Об изучении механизма взаимодействия штамма Chlorella vulgaris ИФР №С-111 с сообществами синезеленых водорослей поверхностных водоемов в окрестностях Екатеринбурга
Об изучении механизма взаимодействия штамма Chlorella vulgaris ИФР №С-111 с сообществами синезеленых водорослей поверхностных водоемов в окрестностях Екатеринбурга
*А. Н. Попов, Е. А. Бутакова, Т. Е. Павлюк, pan1944@rambler.ru
В. В. Кульнев , abt-vrn@yandex.ru
*Федеральное государственное унитарное предприятие Российский научно-исследовательский институт комплексного использования и охраны водных ресурсов (ФГУП РосНИИВХ), Екатеринбург, Россия
ООО Научно-производственное объединение «Альгобиотехнология», Воронеж, Россия
«Цветение» пресных континентальных водоемов является одной из самых негативных и наиболее распространенных экологических проблем. «Цветением» воды считают массовое развитие одного или двух-трех планктонных видов водорослей, сопровождающееся значительным ухудшением качества воды, затрудняющее хозяйственное использование водоема и представляющее опасность для здоровья человека и животных [4].
В подавляющем большинстве случаев подобного массового развития достигают представители нескольких родов синезеленых водорослей [1], таких как Anabaena, Microcystis, Aphanizomenon, Oscillatoria, Coelosphaerium, Woronichinia и некоторых других. Проблема «цветения» наиболее остро возникает в искусственно созданных водоемах с источниками техногенного и бытового поступления дополнительных минеральных и органических веществ [3].
Развитие водорослей во время «цветения» достигает внушительного уровня: их биомасса может составлять 1 – 2 г/дм3 , в местах скоплений 5 – 7 г/дм3 , а в пятнах «цветения» на поверхности воды может доходить до 50 – 70 г/дм3[2].
Снижение качества воды при возникновении массового развития синезеленых водорослей заставляет искать способы борьбы с «цветением». В настоящее время известно несколько методов борьбы с массовым развитием цианобактерий. Их можно разделить на три группы – физические, химические и биологические. Методы, входящие в последнюю группу признаются специалистами как наиболее перспективные и, зачастую, экономически более обоснованными.
Среди биологических методов борьбы с «цветением» в настоящее время известны: использование вирусов синезеленых водорослей LPP – 1, LPP – 1A (этот метод в настоящее время не применяется, потому что данные вирусы могут быть опасны для людей); заселение водоемов растительноядными рыбами, такими как тиляпия, белый амур, белый и пестрый толстолобики (однако, показано, что при применении данного метода «цветение» может даже усиливаться); использование высшей водной растительности (показано, что макрофиты конкурируют с водорослями за биогенные вещества, выделяют кислород и затеняют ниже лежащие слои воды, их метаболиты проявляют фитоцидные свойства. Однако этот метод подходит для небольших водоемов, и при этом фитомассу макрофитов следует удалять, что является непростой задачей) [4].
Основная теоретическая идея метода коррекции альгоценоза – изменить структуру фитопланктонного сообщества, то есть сместить соотношение зеленых и синезеленых водорослей в сторону зеленых, развитие которых препятствует возникновению «цветения». С этой целью предлагается вводить в водоем штамм Chlorella vulgaris ИФР №С-111, проявляющий себя более активно по сравнению с аборигенными видами планктонных зеленых водорослей. Иными словами, предполагается, что в основе метода альголизации лежат экологические механизмы взаимодействия популяций микроскопических планктонных водорослей.
Метод коррекции альгоценоза в настоящее время применяется на практике и дает положительные результаты в предотвращении массового развития синезеленых водорослей, однако, до сих пор не изучен механизм воздействия изучаемого штамма хлореллы на звенья водной биоты, в связи с чем, возможно несколько альтернативных гипотез по данному вопросу.
Целью исследования является – проверка различные возможные гипотезы о механизме взаимодействия Chlorella vulgaris ИФР №С-111 с сообществами синезеленых водорослей.
Были сформулированы следующие гипотезы и спланированы соответствующие эксперименты для их проверки:
1. Штамм Chlorella vulgaris ИФР №С-111 в процессе своей жизнедеятельности подавляет развитие синезеленых водорослей.
2. Штамм Chlorella vulgaris ИФР №С-111 выделяет в процессе жизнедеятельности экзометаболиты, подавляющее развитие синезеленых водорослей (аллелопатия).
3. Штамм Chlorella vulgaris ИФР №С-111 конкурирует с синезелеными водорослями путем более активного поглощения биогенных элементов из воды, лимитируя развитие синезеленых водорослей.
В соответствии с выдвинутыми гипотезами, задачами исследования являются:
проанализировать культуру хлореллы: вычислить концентрацию клеток, определить характер веществ, содержащихся в клеточной массе и в культуральной жидкости;
провести эксперименты для проверки разных гипотез механизма действия хлореллы – биотесты на культурах синезеленых водорослей из водоемов окрестностей г. Екатеринбурга, наблюдения за скоростью потребления биогенных элементов, поглощения тяжелых металлов (медь и цинк) и влияния хлореллы на их концентрацию в воде;
выделить ведущие (достоверные) механизмы во взаимодействии хлореллы и синезеленых водорослей.
Влияние культуры хлореллы на развитие синезеленых водорослей было протестировано на одиннадцати культурах цианобактерий, полученных в конце января 2012 года из коллекции CALU (коллекция Музея живых культур микроорганизмов СПбГУ, г. Санкт-Петербург).
Приведем список полученных культур, в котором номер обозначает идентификатор данной культуры, под которым она значится в коллекции Музея): № 303. Oscillatoria subbrevis Schmidle, str. Lefevre; №535. Synechococcus sp., str. Gromov 1969; № 657. Oscillatoria ef. splendida Grev., str. Komárek 1964; № 660. Oscillatoria formosa Bory., str. Komárek 1963; № 729. Oscillatoria sp., str Gromov 1973; № 799 Anabaena spiroides Kleb., str. Alimov 1980; № 902 Oscillatoria sp., str Gromov 1988; № 972 Microcystis aeruginosa Kuetz., str Gromov 1990; № 1414 Oscillatoria sp., str. Н. Н. Титова; № 1415 Oscillatoria sp., str. Н. Н. Титова; № 1416 Oscillatoria sp., str. Н. Н. Титова.
Культуры представляют различные жизненные формы цианобактерий: одноклеточные колониальные (Synechococcus sp; Microcystis aeruginosa), нитчатые без гетероцист (различные виды Oscillatoria) и нитчатые с гетероцистами (Anabaena spiroides). Отличительной физиологической чертой синезеленых водорослей с гетероцистами является способность фиксировать газообразный азот круглосуточно, а не только в темное время. Проведение экспериментов осуществлялось в соответствии с общепринятыми методиками.
В результате проведенного исследования установлено, что между культурой штамма Chlorella vulgaris ИФР №С-111 и синезелеными водорослями возможны более или менее антагонистические взаимодействия. В более редких случаях культура хлореллы способна оказывать на некоторые виды не ингибирующее, а стимулирующее действие.
Хлорелла способна успешно конкурировать с синезелеными водорослями, при условии, что плотность ее клеток сравнима с плотностью последних (или даже превосходит), а условия среды подходят для ее развития. В этих условиях хлорелла активно размножается, поглощает биогенные элементы и подавляет развитие синезеленых водорослей.
Культура хлореллы в небольших концентрациях не оказывает желаемого эффекта, возможно, в силу того, что не выделяет сильных ингибиторов. Вещества, выделяемые хлореллой, могут стимулировать развитие других групп водорослей, например, зеленых хлорококковых, меняя структуру альгоценоза. Культура хлореллы в активном состоянии способна снижать концентрацию тяжелых металлов, таких как медь (2+) и цинк (2+).
Что касается проверки достоверности высказанных гипотез относительно механизмов взаимодействия хлореллы и синезеленых водорослей, можно сделать следующие заключения:
Гипотеза 1 – штамм Chlorella vulgaris ИФР №С-111 в процессе своей жизнедеятельности подавляет развитие синезеленых водорослей. Серия тестов показала, что синезеленые водоросли по-разному реагируют на присутствие культуры штамма Chlorella vulgaris ИФР №С-111. Среди изученных культур синезеленых водорослей наиболее отрицательное влияние хлорелла оказала на культуры: №657 Oscillatoria ef. splendida, №729 Oscillatoria sp.,№1414 Oscillatoria sp. Перечисленные культуры синезеленых водорослей погибали. Остальные культуры смогли через некоторое время адаптироваться к ее присутствию и даже начать развиваться. Было обнаружено, что культура хлореллы оказывает на культуру № 972 (Microcystis aeruginosa) ингибирующее, а на культуру № 535 (Synechococcus sp.) стимулирующее действие. Гипотеза подтверждена для отдельных видов синезеленых водорослей.
Гипотеза 2 – Chlorella vulgaris ИФР №С-111 выделяет в процессе жизнедеятельности экзометаболиты, подавляющие развитие синезеленых водорослей. Серия тестов продемонстрировала, что наиболее эффективно хлорелла подавляет развитие цианобактерий в большой концентрации, когда плотности сопоставимы, или плотность хлореллы превышает плотность синезеленых водорослей. При таких условиях хлорелла успешно размножается и подавляет развитие синезеленых водорослей. В остальных соотношениях действие более непредсказуемо, и по всей вероятности, зависит от общего состава, плотности и состояния альгоценоза. В том случае, если есть предпосылки, вещества, которые содержатся в культуральной жидкости хлореллы могут стимулировать развитие других групп водорослей (например, зеленых хлорококковых), Гипотеза подтверждена для высокой плотности культуры хлореллы (около 14 млн. кл./мл) при взаимодействии с естественным сообществом синезеленых водорослей. Гипотеза не подтверждена для низкой плотности хлореллы (около 2,8 млн. кл./мл). Гипотеза не подтверждена для экзометаболитов культуральной жидкости хлореллы при отсутствии клеток самой водоросли.
Гипотеза 3 – Chlorella vulgaris ИФР №С-111 конкурирует с синезелеными водорослями путем более активного поглощения биогенных элементов из воды, лимитируя развитие синезеленых водорослей. Серия экспериментов продемонстрировала, что средняя скорость поглощения биогенных элементов клетками хлореллы достоверно выше, чем клетками синезеленых водорослей. Скорость поглощения максимальна в период снижения численности клеток в суспензии. Гипотеза подтверждена в отношении скорости поглощения биогенных веществ.
Таким образом, путем анализа полученных экспериментальных данных удалось выделить главные механизмы во взаимодействии хлореллы штамма Chlorella vulgaris ИФР №С-111 и синезеленых водорослей.
Список литературы:
1. Андреюк Е. И., Цианобактерии.// Е. И. Андреюк, Ж. П. Коптева, В. В. Занина – Киев: Наук. Думка, 1990. – 200 с.
2. Вассер С. П. Водоросли. Справочник // С. П. Вассер, Н. В. Кондратьева, Н. П. Масюк, и др. - Киев: Наук. Думка, 1989. – 608 с.
3. Локоть Л. И. Эвтрофирование малых водохранилищ // Л. И. Локоть, В. П. Горлачев, Е. П. Горлачева и др.- Новосибирск, Наука, 1985. – 160 с.
4. Сиренко Л. А., Гавриленко М. Я. «Цветение» воды и эвтрофирование. – Киев: Наук. Думка, 1978. – 232 с.
Страницы статьи в сборнике 328-333