, если в составе фитопланктона устойчиво на протяжении длительного периода доминируют только два таксономических комплекса.
Пруд Лесной
Данный водоем (5600 25.7" с.ш,, 9244 53.4" в.д.) расположен в окрестностях Академгородка г. Красноярска, на расстоянии 1 км от главного здания Красноярского государственного университета и в 6 км от пруда Бугач. Водоем "кань-онного" типа, практически не имеющий выраженной литоральной зоны. Пруд окружен лесным горным массивом, на одной из сторон которого расположен дачный поселок. Площадь поверхности водоема - около 0.3 га, максимальная глубина -8 м. Пруд используется населением для забора воды на полив приусадебных участков, а также для купания и рыбной ловли. Ихтиофауна пруда Лесной представлена одним видом рыб - карасем серебряным - С. auratus. Среди доми-нантов в составе зоопланктона чаще всего встречались рачки - Ceriodaphnia quadrangula O.F.Muller, Bosmina longirostris O.F. Muller и коловратки - Keratella sp., Asplanchna priodonta Gosse. С середины мая по сентябрь в пруду Лесном имеет место выраженная стратификация по температуре, содержанию растворенного кислорода, рН (рис.2.4). Резкая стратификация определяется особенностями месторасположение водоема. Лесной горный массив препятствует сильному ветровому перемешиванию воды и способствует установлению эпилимниона и гиполимниона. Термоклин, обычно располагается на глубине 2.5-3 м. Из-за интенсивного забора воды на полив приусадебных участков с июня по сентябрь происходит уменьшение глубины водоема, а соотношение толщины эпилимниона к гиполимниону увеличивается. В целом, пруд Лесной можно отнести к слабопрозрачньш водоемам, так как в течение вегетационного сезона Z изменяется от 0.3 м до 2.5 м. Сезонная динамика Z имеет заметные вариации в разные годы (рис.2.5). По среднегодовой величине Z в пруду Лесной можно условно выделить "ел або прозрачные" годы (1995-1996 гг.) и "высопрозрачные" годы (1999-2000 гг.). Так в 1999 г. и 2000 г. средняя величина Z за летний сезон соответственно составила 1.31+0.13 м и 1.36±0.10 м, а в 1995 г. и 1996 г. - 0.78+0.09 м и 0.94+0.10 м. Пруд Лесной был выбран в качестве модельного нецветущего водоема, так как он расположен в непосредственной близости с рекреационным пр.Бугач, подверженном цветению синезелеными микроводорослями (Иванова и др., 2001). Только в мае-июне 1999 г. клетки Aph. flos-aquae и A. flos-aquae встречались в небольшом количестве в составе фитопланктона. Предполагается, что понимание причин, препятствующих развитию вредоносных синезеленых в условиях малого пруда Лесной, может послужить основой для разработки рекомендаций по устранению или уменьшению цветения других рекреационных водоемов, подобных пруду Бугач. Кроме того, в пруду Лесной, примерно в те же сроки, как и в пруду Бугач, наблюдается массовое развитие диатомовой микроводоросли S. hantzschii, биомасса которой может достигать 68 г/м3. То есть на двух различающихся по морфологии котловины и характеру стратификации водоемах, расположенных в одинаковых климатических и погодных условиях, примерно в одно и тоже время имеет место цветение одного из вредоносных видов диатомовых - S. hantzschii. Эта природная ситуация представила уникальную возможность для сравнительного изучения эколого-физиологических и морфологических характеристик двух популяций (форм) этого вида. Еще одной особенностью пр.Лесной, является присутствие летом глубинного максимума хлорофилла а в дисфотической зоне. Поэтому данный водоем в 1995-2000 гг. был использован как полигон для проведения сравнительных исследований эколого-физиологических характеристик и оценки вклада в первичную продукцию фитопланктона евфотической и дисфотической зон. 2.3. Залив Кантегирская Сосновка Саянского водохранилища При изучении естественных вертикальных миграций микроводорослей в полевых условиях очень важно найти способ элиминирования фактора ветрового перемешивания, который сильно искажает истинную картину миграций. Поэтому для выполнения исследований по вертикальным миграциям микрово- дорослей было принято решение выбрать водоем, в котором ветровое перемешивание воды выражено очень слабо. Наиболее подходящим для этого оказался один из самых больших заливов Саянского водохранилища - Кантегирская Сосновка, расположенный в 11 км от плотины Саяно-Шушенской ГЭС. Данный залив с трех сторон окружен высоким горным лесным массивом. Кроме того, у в заливе наблюдается большое скоплением плавающей и затопленной древесины, что препятствует распространению ветровых сгонно-нагонных явлений у фитопланктона. Месторасположение залива и присутствие скоплений древесины объясняет практически полное отсутствие ветрового перемешивания воды даже при сильном ветре. В период выполнения экспериментов (июль-август) Z в заливе в среднем составила 3.0+0.2 м. Присутствовала небольшая температурная стратификация слоев воды (поверхность - 18-20 С, дно - 15-16 С). По биомассе доминировали диатомовые водоросли: Asterionella formosa Hass, Fragilaria crotonensis Kitt, Tabellaria fenestrata Lyngb. (Иванова, 1996). Присутствовали также зеленые микроводоросли - Dictyosphaerium pulchellum Wood, Coelastrum sp., Sphaero-cystis sp., но содержание представителей этой группы из всего количества планктонных микроводорослей, не превышало по биомассе 8%. 2.4. Кантате кое водохранилище Кантатское водохранилище (рис. 2.6) образовано на малой реке Кантат (правый приток Енисея) более тридцати лет назад. Его объем - около 0,01 км3, площадь - 2,7 км , средняя глубина - 3.0 м, максимальная - 6.0 м. Регулируемый уровень воды практически постоянен. Основной источник поступления воды -река Кантат. В водоем поступают также ливневые стоки с территории города Железногорска, в центральной части которого и расположено водохранилище. При штилевой погоде на водоеме слабо выражена температурная стратификация. Разница температур поверхностного и придонного горизонтов в наи- более глубоком месте (ст.4) в течение летнего периода в среднем не превышает 6С. При ветре более 7 м/сек наблюдается перемешивание слоев воды и исчезновение термоклина. Средневзвешенная Z за июль-август 1989, 1990, и 1991 гг. составила соответственно - 0.9 м, 1.0 м, 0.7 м. Если принять за границу евфоти-ческой зоны 3Z, то можно считать, что на большей части водоема евфотическая зона распространяется до дна. Дисфотическая зона (от 1 до 0.1 % интенсивности света падающей на поверхность) имеет место только в ясную безветренную погоду в периоды образования на поверхности воды плотных пятен и пленок из колоний синезеленых. Образование пятен и пленок цветения приводит к сильному ослаблению света и значительному уменьшению глубины евфотиче-ской зоны. Начавшееся с середины восьмидесятых годов цветение воды, в основном за счет развития представителей рода Anabaena, М. aeruginosa, Aph. flos-aquae, резко снизило качество воды (Колмаков и др., 19936). Исследование биоты водоема проводилось с 1989 по 1991 гг. совместной экспедицией сотрудников биологического факультета КрасГУ и ИБ СО РАН по просьбе администрации города Железногорска.
Эффективность использования света в области ФАР отдельными таксономическими группами микроводорослей
Способность фитопланктона поглощать и использовать солнечную энергию является основополагающим моментом в процессе биосинтеза органических веществ. Поэтому оценка эффективности использования света как в целом для альгоценоза, так и для отдельных таксономических групп микроводорослей, важная составляющая любого эколого-физиологического исследования фитопланктона. Попытки анализа связи таксономической структуры альго ценозов с F4Ap на основе классических гидробиологических методов предпринимались исследователями ранее и их описание дано в литературе (Первичная продукция . . ., 1983). Однако, указанные выше (см. гл. 1.3) серьезные недостатки традиционных методов определения первичной продукции, заставляют с осторожностью относится к имеющемуся в литературе материалу. Для решения поставленной задачи были проведены масштабные исследования на трех водоемах - пруд Лесной, пруд Бугач, Кантатское водохранилище. Содержание хлорофилла а и первичную продукцию фитопланктона определяли с помощью СФД по уравнениям 3.5 и 1.9 соответственно. Эффектив- ность использования света в области ФАР (F pAP,%) фитопланктоном находили по формуле: FOAP- Р / (I t) -100% (4.10) где, Р - первичная продукция фитопланктона в Дж/м2,1 - средняя интенсивность света в области ФАР в Вт/м2 за время экспозиции t в сек. Для перевода мг Ог в Дж использовали коэффициент 14.14. Величины F t AP под 1 м рассчитывали только для тех дней, когда в составе алыоценоза доминировали представители одной из таксономических групп. В литературе предлагается при рассмотрении ТФАр учитывать уровень интенсивности фотосинтеза (Первичная продукция . . ., 1983) и, поэтому, независимо анализировать два показателя F$ AP. Первый показатель - это максималь- I т макс ті ныи г ФАР , при расчете которого используется максимальное значение Р за период доминирования какого-либо вида, второй - это средний ФАР при расчете которого используется среднее значение Р за весь период доминирования. Результаты расчетов РФАрмакс представлены в табл. 4.1. При сравнении данного показателя для отдельных таксономических отделов можно отметить следующие особенности: 1) наибольшая максимальная эффективность использования падающего света в области ФАР характерна для синезеленых; 2) нет " 1-і макс и достоверных различии по FCDAP для диатомовых с одной стороны и евглено-вых с зелеными с другой, хотя уровень поступающей на поверхность энергии ФАР был выше при доминировании диатомовых; 3) наибольшая величина
Рфлрмакс была характерна для A. flos-aquae среди синезеленых и As. formosa среди диатомовых; 4) нет достоверных различий по FoAPMaKC между летним и осенним цветением синезеленых, а также между весенним (РФАрмакс =3.03±0.77) и осенним (FoApMaitc=4.40+1.15) цветением диатомей. Возможно, что синезеле-ные не отличались бы по величине максимальной эффективности использования света в области ФАР от других таксономических групп, если расчеты были бы проведены с поправкой на тип профиля вертикального распределения. Таблица 4.1 Максимальная эффективность использования падающего света в области ФАР (F(DAPMBKC,%), первичная продукция фитопланктона (Р , кДж/(м2-час)), количест-во энергии (ІфАр, МДж/м ) поступающей на 1 м поверхности воды за час в периоды доминирования представителей отдельных таксономических групп микроводорослей в условиях евтрофных и гиперевтрофных водоемов Красно- ярского края Следует отметить, что в табл. 4.1 для синезеленых микроводорослей приведены данные только для вертикального профиля типа 1, а для диатомовых -для всех выделенных (1-4) типов вертикального профиля. Расчеты среднего Бфдр представлены в табл. 4.2, Из нее видно, что в целом для ФАр нет таксономической специфики. Однако она может появляться, если расчеты FOAP проводить с учетом типа вертикального профиля хлорофилла а. Например, для вертикального профиля типа 2 у диатомовых значение ФАр заметно выше, чем у синезеленых, а для типа вертикального профиля 4 у евгленовых и зеленых выше, чем у диатомовых. Как уже указывалось, вертикальный профиль типа 2 обычно наблюдается у микроводорослей при ветровом перемешивании, Следовательно, эффективность использования света в области ФАР и, возможно, эффективность фотосинтеза в целом у синезеленых в условиях ветрового перемешивания меньше, чем у диатомовых. В литературе также отмечается, что ветровое перемешивание является неблагоприятным фактором для развития синезеленых (Сиренко, 1970). Для типа вертикального профиля 1 значение РФАР для диатомовых и синезеленых достоверно не различались. Этот факт противоречит мнению многих авторов (Reynolds, 1984; Гольд, Гольд, 1989), которые утверждают, что синезеленые, по сравнению с диатомовыми, обладают неоспоримыми преимуществами для эффективного осуществления фотосинтеза на поверхности воды. Во-первых, для синезеленых не характерен эффект фотоингибирова-ния. Во-вторых, синезеленые используют солнечную энергию в значительно более широкой части спектра из-за наличия большого набора вспомогательных пигментов каротиноидной и билихромопротеиновой природы. В-третьих, сине-зеленые способны фиксировать азот. При выполнении исследований на пруду Бугач и Кантатском водохранилище было замечено, что на поверхности воды в ясную погоду образовывались пленки или пятна цветения, состоящие из плотных колоний синезеленых. Одноклеточные диатомовые, занимая поверхность воды не формировали плотных скоплений, и следовательно, не экранировали водную массу. Высокая степень экранирования синезелеными водной массы и связанная с этим неэффективная "потеря" света за счет отражения и рассеивания могли быть причиной, которая уравновешивала вышеуказанные преимущества синезеленых над диатомовыми по эффективности осуществления фотосинтеза на поверхности воды. Следует указать, что FoAp диатомовых для типа вертикального профиля 4, когда максимум плотности представителей этой таксономической группы приходился на дисфотическую зону, был достоверно выше, чем у диатомовых для типа вертикального профиля 3, когда максимум плотности приходился на гиполимнион евфотической зоны. Так как данные пики формировали одни и те же виды диатомей (S. hantzschii As. formosa, Syn. acus), то можно предположить, что оптимум по интенсивности света ФАР для этих видов находился в дисфотической зоне.
Учитывая, что максимальная 1ФАр на поверхности водоема в солнечный день может составляет не более 500 Вт/м , то оптимум для выше перечисленных видов диатомей составляет менее 5 Вт/м (1% от ІФАР). Таким образом, обнаруженные достоверные различия по F j,Ap для отдельных типов вертикального профиля хлорофилла а внутри таксономических групп микроводорослей свидетельствуют о необходимости их учета при дифференцированной оценке Р. 4.2.1. Эффективность использования ФАР фитопланктоном Кантатского водохранилища Выше были определены F DAP в периоды массового развития представителей отдельных таксономических групп микроводорослей. Однако известно, что большая часть вегетационного сезона приходится на период, когда в составе фитопланктона нет явного доминирования какого-либо из видов миро водорослей. Чаще всего, на водоемах имеет место смешанное доминирование видов, которые относятся к разным таксономическим группам. При этом нельзя исключать, что в смешанных сообществах будет наблюдаться как одностороннее, так и взаимое стимулирование или ингибирование эффективности использование света в области ФАР. Важную роль при этом могут играть экзометаболиты, практически постоянно выделяемые в воду активно фотосинтезирующими клетками микроводорослей. Например, недавно было показано, что выделяемые некоторыми синезелеными экзометаболиты ингибируют работу белковых фосфотаз у других растительных организмов (Lindholm, 1992), а также транспорт электронов ФС-П у зеленых микроводорослей (Von Elert, Juttner, 1996). Для проверки возможности существования ингибирующего или стимулирующего воздействия на РФАр провели расчеты эффективности использования света ФАР на примере Кантатского водохранилища в периоды смешанного доминирования диатомовых и синезеленых микроводорослей. Для анализа были выбраны даты, когда в составе фитопланктона доминировали два вида, относящихся к разным таксономическим группам, и вклад каждого из этих видов составлял не менее 45% от общей биомассы фитопланктона.
Флуоресцентная диагностика микроводорослевого питаниярачкового зоопланктона
В каждой водной экосистеме происходит создание органического вещества продуцентами и последующий перенос этого вещества (энергии) по пищевым цепям (паутинам) консументами от низших трофических уровней к высшим. Пути миграций органического вещества и связанное с ним функционирование континентальных водоемов определяются, в первую очередь, пищевыми взаимоотношениями между фитопланктоном, как основным производителем органики, и рачковым зоопланктоном, основным потребителем произведенной органики. Поэтому анализ пищевых спектров питания зоопланктона является ключевым этапом изучения круговорота органики в водных экосистемах. К сожалению, пищевые взаимоотношения фитопланктона и зоопланктона до сих пор изучены весьма слабо и часто понимаются слишком упрощенно, когда все многообразие пищевых взаимоотношений сводятся к простому потреблению одних организмов другими (Крючкова, 1989; Монаков, 1998). Предполагается, что широкое привлечение методов флуоресцентной диагностики для изучения спектров и рационов питания рачкового зоопланктона позволит пересмотреть ряд основных положений в теории трофометаболических взаимоотношений фитопланктона и зоопланктона. 5.2.1. Микроводорослевое питание Daphnia longispina в периоды доминирования синезеленых микроводорослей В предыдущем разделе (гл.5.1) было показано, что дафнии не могут существенно влиять на динамику синезеленых микроводорослей в пруду Бугач. При этом остался невыясненым вопрос: а потребляют ли вообще дафнии сине-зеленых в условиях указанного пруда? От решение данного вопроса зависит, можно ли надеяться на то, что многократное возрастание количества дафний вследствии успешной практической биоманипуляции "top-down" в пруду приведет к заметному снижению уровня цветения синезеленых. Поэтому данный раздел посвящен изучению микроводорослевых спектров питания D. longispina в пруду Бугач в периоды его цветения синезелеными. Известно, что дафнии могут потреблять отдельные клетки, небольшие колонии и нити синезеленых (Bendorf, Henning, 1989; Hartmann, Kunkel, 1991; Smith, Gilbert, 1995), часто проявляя при этом вкусовую избирательность. Например, в работе R. D. Gulati et al. (2001) было показано, что Daphnia galeata предпочитала использовать в пишу отмершие нити Oscillatoria limnetica живым. В современной гидробиологической литературе имеются указания на то, что дафнии могут потреблять в пищу практически все известные виды синезеленых, но в условиях смешанного кормления в первую очередь предпочитают представителей родов Aphanizomenon, Oscillatoria, Gloecapca, Coelasphoeruium (Крючкова, 1989).
Иногда усвоение дафниями биомассы синезеленых идет через "микробную петлю", то есть они питаются бактериями, детритом, простейшими (Bendorf, Henning, 1989). С другой стороны, существует мнение (Lynch, Shapiro, 1981), что дафнии не потребляют крупные колонии ("grass-blade") синезеленых и поэтому способствуют "цветению" водоемов, так как, выедают их конкурентов. Так многие авторы указывали, что дафнии не потребляли доминантные виды колониальных (Microcystis) или нитчатых (Aphanizomenon, Oscillatoria, Anabaend) синезеленых в евтрофных водоемах (Reynolds, 1994; Boing et al., 1998; Lathrop et al., 1999). Причина слабой утилизации синезеленых микроводорослей связана не только с размерами и морфологией, но и с физиологией клеток, то есть носит комплексный характер. Среди синезеленых существуют виды (например, Апа-cistis hidulans, Merismopedia sp.) или отдельные штаммы A. flos-aquae и М. aerugenosa, которые продуцируют токсические вещества. Последние обладают видоспецифической направленностью в отношении их воздействия на зоопланктон. Кроме токсического воздействия синезеленые могут создавать механические помехи при питании рачков. В литературе указываются случаи, когда крупные виды дафний отфильтровывая длинные нитчатые микроводоросли родов Anabaena, Oscillatoria, Phormidium забивали собственный фильтрационный аппарат (Левич и др., 1997). Эксперименты были проведены с помощью ДПМ в сочетании с "точечной" записью сигнала флуоресценции на основе СФД (см. гл. 3.3). Пер- вый (I, 17.07-20.07.98) и второй (II, 23.07-25.07.98) эксперименты были проведены при развитии в пруду D. longispina и синезеленой микроводоросли Aph. flos-aquae. На долю Aph. flos-aquae приходилось около 99% от общей биомассы фитопланктона за время выполнения эксперимента I и более 90% - эксперимента П. Третий эксперимент (III, 13.08-15.08.98) был проведен при доминировании в водоеме D. longispina и М. aeruginosa (по численности), С. erosa (по биомассе). Наиболее низкий прирост биомассы дафнии (АВ) наблюдался в эксперименте II, где в двух (из пяти) культиваторах он был отрицательным (табл.5.3). В этот период в пруду также происходило заметное снижение биомассы дафнии. Наибольший ЛВ был отмечен в эксперименте III, когда и в пруду происходил быстрый рост биомассы дафнии. Расчеты показали что, как биомасса (В) синезеленых так и СХл.а синезе-леных после прохождения опытных культиваторов были выше, чем контрольных (табл.5.4). Хотя достоверные различия между контрольными и опытными культиваторами были установлены по концентрации хлорофилла а синезеленых только для эксперимента I, тенденция увеличения В и Схп.а после опытных культиваторов просматривается четко (см. табл. 5.4). Результаты сравнения в контроле и опыте биомассы отдельных видов микроводорослей представлены в табл. 5.5. Достоверное уменьшение биомассы в опыте по сравнению с контролем наблюдалось только для С. erosa в эксперименте II и С. comta в эксперименте III. Если первые сутки в эксперименте III не включать в расчет, поскольку предварительная адаптация дафний к условиям этого эксперимента не проводилась, то достоверные различия между опытом и контролем регистрируются не только для С. comta, но и для С. erosa (BK0HTp= 4222 мг/м3, Вопыт= 3147 мг/м3, р= 0.05). Биомасса других видов за вторые-третьи сутки, также как и в целом за эксперимент III, в контроле и опыте достоверно не различалась (табл.5.5). Вероятно, основу рациона дафнии в период выполнения экспериментов I и II составляли не микроводоросли, а бактерии, детрит, простейшие. Учитывая значительное увеличение биомассы дафнии за время проведения эксперимента III (табл. 5.3) и высокую биомассу криптомонад (табл. 5.5), можно предполо- жить, что в этом эксперименте D. longispina удовлетворяла свои пищевые потребности в основном микроводорослями. Факты селективного выедания дафниями криптомонад и центрических диатомей в присутствии колоний синезеленых известны (Elser, Goldman, 1991; Hartmann, Kunkel, 1991; Smith, Gilbert, 1995). В селективности питания дафний играют важную роль размер и форма микроводоросли, соотношение размеров и форм в фитопланктонном сообществе, а также способность рачков различать пищевые частицы по химическим характеристикам (Bendorf, Henning, 1989; Hartmann, Kunkel, 1991).
Наблюдаемая тенденция увеличения биомассы цветущих синезеленых Aph. jlos-aquae и М. aeruginosa в опытных культиваторах по сравнению с контрольными (табл. 5.5), хорошо согласуется с отмеченной ранее тенденцией увеличения В и Схл.а в целом для всей группы синезеленых микроводорослей (табл.5.4). Поскольку ДПМ исключает возможность влияния рачков на рост микроводорослей через рециркуляцию биогенов, следует искать иные причины увеличения регистрируемой биомассы и Схл.а синезеленых. По нашему мнению, дафнии разбивали часть крупных колоний антеннами и постабдоменом. В литературе приводятся сведения о способности дробления колоний синезеленых для Daphnia magna (Левич и др., 1997) и Daphnia cuculata (Жданова и др., 1986). Специфический механизм отбора дафнией микроводорослевых нитей при фильтрации (Hartmann, Kunkel, 1991; Gulati et al., 2001) также мог способствовать дроблению колоний, Таким образом, при подсчете синезеленых в поле зрения микроскопа мелких колоний попадало больше, чем крупных, и их численность в опыте оказывалась больше. Вероятно, увеличение в опыте биомассы колониальных синезеленых обусловлено не стимулированием роста микроводорослей, а несовершенной методикой учета клеток в колониях разного размера, появляющихся в результате их дробления дафниями. Результаты флуоресцентного анализа кормовой смеси в контроле и опыте подтверждают предположение о дроблении колоний дафниями. В эксперименте I средняя Схл.ас Э синезеленых в опыте была достоверно выше, чем в контроле (табл. 5.4). Очевидно, для более мелких колоний Aph. flos-aquae в опытных культиваторах были характерны меньшие потери флуоресценции вследствие эффектов внутренней экранировки и реабсорбции, чем для крупных колоний в контрольных культиваторах.
