Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА I. Обзор литературы б
1. Анализ смешанных накопительных культур 6
2. Анализ сметанных культур при проточном культивировании 17
3. Изучение культур природного фитопланктона 20
4. Оценка индивидуального вклада популяций водорослей в общую фотосинтетическую активность сообщества 23
ГЛАВА II. Материалы и методы 32
ГЛАВА III. Анализ взаимодействия трех видов динофяагеллят в смешанных культурах на основе динамики численности популяций 39
ГЛАВА ІV. Анализ взаимодействия исследуемых видов в смешанных культурах на основе оценок парциальной фотосинтетической активности популяций 62
ГЛАВА V. Связь между морфометрическими и функциональными характеристиками трех видов динофяагеллят в смешанных культурах 75
Выводы 82
Литература 84
Приложение 94
- Анализ смешанных накопительных культур
- Материалы и методы
- Анализ взаимодействия трех видов динофяагеллят в смешанных культурах на основе динамики численности популяций
- Анализ взаимодействия исследуемых видов в смешанных культурах на основе оценок парциальной фотосинтетической активности популяций
- Связь между морфометрическими и функциональными характеристиками трех видов динофяагеллят в смешанных культурах
Введение к работе
Основным звеном в создании первичного органического вещества в водных экосистемах является сообщество микроводорослей - фитопланктон. На видовую структуру и продуктивность фитопланктона помимо абиотических факторов (Киселев ,1980) существенное влияние оказывают биотические взаимодействия между различными популяциями водорослей, в частности конкуренция за лимитирующий ресурс и метаболитические взаимодействия. Одним из эффективных способов изучения биотических взаимодействий является исследование смешанных культур водорослей, при этом выделение специфических видов взаимодействия проводят на основе анализа динамики численности, биомассы исследуемых видов при относительно постоянных условиях внешней среды, а также результатов экспериментов с фильтратами монокультур. Вид взаимодействия между отдельными популяциями в природных условиях может изменяться в зависимости от таких факторов как обеспеченность биогенными элементами, температура, освещенность и др. Следовательно, изучение биотических взаимодействий необходимо проводить при широком спектре внешних условий.
Интерпретацию полученных результатов затрудняет и ограниченное количество оцениваемых параметров. Более полное представление о биотических взаимодействиях дает сопоставление вкладов отдельных популяций в общий фотосинтез сообщества, однако оценка парциальной активности на основе прямых методов затруднительна. Перспективным подходом в этом случае является применение косвенного метода оценки парциальной фотосинтетической активности водорослей (Федоров,1982).
Цель работы - изучение взаимодействия трех видов динофлагел-
ЛЯТОІепо<ііпіит foliaceum , Exuviaella cordata И Proro cent rum
micans на основе структурных и функциональных характеристик в
- 4 -зависимости от содержания в среде биогенных элементов, В связи с этим^ исследования проводили в следующих направлениях:
I. Сравнительный анализ динамики численности и биомассы трех видов дйнофлагеллят в моно-, двухвидовых и трехвидовых культурах при различном соотношении посевных титров водорослей.
2» Оценка изменения удельной фотосинтетической активности и относительных вкладов популяций водорослей в общий фотосинтез смешанных культур.
3. Изучение связи между удельной фотосинтетической активностью и морфологической изменчивостью исследуемых видов водорослей.
В результате проведенной работы разработана модификация косвенного метода оценки парциальной фотосинтетической активности, позволяющая рассчитывать удельные активности водорослей и их вклад в общий фотосинтез на различных этапах смешанного накопительного культивирования. Показано, что взаимодействие между исследованными видами удовлетворительно объясняется механизмами конкуренции за лимитирующий ресурс. Однако, в некоторых смешанных культурах помимо распределения ресурса важными факторами оказываются метаболитная регуляция численности, а также способность некоторых видов переходить с фотоавтотрофного на фотоорга-нотрофный тип питания при исчерпании минерального ресурса. Впервые обнаружено,, что ингибирующая метаболитическая активность "токсичного" вида возрастает с увеличением концентрации биогенных элементов в среде. Установлено, что взаимодействие водорослей через ресурс приводит к адаптивным изменениям морфологии клеток некоторых видов.
Предложенная модификация косвенного метода оценки парциальной фотосинтетической активности позволяет более детально исследовать динамику численности микроводорослей в смешанных лабора-
торных культурах, используемых в качестве натурных моделей фито-планктонных сообществ. Полученные данные по биотическому взаимодействию трех исследованных видов в смешанных культурах могут быть использованы для выявления закономерностей их сезонной динамики в природных условиях, а также для оценки действия антропогенных факторов среды при построении и верификации математических моделей водных экосистем.
Работа выполнена на кафедре общей экологии и гидробиологии биологического факультета МТУ им. М.В.Ломоносова.
Автор выражает глубокую благодарность научному руководителю, доктору биологических наук , профессору В.Д.Федорову за внимательное руководство работой, постоянный интерес к ее проведению и помощь при обсуждении и написании работы.
Автор искренне признателен к.б.н. Н.А.Смирнову и к.б.н. Ю.Э.Романовскому за полезные советы и ценные замечания по ряду вопросов работы.
Глубоко благодарна Л.А.Ланской (ин-т биологии южных морей АН УССР) за любезно предоставленные для работы культуры микроводорослей.
Выражаю также всем сотрудникам кафедры общей экологии и гидробиологии признательность за доброжелательное отношение, помощь и поддержку при выполнении работы.
Анализ смешанных накопительных культур
К накопительным относят культуры со следующим режимом культивирования: посев инокулята на обогащенную минеральными компонентами среду, - рост, накопление водорослевой биомассы, - отмирание культуры, обусловленное исчерпанием минерального ресурса.
В основе исследований, отнесенных к этой группе, лежит сравнение таких параметров роста водорослей как время генерации, скорость роста, величина максимальной численности (биомассы) популяций водорослей при культивировании в накопительном режиме в моно- и смешанных культурах. При различии указанных параметров в моно- и смешанных культурах и на основе их сопоставления делается вывод о наличии взаимодействия между исследуемыми популяциями, оценивается "знак" взаимодействия. Если у исследуемой популяции одного вида время генерации в монокультуре меньше, а скорость роста и величина максимальной численности больше, чем в смешанной культуре, то это свидетельствует, что данная популяция испытывает отрицательное воздействие со стороны популяции вида - партнера (ингибирование). Если время генерации водоросли в монокультуре больше, а скорость роста и величина накапливаемой численности меньше, чем в смешанной культуре, следовательно, имеет место положительное воздействие со стороны популяции видапартнера (стимуляция).
Материалы и методы
Prorocentrum micans Ehrenberg, Exuviaella cordata Ostenfeld,Glenodinium foliaceum Stein, выделенные ИЗ планктона Черного моря Л.А.Ланской (институт биологии южных морей) и любезно предоставленные нам для работы.
Водоросли культивировали в накопительном режиме на природной черноморской воде («S= IQ%), обогащенной по прописи Гольд-берга (Ланская,1971), однако с уменьшенным содержанием фосфора (среда ІГ ). Вторая серия экспериментов была проведена на среде с удвоенным содержанием питательных добавок (среда 2Г).
Численность микроводорослей определяли под микросколом "Лю-мам" в камере типа Нажотта ( V = 0,05 мл) при пятикратном ее заполнении, так что число просчитанных клеток популяции каждого вида превышало 3000. При этом ожидаемая относительная ошибка измерений оказывается в пределах 5 - 10$ (Федоров,1979)
На каждой из питательных сред выращивали монокультуры, двух-видовые и трехвидовые культуры. Для всех культур эксперименты проводили в трех-четырех матрасах, в которых варьировали начальные соотношения численностей водорослей.
Анализ взаимодействия трех видов динофяагеллят в смешанных культурах на основе динамики численности популяций
Динамика численности монокультур трех исследуемых видов на средах с различным начальным содержанием биогенных элементов (ІГ и 2Г) приведена на рис. I. Величины биомассы, первичной продукции, Р/В - коэффициентов и скорости роста водорослей в монокультурах даны в приложении достигаемые монокультурой при росте на средах ІГ и 2Г, составляли 8,3 Ю6 кл/л и 21,8 106 кл/л, соответственно (рис.1а). Период роста 20 дней (среда ІГ) и 35 дней (среда 2Г). С первого по десятый день на среде ІГ время удвоения биомассы - 2,2 суток при скорости роста 0,3 сут " .На среде 2Г в этот период удвоения биомассы составило 3,8 суток при скорости роста 0,18 сут 1. Значения Р/В-коэффициентов на начальных стадиях роста также меньше на среде с удвоенным начальным обогащением.
После пятнадцатого дня скорость роста и величины Р/В-коэффи-циентов культуры на среде 2Г превышают эти показатели на среде ІГ.
При изучении влияния минерального фосфора на фотосинтез водоросли p.micans (Аникина,1967) было показано, что наибольшая величина интенсивности фотосинтеза клеток "не голодных" по фосфору наблюдается при концентрации 0,5 мкг-ат Р/л. Следовательно, содержание фосфора в среде ІГ ближе к фосфорному оптимуму водоросли p.micans , что, возможно, и обусловливает снижение скорости роста и фотосинтетической активности популяции этого вида при увеличении содержания фосфора в среде с 0,62 (ІГ) до 1,24 мкг--атР/л (2Г).
Анализ взаимодействия исследуемых видов в смешанных культурах на основе оценок парциальной фотосинтетической активности популяций
В качестве функциональной характеристики для анализа взаимодействия видов при смешанном культивировании выбрана величина парциальной фотосинтетической активности водорослей.
Расчет парциальной активности проводили на основе описанной выше модификации метода косвенной оценки парциальной фотосинтетической активности (гл.П). Результаты расчетов приведены в табл.4 и табл. 5, в которых использованы следующие обозначения:] , 12 интервалы оценивания параметров; А/% - индекс экспериментального сосуда; Ъь - моменты наблюдений; ft - объем выборки;Х ХРтХ -переменные, обозначающие численности E.cordata ,P.micans и G.foiiaceum , соответственно; о к - стандартные ошибки коэффициентов моделей для соответствующих популяций. Значения суммарной фотосинтетической активности (4t z ) ПРИ расчетах выражали в мкгС л"1» час .Коэффициенты моделей представляют собой удельные активности соответствующих видов, выраженные в мкгС«кл t час"1 10 . В буквенных сокращениях ЕР , GP , EG , GPE через в , Р , И G обозначены ВИДЫ E.cordata f P.raicans и G.foiiaceum в соответствующих сочетаниях в смешанных культурах.
Полученные оценки удельной фотосинтетической активности популяций позволяют дополнить информацию о характере функционального взаимодействия водорослей.
Связь между морфометрическими и функциональными характеристиками трех видов динофяагеллят в смешанных культурах
Полученные результаты позволяют подойти к проблеме исследования связи между морфометрическими и функциональными характеристиками водорослей в смешанных культурах.
Ранее с помощью прямого и косвенного методов была обнаружена обратная зависимость удельной (на единицу биомассы или объема) фотосинтетической активности от объема клеток микроводорослей (Гутельмахер,1974; Гутельмахер и др., 1980; Федоров, Смирнов, 1983; Gutelmacher , petrova ,1982). При этом существенным является определение степени убывания данной зависимости, т.е. численного значения показателя степени уравнения где CL - удельная (на единицу объема) фотосинтетическая активность, Р - фотосинтетическая активность одной клетки, 1г - объем клетки, А и ъ - параметры уравнения.
Значения параметра ъ , полученные авторадиографическим методом для разных групп фитопланктонных водорослей, лежат в пределах от 0,42 до 0,61 (Гутельмахер,1974; Гутельмахер и др., 1980; Gutelmaoher , Petrova,1982). Анализ фотосинтетической активности массовых видов фитопланктона Белого моря (Федоров, Смирнов, 1983) включал в рассмотрение два морфометрических параметра: объем и поверхность клетки. В однопараметрической интерпретации была получена оценка и =0,76. При существующей точности измерений и ограниченном объеме экспериментального материала полученные оценки о носят в основном качественный характер, укладываясь в рамки интуитивных аналогий с аллометрическими зависимостями, известными для животного мира (Ханин, Дорфман,1978).
Укажем здесь лишь на тот факт, что в работах (Гутельмахер,1974; Гутельмахер и др. 1980; Guteimacjier , petrova ,1980) для идентификации параметров использовали все данные по прямым измерениям фотосинтетической активности, в то время как в работе (Федоров, Смирнов,1983) в расчет принимали лишь максимальные значения
