Бактериобентос наилка в Приплотинном плесе Куйбышевского водохранилища

поставщиком детрита, обеспечивает жизнедеятельность микроорганизмов [3]. В наилке концентрируется детрит, который является одним из источников питания бактериобентоса [4]. Микроорганизмы исключительно чувствительны к изменениям внешней среды. Поэтому реакцией бактериобентоса на изменение физикохимических условий по вертикали должны быть различия его структуры в наилке и в подлежащем более плотном донном слое.

Исследования бактериобентоса в Куйбышевском водохранилище проводились с начала его заполнения в 1957 г. до 1997 г., затем были приостановлены и после 13-ти летнего перерыва вновь продолжены по настоящее время. Многими авторами изучались различные аспекты структуры и функционирования бактериобентоса водохранилища [5-11, 20], но наилок как среда обитания бактериобентоса не изучался. Особый интерес представляет микрозона наил-ка в переходном биологически активном слое, формирующимся между взвесью и уже плотным осадком. Этот горизонт представляет собой жидкий ил, для которого характерна недостаточная стабильность в результате сноса поверхностных слоев токами воды и перемещения частиц относительно друг друга. Ниже располагается зона превращения, т.е. донный осадок, который находится на небольшой глубине от поверхности ила, ограниченный сверху горизонтом стабилизации, где прекращается механическое влияние волнения, и частицы ила переходят в состояние покоя [12].

Цель данной работы – исследовать количественную и размерно-морфологическую структуру, а также закономерности пространственного распространения бактериобентоса в наилках (переходной микрозоне взвеси в осадок, т.е. жидкий ил) Приплотинного плеса Куйбышевского водохранилища, провести анализ бактериобентоса в системе «наилок – донный осадок».

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Материалы для исследований были получены во время проведения комплексной экспедиции НИС «Биолог» ИЭВБ РАН в осенний период с 14.09 по 3.10.2020 г. в Приплотинном плесе Куйбышевского водохранилища. Для отбора проб донных отложений использовали микробен- тометр С-1 (производство экспериментальной мастерской ИБВВ, п. Борок), который позволяет сохранять структуру грунтовой колонки. Всего исследовано 17-ть станций (рис. 1).

Наилок отбирали с верхних подвижных горизонтов донных отложений, насыщенных водой (0,5-1 см) на границе перехода взвеси в твердую фазу, представляющую собой жидкий ил. Параллельно проводили отбор проб с поверхностных горизонтов донных осадков (1-2 см), где прекращается механическое влияние волнения, и частицы ила переходят в стадию покоя, т.е. зону стабилизации.

При отборе проб в наилках измеряли температуру и активную реакцию среды (рН) с помощью портативного прибора рН-METR № 5123. В лабораторных условиях определяли содержание органического вещества (по потерям при прокаливании – ППП, %) [13]. Гранулометрический анализ наилков проводили влажным просеиванием через сита и методом осаждения [14, 15] с выделением следующих размерных фракций: крупный песок >1 мм, средний и мелкий песок 1,0-0,1 мм, алеврит 0,1-0,01 мм, пелит <0,01 мм [14]. Идентификацию типов грунтов производили по: [14, 16].

Во время отбора грунтовой колонки отбирали пробы на общую численность бактерий, в течение часа производили посевы на сапро-

Рис. 1. Расположение станций отбора наилка в Приплотинном плесе Куйбышевского водохранилища в сентябре 2020 г. Типы илов: I – пески, II – илистые пески, III – серые алевритовые, мелкоалевритовые илы, IV – серые алевритовые илы, алевритовые илы с дрейсеной, алевритовые илы с водорослевым наилком.

фитную группу бактериобентоса. Определение общей численности и биомассы бактерий проводили методом флуоресцентной микроскопии с использованием флуоресцеинизотиоциoната (FITC) [17]. Микробиологический анализ на-илков проводили по аналогичной методике с грунтами: фиксировали 25%-ным раствором глутаральдегида до конечной концентрации 2,5 %. Фиксированную и суспензированную пробу объемом 0,5 мл из разведения 1:1000 фильтровали через ядерные фильтры с диаметром пор 0,2 мкм (производство ОИЯИ РАН, г. Дубна), окрашенные суданом черным. Подсчет и измерение размеров бактериальных клеток проводили с помощью микроскопа Leica DM5500B при увеличении ×1000 в 20-ти полях зрения. Морфологию бактерий учитывали при соотношении длины и ширины клеток: кокки (<1,2), кокко-бациллы (1,2-1,8), палочки (1,8-10), нити (>10) [18]. Определяли следующие размерные классы бактерий (мкм): 0,2-1; 1-2; 2-5; 5-10; >10. Объем кокков, коккобацилл и палочек вычисляли по геометрическим формулам для объемов шара, эллипсоида и цилиндра. Было промерено более 500 клеток. Сапрофитные бактерии учитывали методом глубинного посева на агаризованную среду РПА [19]. Подсчет колоний проводили после 10-дневного культивирования при комнатной температуре, численность колоний выражали в КОЕ/мл. Микроскопический анализ наилка производили на бинокуляре МБС-10 при увеличении × 200. Статистическую обработку данных проводили с помощью программы Excel-2010.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Общая характеристика наилка. В Припло-тинном плесе наилок представлен полужидкой илово-алевритовой взвесью, расположенной на поверхности донных отложений. По сравнению с подлежащим более плотным донным осадком в наилке полностью отсутствует фракция крупного песка (>1 мм) и увеличивается процентное содержание тонкодисперсных – алевритовой и пелитовой фракций (таблица). Наилок по сравнению с поверхностными донными слоями насыщен водой, поэтому является более подвижной субстанцией, активно реагирующей на внешние воздействия.

Температура в наилках на мелководных участках составляла 12,0-15,5 °С, в глубоководных – снижалась до 3,1-18,0 °С, активная реакция среды рН изменялась от 7,3 до 7,7. Наилок наиболее обогащен органическим веществом по сравнению с подлежащим донным осадком (таблица). Это объясняется тем, что из водной толщи наилок в первую очередь снабжается детритом, обладающим высокой адсорбционной способностью и являющимся центром аккумуляции на своей поверхности растворенного органического вещества [4]. Содержание органического вещества в наилках изменялось в разных типах грунтов и на разных глубинах: на мелководьях в песках и илистых песках его концентрация составляла 0,8-4,5 %, в глубоководных серых илах – увеличивалась до 7,8-12,7%.

Цвет наилка в зависимости от химического состава и седиментационного материала более разнообразный по сравнению с поверхностными слоями донных отложений. Наилки в осенний период характеризовались серым, светло-серым или коричнево-серыми цветами. Локально (на правом берегу) формировались наилки коричневых оттенков (окисленные) с оливковыми включениями, и водорослевым детритом зеленого цвета.

Микроскопический анализ наилка обнаружил наличие тонкого мельчайшего детрита, мелких нитевидных фрагментов водной растительности, разложившихся остатков зоопланктона, фрагментов панцирей диатомей и колоний синезеленых водорослей.

Пространственное распределение бактериобентоса в наилке. В наилках Приплотин-ного плеса общая численность бактерий варьировала от 1,39×10⁹ до 9,86×10⁹ кл/мл сырого ила, биомасса – от 0,08 до 1,91 мкг/г (рис. 2).

Минимальные численности (1,32-1,64×109 кл/мл) и биомассы (0,11-0,12 мкг/мл) бактерий регистрировались в песках на мелководьях левого берега, в заиленных песках и алевритовых илах Климовской узости на ст. В3, В6 (N = 1,39-2,87×109 кл/мл, В = 0,14-0,23 мкг/мл). В песчанистых отложениях на участках условно-чистых и ливневых стоков и интенсивной рекреационной нагрузки (пляжи, лодочная станция, причал) и

Таблица. Гранулометрический состав и содержание органического вещества в наилке и в донном осадке Приплотинного плеса осенью 2020 г. (средние значения ± доверительный интервал)

	Гранулометрический состав: содержание частиц, %				ОВ,%
	крупный песок >1 мм	средний и мелкий песок 1-0,1 мм	алеврит 0,1-0,01 мм	пелит <0,01 мм
Наилок	отсутствует	50,04±11,92	33,90±8,62	16,06±5,70	8,0±0,83
Донный осадок [20]	0,19±0,50	61,71±19,03	27,43±13,89	10,67±6,08	6,6±0,81

I--1 СБ^ОЧБ -♦—Вмкг/кг

Рис. 2. Общая численность бактерий (N,×10⁹кл/мл), биомасса (В, мкг/г) и численность сапрофитных бактерий (CБ) (N,×10⁵КОЕ/мл) в наилках в Приплотинном плесе Куйбышевского водохранилища в сентябре 2020 г.

вдоль левого берега до плотины численность бактерий увеличилась до 6,06-9,89×109 кл/мл, биомасса – до 0,64-1,24 мкг/мл.

В глубоководных серых алевритовых илах в центральной зоне Приплотинного плеса численность и биомасса бактерий достигали наибольших значений – 7,5-8,8×109 кл/мл и 1,55-1,88 мкг/мл, соответственно.

На правом русловом берегу в алевритовых илах, в генезисе которых участие принимают породы мергелей и доломитов (ст. 5), численность и биомасса бактерий не велика и составляла 2,8×109 кл/мл и 0,23 мкг/мл, соответственно (рис. 2). После впадения р. Уса на участке влияния Усинского залива (ст. 8, 12) количественные характеристики бактерий стали возрастать (N=9,21×109 кл/мл, В=1,91 мкг/мл). По направлению к плотине (ст. 14, 16) регистрировалось снижение численности бактерий до – 7,15×109 кл/ мл, и соответственно биомассы – до 0,68 мкг/мл.

Положительные корреляции (при р<0,05) указывают на тенденции увеличения численности бактерий наилка с повышением содержания органического вещества (r = +0,59), пелитовых частиц (r = +0,38) и температуры (r = +0,53).

Таким образом, в наилках бактерии достигают максимального развития в тонкодисперсных серых глубоководных илах центральной зоны плеса и в зоне Усинского залива на правом берегу, где с речным стоком приносятся органическое вещество, детрит и масса питательных веществ. Около плотины численность и биомасса бактерий снижаются, по-видимому, в результате активного динамического перемешивания водных масс.

Размерная структура бактериобентоса. В составе осеннего наилка преобладали бактериальные клетки линейных размеров 0,2-0,5 мкм. Их процентное содержание в общей численности бактерий составило в среднем 61,28±6,73%.

Бактерии размерных классов 0,5-1 мкм и <0,02 мкм составляли 29,42±8,79% и 8,68±3,29%, соот-вественно. Более крупные бактерии >1-100 мкм, включая нитевидные клетки, встречались редко и не превышали 0,42% в общей численности.

Как в прибрежных, так и в профундальных наилках доминировали бактериальные клетки объемом 0,025-0,100 мкм3, которые составили 29,87±2,09% от общей численности бактерий. Вклад мелких клеток с объемами 0,01-0,025 мкм3 составил 7,0±1,51%, а более крупных с объемами 0,1-0,2 мкм3 – 2,74±0,81%. Процентное содержание очень мелких и очень крупных, а также нитевидных клеток было минимальным – 0,18-0,05%.

В морфологической структуре наилка преобладали палочки. В среднем по плесу доля палочек в общей численности бактерий составила 77,37±5,91 %, коккобацилл – 19,68±5,31 %, кокков – 2,59±0,97 %, нитей – 0,36±0,32 %.

Морфологическая структура бактериобентоса в зависимости от глубины изменялась следующим образом. На мелководье и на глубине регистрировалось практически одинаковое процентное содержание кокковых форм. Доля коккобацилл увеличивалась в мелководных литоральных осадках, а доля палочек – в профундальных глубоководных илах.

Корреляционный анализ морфологического состава бактериобентоса наилка показал небольшие положительные корреляции нитей с содержанием гуминового вещества (r = +48), пелита (r = +0,34) и с температурой (r = +0,36).

Сапрофитные бактерии наилка. Численность сапрофитных бактерий варьировала от 3,2×10⁵ до 11,1×10⁵ КОЕ/мл. Обнаружено увеличение численности сапрофитов от левого берега (6,03±0,93×10⁵ КОЕ/мл) и правого берега (5,02±1,21×10⁵ КОЕ/мл) к центральной зоне (7,48±1,39×10⁵ КОЕ/мл).

Корреляционный анализ не выявил каких-либо корреляций численности сапрофитных бактерий в наилке с анализируемыми абиотическими факторами, за исключением слабой связи с содержанием органического вещества.

Сравнительный анализ изученных показателей в наилке (0,5-1см) и в донном осадке (1-2 см) показал различия в количественной и пространственной структуре бактериобентоса. Так, среднестатистические значения численности и биомассы бактерий увеличились по вертикали от наилка (N=5,19±1,52×10⁹ кл/мл, B=0,68±0,25 мкг/г) к донному осадку (N=10,57±2,84×10⁹ кл/ мл, B=1,20±0,32 мкг/г) (рис. 3А). Это обусловлено, с одной стороны, размыванием наилка в виду его динамичности, с другой – меньшей плотностью обводненного наилка по сравнению с поверхностными донными слоями.

Плотность сапрофитных бактерий вниз по вертикальному разрезу, напротив, снизились от 5,82±0,53×105 КОЕ/мл до 3,96±0,82×105 КОЕ/ мл (рис.3А). Их доля в общей численности бактерий соответственно уменьшилась от 0,0112% в наилке до 0,0037% в осадке. Вероятной причиной сосредоточения сапрофитов в наилке служит большая обеспеченность бактерий органическим веществом (см. табл.). В наилке концентрируется детрит, который является одним из источников питания бактериобентоса: на поверхности детрита протекают физико-химические, биохимические и микробиологические процессы [4]. Детрит играет роль субстрата, на котором иммобилизуются экзоферменты микроорганизмов. Ферменты, находящиеся в таком состоянии, увеличивают свою активность и время жизни, при этом образуются детритнобактериальные ассоциации [4].

Выявлены различия в распространении сапрофитных бактерий вдоль поперечного профиля плеса. В наилке численность сапрофитов увеличивается от правого и левого берегов к центральной зоне и достигает максимальных значений в глубоководных профундальных илах (рис. 3 Б). В донном осадке максимальные численности сапрофитов сосредоточены на левом мелководном побережье и снижаются по направлению к центральной зоне и к правому берегу. Показано, что экологическое значение для распространения донных бактерий на мелководьях имеют размеры частиц грунта, степень смыва течениями и колебаниями уровня, ветровыми перемешиваниями [12]. Поэтому на мелководьях небольшие глубины и гидродинамические условия приводят к тому, что детрит смывается в глубоководную центральную зону, куда вместе с ним поступает легкоокисляемое органическое вещество, служащее основным пищевым субстратом для сапрофитных бактерий.

В размерной структуре в донном осадке, как и в наилке, доминируют клетки линейных размеров 0,2-0,5 мкм и добавляется второй доминирующий размерный класс 0,5-1,0 мкм, что, возможно, связано с уменьшением влияния волнения. Также расширяется диапазон преобладающих объемов клеток до 0,013-1,200 мкм³. Этот результат свидетельствует об увеличении вариабельности доминирующих размеров бактериальных клеток с глубиной в поверхностных слоях донных отложений.

В морфологической структуре бактериобентоса в обоих горизонтах сохраняется общая закономерность – значительное преобладание палочек над другими морфотипами бактерий, за исключением небольшого превосходства (в пределах доверительного интервала) палочек в наилке и кокков в донном осадке (рис. 4А). Значительные различия в процентном содержании форм бактериальных клеток в системе «наи-лок – донный осадок» проявляются с глубиной (рис. 4Б). Так, в литоральных илах доля кокков увеличивается в донном осадке по сравнению с наилком, за счет снижения доли кокков в профундальных илах.

О

□ наилок ■ донный осадок

СБ

А

Рис. 3. Общая численность бактерий (N,×10⁹кл/мл), биомасса (В, мкг/г)

и численность сапрофитных бактерий (CБ) (N,×105КОЕ/мл) в наилке и в донном осадке (3А). Распределение численности сапрофитных бактерий (CБ) (N,×105КОЕ/мл) по донному ложу в наилке и в донном осадке (3Б) в Приплотинном плесе в сентябре 2020 г.

Рис. 4. Морфологическая структура бактериобентоса в наилке и донном осадке в Приплотинном плесе Куйбышевского водохранилища: А – по всему донному ложу плеса, Б – в литоральной и профундальной зонах плеса.

Примечание: к/б – коккобациллы

□ литораль ■ пр офундаль

----- 0 нити

□ литораль и профундаль

Ранее обнаружены корреляционные связи морфологических форм бактерий в иле с численностью сапрофитов [20]. В наилке подтверждается положительная корреляция коккобацилл (r = +50) и отрицательная корреляция палочек (r= -0,57) с численностью сапрофитных бактерий.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

По отношению к типам донных отложений в распределении бактериобентоса, обитающего в наилках (0,5-1 см), сохраняется известная закономерность – увеличение численности и биомассы от песков к заиленным пескам и к тонкодисперсным серым илам. При этом достоверное влияние на количественное развитие бактерий оказывают температура, содержание органического вещества и пелитовой фракции механического состава наилка. По вертикальному разрезу общая численность и биомасса бактерий увеличивается от наилка вглубь в два раза. Сапрофитные бактерии, напротив, сосредоточены в большей степени в наилках, а в донном осадке (1-2 см) их доля в общей численности бактерий на порядок снижается.

Сопоставление количественных характеристик бактериобентоса по вертикальному разрезу показывает общую пространственную тенденцию – увеличение численности и биомассы бактерий от верховья плеса к плотине. Исключение составляет участок верхнего бьефа, где в отличие от донного осадка с максимальными количественными значениями, в наилке численность и биомасса бактерий снижаются в результате активного динамического перемешивания водных масс у плотины.

В горизонтальном профиле в наилках выявлено влияние глубины водоема на распределение сапрофитной группы бактерий по донному ложу – с увеличением глубины их численность возрастает в наилке и снижается в донном осадке. На основании полученных результатов можно предположить, что минерализация лег-коокисляемого органического вещества, инди- катором которого являются сапрофитные бактерии, происходит на мелководьях в основном в донном осадке, на глубинах – в наилках.

В размерно-морфологической структуре увеличивается вариабельность доминирующих размерных классов бактерий от наилка к донному осадку, при этом доминирующим морфо-типом в обоих горизонтах являются палочки. Характер пространственного распределения кокков в толще ила изменяется. Так, в наилках вклад кокков в общую численность бактериобентоса практически остается неизменным в прибрежных и глубоководных биотопах. Такому выровненному распределению их по донному ложу способствует перемешивание и перемещение наилка с водными массами. В более стабильном донном осадке кокки проявляют тенденцию к снижению численности от литоральных осадков к профундальным илам.

Важным результатом работы является заключение о вариабельности количественной и размерно-морфологической структуры бактериобентоса в разных горизонтах донных отложений. Одним из основных факторов в вертикальном распространении бактериобентоса являются гидродинамические условия.

Автор благодарит командный состав и членов экспедиционного отряда НИС «Биолог» ИЭВБ РАН за помощь при выполнении работ.