СТРУКТУРНО-ФУНКЦИОНАЛЬНОЕ РАЗНООБРАЗИЕ МИКРООРГАНИЗМОВ В ЛЕСНЫХ ЛАМБАХ ЮЖНОЙ КАРЕЛИИ
Н.А. Лаптева, Е.А. Соколова
Учреждение Российской академии наук Институт биологии внутренних вод им. И.Д. Папанина РАН, Борок, Ярославская обл., Россия
e-mail: lap@ibiw.yaroslavl.ru
Малые озера Карелии (лесные ламбы) в разной степени испытывают влияние болотных вод и содержат значительное количество гуматов.
Это небольшие, слабопроточные озера с малой глубиной, площадь водосбора и питание которых обеспечивается в основном стоком окружающих болот. Особенности химического состава воды и степень трофности ламб определяются типом болот (верховые или низинные) (Харкевич, 1960).В основу подбора ламб для исследования сообществ микроорганизмов были положены их ха - рактеристики: разная степень гумификации, неравномерное распределение по вертикали физикохимических параметров в период стагнации. Задачей настоящей работы было изучение распределения микроорганизмов и их структурно-функционального разнообразия в разных экологических зонах озер.
Материалы и методы исследования
Обследованные озера - Лесная ламба, Крюкламба, Габозеро и ламбы Вороновская-1 и 2 расположены вблизи г. Петрозаводска в районе c. Кончезеро; Куалика, Корбламба - в п. Вешкелицы Суоярвиц- кого района. Образцы проб были отобраны в августе 1983 г. в период температурной стратификации.
Определяли общую численность бактерий, количество гетеротрофных и сульфатредуцирующих бактерий (Романенко, Кузнецов, 1974). Морфологическое и видовое разнообразие микроорганизмов изучали под световым и электронным микроскопами (Лаптева, 1976). Анализировали физико-химические параметры по методикам (Алекин и др., 1973, Романенко и др., 1990). Из функциональных показателей определяли первичную и бактериальную продукцию в воде и скорость сульфатредукции в илах радиоизотопным методом, аэробную деструкцию - кислородным методом.
Результаты и обсуждение
Озера входят в зону низкоминерализованных вод подзолисто-болотных почв и различаются по уровню трофии.
Ламбы гумифицированы в разной степени. Значения рН снижались соответственно увеличению гумификации (табл. 1). Самая высокая цветность (1500 в поверхностном слое воды и 2600 у дна) отмечена в дистрофной Крюкламбе, а наиболее низкие значения (5-200) - в олиготрофной и евтрофной Вороновской ламбе-1 и 2. Значительная цветность воды у дна (2500) зарегистрирована в евтрофной Корбламбе. По температурному режиму исследованные озера относились к димиктиче- ским. В придонных горизонтах температура была постоянно низкой, от 4 до 80С. Снижение температуры сопровождалось, как правило, уменьшением кислорода до нулевых значений в придонных слоях, за исключением Вороновской ламбы-2. В дистрофной Крюкламбе и евтрофной Куалике кислород исчезал на верхней границе гиполимниона. Неравномерное распределение по вертикали температуры, кислорода, закисных форм железа и марганца создавали четко разграниченные экологические ниши для благоприятного развития различных групп бактерий (Дубинина, 1976).Это наложило существенный отпечаток на специфику протекания микробиологических процессов в озерах. Распределение бактерий по вертикали было неравномерным (табл. 1). Минимальное их количество наблюдали в поверхностном слое воды, резкое увеличение - в слое термоклина и максимум - в придонных горизонтах. Это связано со скоплением в этих зонах детрита и отмершего фитопланктона. Автохтонное органическое вещество (ОВ) в исследованных ламбах образовывалось за счет фотосинтеза фитопланктона, а в мезотрофных и евтрофных озерах в верхней зоне ги- полимниона и за счет фотосинтезирующих серобактерий (табл. 2). Наиболее интенсивно фотосинтез водорослей протекал в поверхностном слое евтрофных неглубоких ламб Карасево и Куалика (до 290 мкгС/(л · сут)) (табл. 2). С глубиной он снижался и на 3.5 м составлял 50 мкгС/(л-сут) и 11 мкгС/(л· сут) соответственно. Бактериальный фотосинтез зарегистрировали в евтрофной Корбламбе на границе сероводородной зоны при резком снижении кислорода в условиях проникновения света.
В олигогумозных ламбах максимум фотосинтеза фитопланктона 65-70 мкгС/(л· сут) был определен в 3-х метровом слое воды, в полигумозной Крюкламбе при прозрачности 0.65 м он был отмечен у поверхности и снижался с глубиной. Деструкционные процессы шли более интенсивно по сравнению с первичной продукцией. Значительные величины (0.5 мгС/(л· сут) и 0.87 мгС/(л· сут)) зарегистрированы в евтрофных озерах Корбламба и Карасево на глубинах 0.2 и 3.0 м соответственно (табл. 2). В евтрофной Вороновской ламбе максимальная величина была отмечена в придонных горизонтах при содержании кислорода 1.5 мг/л. С меньшей скоростью распад ОВ происходил в оли- готрофной и мезотрофной ламбах. Биосинтетическая активность бактерий невысока в поверхностных слоях олиготрофной и дистрофной ламб. Темновая фиксация углекислоты в мезотрофной и в евтрофных мезогумозных ламбах увеличивалась от слоя термоклина до придонных горизонтов. В дистрофной ламбе бактериальная продукция превышала первичную продукцию в поверхностном слое воды, а в мезотрофной ламбе - по всей глубине водной толщи. В евтрофных ламбах наибольшая бактериальная продукция отмечена в термоклине.Таблица 1
Вертикальное распределение бактерий и физико-химических факторов в лесных ламбах Карелии
| Озеро | Глубина, м | Температура, 0С | Содержание О2, г/л | Цветность, 0 | ОЧБ, млн.кл./мл | Карбонаты, мгС/л |
| Крюкламба | 0.2 | 20.0 | 6.5 | 140 | 3.6 | 2.4 |
| 1.5 | 18.0 | 3.0 | - | 4.0 | 2.8 | |
| 2.0 | 14.5 | 1.1 | 150 | 3.5 | 8.2 | |
| 3.0 | 10.0 | 1.3 | - | - | 7.7 | |
| 3.5 | 8.5 | 0.5 | 150 | 2.7 | - | |
| 8.0 | 4.4 | 0 | 260 | 1.8 | 15.8 | |
| Вороновская-1 | 0.2 | 21.0 | - | 5 | 2.1 | 2.4 |
| 3.0 | 20.0 | 6.9 | 10 | 4.0 | 2.4 | |
| 5.0 | 16.0 | 6.9 | 10 | 1.1 | 2.4 | |
| 7.0 | 10.0 | 0.3 | 20 | 7.3 | 3.1 | |
| 13.0 | 5.0 | 0 | 35 | 3.1 | 1.9 | |
| Лесная ламба | 0.2 | 20.5 | 5.0 | 50 | 2.2 | 12.0 |
| 2.0 | 18.0 | 2.9 | 50 | 9.7 | 21.6 | |
| 4.0 | 7.0 | 0 | 130 | 2.5 | 29.7 | |
| Вороновская-2 | 0.2 | 19.5 | 6.5 | 20 | 4.6 | 2.4 |
| 3.0 | 18.5 | 4.0 | 20 | 2.1 | 8.2 | |
| 3.5 | 16.5 | 3.0 | 20 | 1.8 | 2.9 | |
| 4.5 | 12.0 | 1.5 | 20 | 5.6 | 4.8 | |
| Корбламба | 0.2 | 16.5 | 8.1 | 20 | 0.6 | 4.8 |
| 3.0 | 16.0 | 8.0 | 20 | 1.7 | 14.4 | |
| 4.0 | 10.0 | 0.2 | 200 | 4.3 | 45.0 | |
| 4.5 | 8.0 | 0 | 250 | 5.3 | 52.8 | |
| Куалика | 0.2 | 15.5 | 7.5 | 30 | 0.1 | 1.2 |
| 2.0 | 15.5 | 2.6 | 30 | - | 3.8 | |
| 3.0 | 14.3 | - | 30 | - | - | |
| 3.5 | 13.5 | 1.8 | 30 | 1.4 | 3.8 | |
| 4.0 | 9.5 | 1.4 | 30 | 2.6 | 7.0 | |
| 5.0 | 7.0 | 0 | 30 | 3.6 | 17.0 | |
| 6.0 | 5.0 | 0 | 30 | - | 17.3 | |
| 8.0 | 5.0 | 0 | 60 | 4.9 | 21.6 |
Примечание: ОЧБ - общая численность бактерий
Продукционно-деструкционные процессы в лесных ламбах Карелии
| Озеро | Тип трофии | Глубина, м | ФВ БФ Д ТА | |||
| мкгС/(л · сут) | ||||||
| Крюкламба | дистрофное | 0.2 | 59.0 | 0 | 160 | 2.7 |
| 1.5 | 2.6 | 0 | 290 | 1.2 | ||
| 2.0 | 4.4 | 0 | 180 | 1.2 | ||
| 3.0 | 1.7 | 0 | 0 | 2.0 | ||
| 8.0 | 0 | 0 | 0 | 5.0 | ||
| Вороновская-1 | олиготрофное | 0.2 | 65.1 | 0 | 90 | 1.2 |
| 3.0 | 70.0 | 0 | 60 | 0.7 | ||
| 5.0 | 15.5 | 0 | 40 | 0.4 | ||
| 6.0 | 0 | 0 | - | 0.2 | ||
| 7.0 | 0 | 0 | - | 0.4 | ||
| 13.0 | 0.6 | 0 | 13 | 0.5 | ||
| Лесная ламба | мезотрофное | 0.2 | 15.0 | 0 | 45 | 3.5 |
| 2.0 | 10.1 | 0 | 100 | 4.7 | ||
| 2.5 | - | 0 | - | 7.0 | ||
| 3.0 | 8.1 | 0 | - | 5.1 | ||
| 4.0 | 20.0 | 0 | - | 8.5 | ||
| Вороновская-2 | евтрофное | 0.2 | 67.0 | 0 | 180 | 3.0 |
| 2.0 | 38.0 | 0 | 100 | 1.1 | ||
| 3.5 | 7.2 | 0 | 100 | 3.5 | ||
| 4.5 | 7.4 | 0 | 270 | 5.4 | ||
| Корбламба | евтрофное | 0.2 | 58.6 | 0 | 430 | 2.8 |
| 3.0 | 31.0 | 44 | 550 | - | ||
| 3.5 | 95.0 | 128 | 120 | 7.0 | ||
| 4.5 | 0 | 33 | 0 | 5.0 | ||
| Куалика | евтрофное | 0.2 | 213.0 | 0 | 130 | 2.3 |
| 3.5 | 11.0 | 0 | 130 | - | ||
| 4.0 | 2.0 | 2.0 | 300 | 10.0 | ||
| 5.0 | 2.0 | 0 | 0 | 11.0 | ||
| Карасево | евтрофное | 0.2 | 287.0 | 0 | 870 | 7.4 |
| 3.0 | 29.5 | 34 | 570 | 28.5 | ||
| 3.5 | 54.0 | 71 | 0 | 71.0 | ||
Примечание: Ф - фотосинтез водорослей; БФ - бактериальный фотосинтез; Д - деструкция; ТА - темновая ассимиляция; "- " - отсутствие данных
В придонных слоях воды и донных отложениях озер мы изучали процесс бактериальной ре - дукции сульфатов, играющий важную роль на терминальных этапах анаэробной деструкции ОВ. Основными факторами, влияющими на численность и активность сульфатредуцирующих бактерий, являются: содержание ОВ, температура, концентрация сульфатов и окислительно-восстановительные условия (Кузнецов и др., 1985; Gibson, 1990).
По данным Буторина (1991), в иловых отложениях озер Карелии содержание общего органического углерода колебалось от 7.5 до 10.8 мг/г сырой навески, количество углерода усвояемых фракций варьировало от 1.2 до 3.0 мг/г (табл. 3). Наиболее низкие величины окислительно-восстановительного потенциала (Eh и rH2) отмечены в евтрофных озерах, более высокие - в илах олиготрофной (Вороновская-1) и мезотрофной (Габозеро) ламб. В придонном слое воды большинства озер кислород отсутствовал или его концентрация не превышала 1.5 мг/л.В илах озер содержалось от 8.8 до 15.4 мгБ/кг сырого ила сульфатов, и только в Корбламбе их было 42.8 мгБ/кг (табл. 4). В олиготрофном озере в воде сероводород не был обнаружен, в евтрофных он содержался в количестве до 15 мгБ/л. В илах олиготрофной и мезотрофной ламб концентрация сульфидов изменялось от 0 до 27 мгБ/кг, в евтрофных же достигало значительных величин: 100 мгБ/кг в Куалике и 175 мгБ/кг ила в Корбламбе. По данным Дубининой (1976), в малых ламбах Карелии закисные формы железа содержались в количестве до 4 мг/л и марганца до 1 мг/л. В таких озерах, обогащенных солями закисного железа и обедненных сульфатами, сероводород связывается в нерастворимые сульфиды железа и осаждается (Горленко и др., 1977).
Физико-химическая характеристика донных отложений озер
| Озера | рН | Eh, мВ | rH2 | Влажность, % | О2 у дна, мг/л | Собщ, мг/г | 1С усв , мг/ г | Потери при прокаливании, % |
| Крюкламба | 5.0 | +50 | 1 1 .7 | 96.7 | 0 | 8.4 | 1.2 | 68.9 |
| Вороновская-1 | 5.8 | +150 | 1 6.8 | 97.1 | 0.4 | - | - | 91.2 |
| Габозеро | 6.4 | +170 | 1 8.7 | 87.8 | 1.2 | 1 0.1 | 3.0 | 21.5 |
| Вороновская-2 | 5.9 | - | - | 97.9 | 1.5 | 7.7 | 1.2 | 91.3 |
| Корбламба | 6.6 | +15 | 1 3.7 | 96.0 | 0 | 9.4 | 1.8 | 50.2 |
| Куалика | 6.4 | -40 | 1 1 .4 | 95.6 | 0 | 1 0.8 | 1.6 | 61.5 |
| Карасево | 5.8 | +10 | 1 1 .9 | 87.8 | 0 | 7.5 | 1.5 | 91.3 |
Примечание: 1 - данные Буторина (1991); «-» - отсутствие данных
Таблица 4
Процесс бактериальной редукции сульфатов в донных отложениях озер
| Озеро | Содержание сульфатов, MrS/кг | Содержание сероводорода | Численность СРБ | Скорость сульфатредукции, MrS/(Kr · сут) | ||
| вода, MrS/л | ил, MrS/кг | вода, тыс.кл./мл | ил, тыс. кл./г | |||
| Крюкламба | 13.7 | 7.4 | 1 9.0 | 0.07 | 12.5 | 0.020 |
| Вороновская-1 | 8.8 | 0 | 27.2 | - | 50.0 | 0.140 |
| Габозеро | 15.4 | 1.9 | 0 | 0.01 | 5.0 | 0.010 |
| Вороновская -2 | 14.3 | 0.7 | 5.4 | 0.5 | 12.5 | 0.241 |
| Корбламба | 12.6 | 1 4.9 | 175.4 | 0.1 | 50.0 | 0.054 |
| Куалика | 42.8 | 3.3 | 99.3 | 4.0 | 650.0 | 0.072 |
| Карасево | 9.3 | 4.5 | 1 7.7 | 3.0 | 1 50.0 | 0.505 |
Примечание: СРБ - сульфатредуцирующих бактерий
Численность сульфатредуцирующих бактерий в придонных слоях воды (3-4 тыс. кл./мл) и донных отложениях (150-650 тыс. кл./г ила) была самой высокой в евтрофных ламбах Куалика и Карасево. Наибольшие скорости процесса сульфатредукции также зарегистрированы в евтрофных
ламбах - до 0.5 μγΞ/(κγ· сут) (оз. Карасево).
На формирование микробных сообществ в лесных ламбах влияют несколько факторов: температура, кислород, свет, железо и марганец.
Изменение температуры по глубине обусловливает создание аэрированного эпилимниона, слоя температурного скачка и анаэробной зоны гиполимниона. Характеризуя микрофлору на основании изучения только морфологических признаков под электронным и световым микроскопами, мы наблюдали некоторые особенности распределения микроорганизмов в отдельных экологических зонах. В эпилимнионе олиготрофной и мезотрофной ламб, где протекал фотосинтез фитопланктона, основная часть бактерий представлена кокковидными формами с размерами 0.1-0.3 мкм и мелкими палочками 0.2-0.5 мкм. В Вороновской ламбе с низкой минерализацией и цветностью и высокой прозрачностью воды (7 м) находили нитчатые стебельковые формы. Доминировали более крупные по размеру клетки 1.7-2.2 мкм и каулобактерии. В евтрофных озерах при значительном фотосинтезе у поверхности присутствовали более разнообразные формы, нежели в олиготрофных и ме- зотрофных. Обнаружены спириллы с биполярными выростами, микоплазмоподобные нити, банальные формы. Наблюдалось массовое развитие почкующихся бактерий р. Planctomyces, которые составляли 4% от ОЧБ (Дубинина, 1976). Caulobacter встречался в зоне термоклина ряда озер, где температура была в пределах 10-140С и содержание кислорода до 1 мг/л. Здесь отмечали и наибольшее разнообразие бактериальных форм. Так, в микроаэрофильной зоне Лесной ламбы, где содержалось до 5 мг/л закисного железа, зарегистрировали в значительных количествах скользящие ожелезненные нити, крупные сферические формы, большинство из которых относилось к роду Arthrobacter. Глубже, в зоне гиполим- ниона, в условиях проникновения света и наличия сероводорода, развивались фототрофные серобактерии. Здесь также было зафиксировано наличие микоплазменных кокковидных форм рода Siderococcus, которые были сосредоточены на клетках других бактерий (Лаптева, 1983). В зоне термоклина и гипо- лимниона евтрофных ламб наблюдали специфичные бактерии. Так, в Корбламбе находили пластинки палочковидных клеток до 16 мкм, скользящие нитчатые бактерии, зеленые серные бактерииChloroplana, Pelochromatium, клетки с газовыми вакуолями. В придонном слое обитали спирохеты, крупные палочковидные формы. Специфичные бактериальные формы находили в микроаэрофильных и анаэробных зонах евтрофных ламб Карасево и Куалика. К ним относились клетки бактерий, имеющие выросты, нитчатые и простекатные формы, фототрофные бактерии, Pelodictyon, Ancalochloris,
Chlorochromatium. В полигумозной Крюкламбе находили, в основном, банальные формы, а в придонных горизонтах споровые и скользящие бактерии.
Численность и распределение гетеротрофных микроорганизмов также тесно связаны с типом трофно- сти озер и их с физико-химической характеристикой. Так, численность сапрофитных и олиготрофных бактерий была невысокой в менее продуктивных водоемах, где первые составили от 0.2-0.8 тыс.кл./мл. Олиго- трофных бактерий было учтено от 0.1 до 10.0 тыс. кл./мл с максимумом в зоне эпилимниона. В евтрофных ламбах число сапрофитных микроорганизмов варьировало от 5 тыс.кл./мл до 13 тыс. кл./мл, а олиготрофные бактерии составили от 10 тыс.кл./мл до 100 тыс.кл./мл. Их наибольшие величины постоянно учитывали в придонных горизонтах воды. В полигумозной Крюкламбе число сапрофитных бактерий снижалось с глубиной от 1.0 тыс.кл./мл в эпилимнионе до 0.4 тыс.кл./мл в придонной воде. Олиготрофные бактерии составили 1.0 тыс.кл./мл в поверхности с повышением в зоне термоклина до 10.0 тыс.кл./мл.
Таким образом, выбранные нами сроки анализов (август) дали возможность наблюдать градации температуры, кислорода, железа, марганца и сероводорода в димиктических озерах и изучить структурнофункциональные особенности распределения микроорганизмов в разных экологических зонах. Развитие гетеротрофных бактерий зависело от лабильного ОВ, которое, в основном, продуцировали водоросли, и от температуры, резкое изменение которой, как правило, сопровождалось увеличением их численности. Для исследованных ламб характерен низкий фотосинтез водорослей. В евтрофных озерах фотосинтез осуществляли и фототрофные серобактерии. Их экологическая ниша располагалась чаще всего в верхнем слое гиполимниона и придонном слое при наличии света, сероводорода и при дефиците кислорода или его отсутствии. Детальный анализ фотосинтезирующих бактерий другими авторами (Горленко и др., 1977) показал, что даже в пределах одной экологической ниши развитие определенных их групп зависит от того, какие они имели фотосинтезирующие пигменты. Деструкционные процессы в десятки и сотни раз превышали продукционные в зависимости от трофности озера и экологической зоны развития фитопланктона. Биосинтетическая активность бактерий была характерна для слабо гумифицированных озер. Максимальные ее величины также зависели от расположения экологических зон. Незначительная скорость сульфатредукции обьясняется, очевидно, дефицитом лабильного ОВ. Невысокое содержание сероводорода в большинстве озер может быть связано с активным развитием фототрофных бактерий, которые его окисляют. В целом, на формирование микробных сообществ и их функционирование оказывают влияние внешние факторы: свет, температура, содержание кислорода, соединений железа и сероводорода.
Литература
Алекин О. А., Семенов А. Д., Скопинцев Б. А., 1973. Руководство по химическому анализу вод суши. Л.: Гидрометеоиздат. 270 с.
Буторин А. Н., 1991. Бактерии и бактериальные процессы на границе донные отложения - вода в пресных водоемах: Автореф. дис канд. биол. наук. М. . 29 с.
Горленко В. М.,. Дубинина Г.А., Кузнецов С. И., 1977. Экология водных микроорганизмов. М.: Наука. 289 с.
Дубинина Г. А., 1976. Изучение экологии железобактерий пресных водоемов // Изв. АН СССР. сер. Биол. №
4. С. 575-592.
Кузнецов С. И., Саралов А. И., Назина Т. Н., 1985. Микробиологические процессы круговорота углерода и азота в озерах. М.: Наука. 213 с.
Лаптева Н. А., 1976. Электронно-микроскопическое изучение микрофлоры Рыбинского водохранилища // Микробиология. Т. 45. С. 547-550.
Лаптева Н. А., 1983. Электронная микроскопия микроорганизмов из лесных ламб Карелии // Микробиология. Т. 52, № 1. С. 114-118.
Романенко В. И., Кузнецов С. И., 1974. Экология микроорганизмов пресных водоемов. Л.: Наука. 194 с.
Романенко В. И., Рыбакова И. В., Соколова Е. А., Лайош Вереш., 1990. Вариант диффузного метода определения свободной углекислоты, карбонатов и сульфидов в воде и донных отложениях в закрытом сосуде // Гидробиол. журн. Т. 26, № 5. С. 64-69.
Харкевич Н. С., 1960. Материалы по малым лесным озерам (ламбам Карелии) // Труды Карельского филиала АН СССР. вып. 27. С. 70-133.
Gibson G. R., 1990. Physiology and ecology of the sulfate-reducing bacteria // Journal of Applied Bacteriology. V. 69. P. 769-797.
STRUCTURAL AND FUNCTIONAL DIVERSITY OF MICROORGANISMS IN SMALL FOREST LAKES OF KARELIA
N.A. Lapteva, E.A. Sokolova
Papanin Institute for Biology of Inland Water, Russian Academy of Sciences,
Borok, Yaroslavl reg., Russia, е-mail: lap@ibiw.yaroslavl.ru
Structural and functional diversity of microorganisms was studied in small lakes of Karelia subjected to different effect of marsh waters. Uneven distribution of temperature, O2, Mn2+, Fe 2+ and hydrogen sulfide created different ecological zones for microorganism development. In the epilimnion of eutrophic small lakes the phytoplankton production amounted to 0.2-0.3 mgC/(l day) and destruction 0.50.8 mgC/(l day). Under light conditions on the boundary of H2S and O2 contact the bacterial photosynthesis occurred. Lakes with high color of water were characterized by low photosynthesis and high destruction. Abundance of bacteria and their biosynthetic activity in lakes increased with depth and were minimal in the epilimnion. The highest diversity of bacteria was marked in microaerophillic zone of the thermocline and hypolimnion of eutrophic lakes where phototrophic and iron bacteria, micoplasmic, sliding and prostecobacteria were found. Sulphate reducing bacteria developed in the near bottom layer and silts reaching their maximum in eutrophic small lakes, where the highest rates of sulphate reduction up to 0.5 mgS/(kg day) were recorded.