Бактериобентос пелагиали и зарослей высших водных растений озера Илантово (ВКГПБЗ, Татарстан)

О зерные экосистемы характеризуются наличием разнообразных биотопов, в которых формируются специфичные сообщества под воздействием условий среды. Озеро Илантово расположено на территории Раифского участка Волжско -Камского государственного природного биосферного заповедника (ВКГПБЗ); является компонентом своеобразного комплекса из 12 разнотипных водоемов, связанных в единую гидрологическую систему малыми реками Сумка и Сер-Булак. Озеро мелководное (средняя глубина 0,6 м, максимальная — 2,5 м), бессточное, заболачивающееся и находится в стадии сильного зарастания. Водоем характеризуется наличием разнотипных биотопов: небольшой участок свободного водного зеркала (пелагиаль) и заросли, сформированные различными формациями водной растительности.

Исследования планктонных сообществ озер Раифы проводятся сотрудниками ВКГПБЗ, Казанского государственного университета, Института экологии Волжского бассейна [4, 6, 14, 15, 18]. В 2006 г. проведены первые исследования бактериопланктона оз. Раифы [19]. Донное бактериальное сообщество озер — неисследованная группа его обитателей. Становится необходимым получение сведений о функционировании бактериобентоса. Структура сообщества характеризуется числом входящих в него видов, численностью, степенью доминирования. Цель данной работы — изучение видового (таксономического) разнообразия и количественного развития бактерий донного сообщества в различных биотопах озера Илантово.

Видовую структуру микроценоза определяли с помощью метода масс-спектрометрии [13], применение которого значительно расширяет возможности экологических исследований. Таксономия на основе анализа микробных маркеров помимо видового состава позволяет определить и особенности количественного развития бактерио-бентосных сообществ.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Исследования проводили в августе 2007 г. в поверхностных слоях ила (0-5 см) в двух разных биотопах водоема: в западной пелагической части озера и в восточной — в 25 м от берега в зарослях элодеи канадской ( Elodea canadensis Michx.) и кубышки желтой ( Nuphar lutea (L.) Smith) (рис. 1).

Пробы озерных осадков отбирали трубчатым стратометром, позволяющим сохранять естественную структуру ила. В момент отбора проб измеряли температуру ртутным термометром, активную реакцию (pH) и окислительновосстановительный потенциал (Eh) — портативным прибором. Естественную влажность и содержание общего железа (реакционноспособного) определяли по [1]. Классификацию типов озерных отложений проводили по содержанию пелитовой фракции — размер частиц < 0,01 мм [10]. Гранулометрический анализ выполнен комбинированным методом [3, 12]. Для установления таксономической принадлежности бактерий применяли высокочувствительный метод масс-спектрометрии микробных маркеров (МСММ) с использованием базы данных. Метод позволяет определить виды бактерий численностью более 103-104 кл/г ила. Анализ проведен на хромато-масс-спектрометре АТ 5973 фирмы Agilent Technologies. Систематика бактерий приведена по [23]. Данные по видовому составу бентосных форм цианобактерий любезно предоставлены Н.Г. Тарасовой (ИЭВБ РАН). Для оценки степени доминирования применяли индекс индивидуального доминирования (ИИД): доля (процент) отдельного вида в общей численности [2]. Шкалу рангов доминирования по численности устанавливали с учетом особенностей структуры сообществ: менее 1% - минорные (малозначимые виды); 1-5% — второстепенные виды; 5-10% — субдоминанты; более 10% — доминанты.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Характеристика биотопов. Морфотип донных отложений озера сформирован на основе песчанистых сильно-, средне-, слабоподзолистых и болотистых почв [11]. В пелагической части поверхностные осадки представлены зеленоватосерым мелкоалевритовым илом, в состав которого входит тонкий водорослевый детрит. В прибрежной зоне формируется мелкопесчанистый серый ил с преобладанием тонкой пелитовой фракции (табл. 1) и включающий полуразло-жившиеся остатки макрофитов, зоопланктона, диатомовых водорослей р. Diatoma.

На исследованных участках озера залегают слабокислые илы, различные по отдельным физико-химическим показателям. Так, в пелагиале донные осадки — микроаэробные, полужидкие, с более высоким содержанием Fe_о6щ. В зарослях формируется более плотный окисленный ил, в гранулометрическом составе которого преобладают тонкодисперсные частицы. Следует отметить значимое различие в генезисе органического вещества илов, так как оно составляет пищевые ресурсы сообществ. Основным источником растительного компонента органического вещества пелагических илов является фитопланктон. Так, регистрировалось массовое развитие отдельных видов сине-зеленых водорослей Microcystis wesenbergii Komarek [15], M. aeruginosa Kutz.

О

»

О

Y я v

Рис. 1. Озеро Илантово (батиметрия, схема рас положения станций и растительных формаций): 1 — кубышка желтая (Nuphar lutea (L.) Smith); 2 — кувшинка белоснежная (Nymphaea candida, J. Presl); 3 — сальвиния плавающая (Salvinia natans (L.) All.); 4 — водокрас обыкновенный (Hydrocharis morsur-ranae, L.); 5 — осоки (Carex rostrata Stokes, C. acuta L.); 6 — роголистник погруженный (Ceratophyllum demersum L.); 7 — рогоз узколистный (Tyrha angustifolia L.); 8 — ряски (Lemna minor L., L. trisulca L.); 9 — элодея канадская (Elodea canadensis Michx.). Станции отбора проб донных отложений: ст. 1 — пелагическая (открытая) часть водоема, ст. 2 — заросли высших водных растений emend. Elenk, Merismopedia punctata Meyen (по первичным данным Н.Г. Тарасовой) и зеленых вольвоксовых Chlamydomona globosa Snow [15], седиментация которых и обуславливает зеленый цвет ила. Разлагаясь, фитопланктон обогащает поверхностные слои донных отложений легко доступными для микроорганизмов углеводами [7]. В литоральной же зоне, помимо водорослей, обильно развивается и высшая водная растительность, содержащая лигнины — полимерные соединения, более устойчивые к биохимическому воздействию. Поэтому, органическое вещество литоральных илов содержит и трудно разлагаемые вещества.

Таблица 1. Физико-химическая характеристика ила в разных биотопах озера

Тип отложений	Глубина, м	Т,°С	рН	Eh	rH21	Пелит2, %	1 e общ, мг/г ила	Влажность, %
Пелагическая часть
Зеленовато-серый мелкоалевритовый ил	1,8	13,9	6,26	+ 140	17,5	24,3	103,82	92,7
Заросли макрофитов (элодеи канадской и кубышки желтой)
Серый ил	0,9	19,4	6,28	+210	19,8	44,2	46,52	83,9

Примечание. ¹ — rH ₂ , показатель, объединяющий Eh и рН: анаэробные условия соответствуют 0 < rH ₂ > 12-13, микроаэробные — 12-13 < rH ₂ > 18-20, аэробные - rH ₂ > 20 [14]; ² — размер частиц < 0,01 мм

Таксономическая структура. В результате исследований в составе донного сообщества в оз. Илантово выявлено 37 таксонов видового ранга из домена Bacteria (табл. 2). Разнообразие бактериобентоса, установленное методом МСММ, включает 7 типов, 11 классов, 31 семейство, 35 родов. Ведущую роль в формировании качественного состава сообщества играют представители типов Proteobacteria, Firmicutis и Actinobacteria, в меньшей степени — типа Cyanobacteria. Остальные таксоны представлены единично. Наиболее разнообразны виды родов Pseudomonas, Clostridium, Butyrivibrio и семейства Eubacteriacea. Обнаружено также пять неидентифицированных штаммов: Strain 5-7 и железоредукторы FeRed, FeRed KM-2 (рис. 2).

Выявлено почти полное сходство, за исключением актиномицета Streptomyces rimosus, таксономического состава бактериобентоса, развивающегося в пелагиале и в ассоциации высших водных растений. По-видимому, условия обитания в разных биотопах не оказывают существенного влияния на качественное формирование бактериобентоса в пределах одной экосистемы. Актиномицет Streptomyces rimosus встречен только в пелагическом сообществе. Возможно, это связано с тем, что в пелагической части водоема формируется ил более жидкий, по сравнению с «зарослевым» биотопом (табл. 1). Как было показано при ис- следовании актиномицетов в воде и донных осадках Байкала - Streptomyces обитает в основном в воде [24]. Другими факторами могут быть трофические, физиологические, биотические и др. воздействия. В пелагическом и литоральном сообществах обнаружены Acetobacterium sp. и Heliobacterium sp., имеющие общий маркер. Присутствие Acetobacterium sp. в экосистеме озера не вызывает сомнения, поскольку он отмечается как участник ценозов в переработке лигнина [17]. Развитие же фототрофной бактерии Heliobacterium sp. в пела- гиале маловероятно: невысокая прозрачность — 0,9 м, гумозность воды. Однако, поскольку гелиобактерии были обнаружены в почвах, содовых озерах [9], не исключено развитие некоторых видов р. Heliobacterium и в оз. Илантово; также возможно внесение их в результате смыва из почвы водосборным стоком. Поэтому вопрос присутствия Heliobacterium sp. в поверхностных осадках открытой части озера требует дополнительного решения.

Таблица 2. Таксономический состав бактериобентоса озера Илантово

____________________ Виды ______

Тип: Cyanobacteria

Класс 1 : Cyanobacteria

Подсекция III. Subsection 3

Oscillatoria acutissima, Oscillatoria chalybae Spirulina laxissima

Подсекция IV. Subsection 4

Calothris mardicina

Тип: Proteobacteria

Класс : Alphaproteobacteria Порядок: Rhodospirillales Семейство: Rhodospirillaceae

Azospirillum sp.

Порядок: Rhizobiales

Семейство: Bradyrhizobiaceae

Nitrobacter sp.

Класс: Betaproteobacteria Порядок: Burkholderiales Семейство: Burkholderiaceae

Burkholderia cepacia (Palleroni and Holmes 1981) Yabuuchi et al. 1993

Семейство: Comamonadaceae

Sphaerotilus natans Kьtzing 1883

Порядок: Xanthomonadales

Семейство: Xanthomonadaсeae

Ðîä: Xanthomonas

Порядок: Methylococcales

Семейство: Methylococcaceae

Methylococcus sp.

Порядок: Pseudomonadales

Семейство: Pseudomonadaceae

Pseudomonas fluorescens Migula 1985

Pseudomonas putida (Trevisan 1889) Migula 1985

Pseudomonas versicularis (Busing et al. 1853) Calarneault and Leifson 1964

Порядок: Enterobacteriales

Семейство: Enterobacteriaceae

Класс: Deltaproteobacteria Порядок: Desulfovibrionales

Семейство: Desulfovibrionaceae

Desulfovibrio sp.

Тип: Firmicutis

Класс: Clostridia

Порядок: Clostridiales

Семейство: Clostridiaceae

Clostridium, butyricum, Prazmowski 1880

Clostridium, acetobutylicum. McCoy et al. 1926

Clostridium, perfringens (Veillon and Zuber 1898) Hauduroy et al. 1937

Семейство: Lachnospiraceae

Butyrivibrio sp. 1,

Butyrivibrio sp. 2,         Butyrivibrio sp. 3

Семейство: Eubacteriacea

Eubacterium, sp.

Eubacterium lentum (Eggerth 1935) Prevot 1938 Acetobacte rium. sp. 1, Acetobacterium, sp.2

Семейство: Peptococcaceae

Desulfotomaculum sp.

____________________ Виды ___________

Семейство: Heliobacteriaceae

Heliobacterium sp

Класс: Bacilliti Порядок: Bacillatis Семейство: Baсillaceae

Bacillus subtilis (Ehrenberg 1935) Cohn 1872

Семейство: Staphyllococcaceae

Staphyllococcus sp.

Тип: Actinobacteria

Класс: Actinobacteria

Подкласс: Actinobacteridae

Порядок: Actinomycetales

Подпорядок : Micrococcineae

Семейство: Micrococcaceae

Род: Micrococcus

Arthrobacter globiformis (Conn 1928) Conn and Dim. 1947

Семейство: Сellulomonadaceae

Подпорядок: Corynebacterineae

Семейство: Nocardiaceae

Nocardia carnea (Rossi Doria 1891) Castellani and

Chalmers 1913

Rhodococcus terrae (Tsukamura 1971) Tsukamura 1974

Подпорядок: Propionibacterineae

Семейство: Propionibacteriaceae Propionibacterium freudenreichii subsp.freudenreichii (van Niel 1928) Moore and Holdeman 1970

Пoдпорядок: Pseudonocardineae

Семейство: Pseudonocardiaceae

Род: Pseudonocardia

Пoдпорядок: Streptomycineae

Семейство: Streptomycetacea

Streptomyces rimosus subsp. rimosus Sobin et al. 1953

Пoдпорядок: Streptosporangineae

Семейство: Thermomonosporaceae

Actinomadura roseola Lavrova and Preobrazhenskaya 1975

Тип: Chlamydiae

Класс: Chlamydiae

Порядок: Chlamydiales

Семейство: Chlamydiaceae

Род: Chlamydia

Тип: Spirochaetes

Класс: Spirochaetes

Порядок: Spirochaetales

Семейство: Spirochaetales

Spirochaeta sp.

Тип: Bacteroides

Класс: Bacteroides

Порядок: Bacteroidales

Семейство: Bacteroidaceae

Bacteroides fragilis (Veillon and Zuber1828) Gastellani and

Chalmers 1919

Bacteroides hypermegas Harrison and Hansen 1963

Класс: Sphingobacteria

Порядок: Sphingobacteriales Семейство: Flexibacteraceae

Род: Cytophaga

Может вызывать сомнение присутствие в озерном иле р. Chlamydia, ассоциируемого обычно с инфекциями человека. Однако известно, что носителями хламидий являются птицы, а специфические для хламидий маркеры обнаруживаются в местах обитаний водоплавающей птицы [20].

Численность 107 кл/г сухого ила

0     200    400   600   800

Acetobacterium sp.1 Actinomadura roseola Arthrobacter globiformis Azospirillum sp.

Bacillus subtilis

Bacteroides fragilis Bacteroides hypermegas Burkholderia sp. Butyrivibrio sp.1 Butyrivibrio sp.2

пелагическая часть заросли макрофитов

Cellulomonas Clostridium butyricum Clostridium acetobutylicum Clostridium perfringens Cyanobacteria Cytophaga Desulfotomaculum sp.

Desulfovibrio sp.

Enterobacteriaceae Eubacterium

Eubacterium lentum Acetobacterium/Heliobacterium FeRed (Турова,1996)

FeRed KM-2 Methylococcus sp.

Micrococcus

Nitrobacter

Nocardia carnea Propionibacterium Pseudomonas fluorescens Pseudomonas putida Pseudomonas vesicularis Pseudonocardia Rhodococcus terrae

Sphaerotilus natans Spirochaeta sp.

Staphylococcus

Strain 5

Strain 6

Strain 7

Streptomyces rimosus Chlamydia

Xanthomonas

Рис. 2. Видовой состав и численность бактерий донного сообщества в разных биотопах оз. Илан-тово

Количественное развитие. Общая численность бактериобентоса, определенная методом МСММ, в пелагическом сообществе и в зарослях макрофитов отличается несущественно и составляет 3,7 х 10¹⁰ и 4,2 х 10¹⁰ кл/г сухого ила, соответственно. Однако, диапазон количественных показателей видов макрофитного бактериобентоса несколько больше по сравнению с пелагическим. Так, численность различных групп бактерий прибрежного сообщества изменяется от 0,7 до 7 х 10⁹ кл/г сухого ила, а пелагического — от 0,9 до 5 х 10⁹ кл/г сухого ила (рис. 2).

При изучении количественной структуры выделены ранги видов по степени доминирования: доминанты, субдоминанты, второстепенные и минорные виды. Ведущий комплекс (доминирующие виды и субдоминанты) в разных биотопах в основном одинаков и представлен шестью общими видами. Индексы индивидуального доминирования (ИИД) численности ведущих таксонов сообщества представлены в (табл. 3). По «структуре доминирования» [2] сообщество пелагического биотопа относится к монодоминантному - главенствующее положение в нем занимает только один вид Acetobacterium sp.(ИИД =1 4,6%). В «зарос-левом» биотопе ключевые позиции занимают два доминанта — Acetobacterium sp.(ИИД = 16,3%) и цианобактерии (ИИД = 10,7%). Характерна смена субдоминант — Nocardia carnea и Butyrivibrio sp. 1 в зарослевом комплексе на Spirochaeta sp. и Rhodococcus terrae — в пелагическом. Интересно отметить, что Rhodococcus terrae — значимый в пелагическом сообществе вид, в литоральном биотопе, напротив, играет минорную роль — его численность снижается на два порядка с 1,9 х 109 до 1 х 107кл/г сухого ила.

Наиболее стабильны по индексу индивидуального доминирования среди второстепенных видов Burkholderia sp. , рр . Cytophaga, Nitrobacter, Micrococcus; среди минорной компоненты — Clostridium butyricum, Desulfotomaculum sp. , Desulfovibrio sp., Pseudomonas fluorescens, рр. Staphylococcus, Xanthomonas, Eubacterium (рис. 2).

Также в составе бактериобентоса присутствуют представители групп, резко меняющих свою численность в разных условиях обитания. К ним относятся Rhodococcus terrae, Eubacterium lentum, Bacteroides fragilis, Butyrivibrio sp. 3, р .Cellulomonas и FeRed KM2.

При оценке доминирования была проанализирована количественная структура сообществ таким образом, чтобы можно было охарактеризовать вклад таксонов каждого ранга в разнообразие. Как видно из рис. 3, в порядке доминирования на фоне смены соотношений одноименных рангов в сообществах проявляется общая тенденция увеличения доли второстепенных и минорных видов. Видовое богатство бактериобентоса исследованных биотопов на ~ 80% обеспечивается второстепенными и минорными видами.

Экологический аспект . Видовое разнообразие и количественное развитие рассмотренных бакте-риобентосных сообществ связаны с особенностями местообитания. Основными физико-химическими параметрами, контролирующими бактериальные процессы в литоральных осадках мелководных озер, являются температура, окислительно-восстановительный потенциал и наличие легкодоступного органического вещества [8].

В данном исследовании мы попытались выявить роль отдельных параметров среды на структуру бактериобентоса. Так, микроценозы изучаемых биотопов включают аэробные, факультативно анаэробные и анаэробные виды бактерий, соотношение которых определяются, в первую очередь, значениями окислительновосстановительного потенциала. Окислительные условия в илах (табл. 1) обуславливают преобладание по численности аэробных бактерий, относящихся к различным таксономическим группам — их доля в общей численности бактериобентоса составила 62-63%. Из этого следует, что разложение органического вещества в донных отложениях данного водоема в большей степени осуществляется за счет деятельности аэробных микроорганизмов.

пелагическая часть заросли макрофитов

Таблица 3. Бактерии, доминирующие в илах разных биотопов озера Илантово

Виды бактерий	Пелагическая часть	Заросли макрофитов
	Численность бактерий, в % от общей численности (ИИД)
Acetobacterium sp.	14,6	16,3
Тип Cyanobacteria	7,6	10,7
Methylococcus sp.	7,8	7,3
Arthrobacter globiformis	5,8	7,5
Propionibacterium freudenreichii	6,8	6,3
Butyrivibrio sp. 2	5,7	5,5
Spirochaeta sp.	6,7	-
Rhodococcus terrae	5,1	-
Nocardia carnea	-	6,1
Butyrivibrio sp. 1	-	5,1

Рис. 3. Распределение видов по рангам доминирования: по оси абсцисс — классы доминирования; по оси ординат — содержание видов, относящихся к данному классу, %

Отмечается также положительный эффект железа на развитие железоредукторов. Так, их численность в пелагическом иле, более обогащенным железом, достигает 6 х 108 кл/г сухого ила. Отмеченный показатель в литоральном сообществе составляет 4 х 108 кл/г сухого ила.

Мы полагаем, что важную роль в формировании структуры и количественного развития сообщества играет тип ила, а именно — наличие тонко дисперсных частиц — фактора, контролирующего интенсивность аккумуляции органического вещества. Нами было показано на примере Нижнего Ботанического пруда (г. Самара), что численность популяции сапротрофных бактерий коррелирует с пелитовой и мелкоалевритовой фракциями [21]. Наличие пелитовых частиц характеризует степень разложения органических остатков, основным источником образования которых является фито- и зоопланктон [5, 22]. По сравнению с пелагиалью, зарослевый биотоп является более биопродуктивной зоной: благоприятный температурный режим (табл. 1), наиболее активное развитие фитопланктона способствуют интенсивному накоплению осадкообразующего материала, участвующего в создании пелитовой фракции.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Впервые проведены микробиологические исследования донных отложений озера Илантово. С помощью метода МСММ получены данные о таксономической структуре и особенностях количественного развития бактериобентоса различных биотопов водоема. Показана роль отдельных факторов среды обитания на формирование структуры сообщества. Таксономическое разнообразие донных бактериальных сообществ, обитающих в пелагической части и зарослях высших водных растений, сходно за исключением отдельных видов. Основной вклад в видовое богатство вносят представители типов Proteobacteria, Firmicutis и Actinobacteria , Cyanobacteria. Из них наиболее разнообразны виды родов Pseudomonas, Clostridium, Butyrivibrio и семейства Eubacteriacea. Изучена структура доминирования бактериобентоса. В сообществах устойчиво доминируют один-два таксона: по степени доминирования резко выделяются Acetobacterium sp. и Cyanobacteria. Видовое богатство донного бактериального сообщества обеспечивается, в основном, благодаря второстепенным и минорным видам. В количественном развитии сообществ показано, что вклад в общую численность одних и тех же видов, развивающихся в разных биотопах, неодинаков.