Фотосинтетические пигменты фитопланктона высоких широт в условиях полярной ночи

Традиционно считается, что экосистема пелагиали северных морей функционирует в жестких экологических условиях. В период полярной ночи (декабрь – январь) количество солнечной радиации в этих водоемах составляет 0,002 (кал/см ² )/мин, тогда как минимальная интенсивность света, необходимая для роста практически всех микроводорослей, должна достигать порядка 0,01 (кал/см ² )/мин [1]. Содержание в фитопланктоне основного пигмента фотосинтеза – хлорофилла а – считается универсальным экологофизиологическим показателем, который отражает обилие и фотосинтетическую активность альгоценозов. Адаптация водорослей к низкому уровню освещенности может выражаться в составе и активности дополнительных пигментов фотосинтетического аппарата [2]. Дополнительные пигментные характеристики планктона характеризуют функциональное состояние и протекающие в фитопланктонном сообществе продукционные процессы. Наибольший интерес для функциональной оценки фитопланктона в осеннезимний период представляют пигментный индекс и соотношение суммарной концентрации каротиноидов к хлорофиллу а [3–7].

Исследования видового состава, биомассы и численности фитопланктона Баренцева моря ведутся в течение продолжительного времени [8–10]. Характеристика пигментного состава фитопланктона арктических морей представлена в основном сведениями о концентрации хлорофилла а , полученными в период активной вегетации микроводорослей. При этом не учитывается фотосинтетическая активность альгоценозов в зимний период и не раскрываются данные о содержании дополнительных пигментов фотосинтетического аппарата микрофитопланктона [11–14]. Для Баренцева моря наиболее полно представлена информация о концентрации фотосинтетических пигментов альгосообществ пелагиали прибрежья в период весенне-летней и летне-осенней сукцессии [7; 15].

В последние годы большой интерес исследователей вызывают возможности спутникового (дистанционного) зондирования концентраций пигмента. Полученные данные, однако, необходимо сравнивать с данными натурных измерений хлорофилла [16; 17]. Для акватории Баренцева моря получение спутниковых данных о распределении полей хлорофилла затруднено из-за высокой облачности, особенно в осенне-зимний период [18]. Получаемые на основе биооптических характеристик поверхности моря региональные карты распределения хлорофилла свидетельствуют, что самые высокие его концентрации наблюдаются летом к югу от полярного фронта [17]. Тем не менее необходим мониторинг концентраций данного пигмента в толще воды, так как глубинный максимум хлорофилла может вносить существенный вклад в первичную продукцию Мирового океана, но, как правило, не учитывается при использовании спутниковых данных и данных поверхностных измерений in situ [19].

Целью настоящей работы являлось изучение хлорофилла и дополнительных пигментов фотосинтетического аппарата арктического фитопланктона Баренцева моря в переходный период между осенним и зимним гидрологическими сезонами в условиях недостаточной освещенности.

Материалы и методы

Фотосинтетические пигменты микрофитопланктонного сообщества Баренцева моря исследовали в ходе рейса НИС "Дальние Зеленцы" с 10 по 25 ноября 2013 г. Научные изыскания проводились на стандартном разрезе "Кольский меридиан" (станции 1, 3, 7, 11, 15, 17, 23) и участке западнее от него (станция 41) (рис. 1). Продолжительность светового времени в ходе выполнения наблюдений убывала от 4.5 часов на широте 70° с. ш. до 0.0 часов на широте 74° с. ш. и севернее, таким образом, исследования на станциях 15, 17, 23 и 41 выполнялись уже в условиях наступившей полярной ночи.

Рис. 1. Схема расположения станций на разрезе "Кольский меридиан", НИС "Дальние Зеленцы", ноябрь 2013 г.

В соответствии с рекомендациями ГОСТа ¹ было отобрано 45 проб морской воды для дальнейшего определения концентрации фотосинтетических пигментов: хлорофилла а ( С _ха ), b ( С _b ), с ( С _{с1 + с2} ), феофитина а ( С ф_а ), каротиноидов ( С _k ) и пигментного индекса сообщества ( I _430/664 ). Пробы отбирали с шести горизонтов: поверхностный слой, глубины 10, 25, 50, 100 м и придонный слой (глубины от 150 до 310 м). Объем проб достигал 5 л. С момента отбора проб на пигментный состав и до процесса фильтрации воды проходило не более часа. Фильтрацию осуществляли под вакуумом через мембранные фильтры Владипор МФАС-ОС-4 (диаметр пор 0.4 мкм) продолжительность фильтрования не превышала 60 мин. Фильтры, сложенные пополам осадком внутрь, хранили в морозильной камере до обработки в стационарных условиях не более 1 месяца.

В лаборатории фильтры гомогенизировали для разрушения клеток фитопланктона и экстрагировали пигменты. Экстракцию проводили 90%-м ацетоном в течение 1 часа. Для удаления светорассеивающей взвеси полученный экстракт центрифугировали на центрифуге Опн-8 20 мин при 8 000 об./мин. Спектрофотометрирование очищенного экстракта осуществляли дважды (до и после подкисления экстракта раствором соляной кислоты) на UV-Visible спектрофотометре Nicolett Evolution 500 "Spectronic Unicam", использовали кюветы, имеющие рабочую длину 1 см. Концентрацию хлорофилла а и других пигментов (мг/м3) вычисляли по стандартным формулам, приведенным в ГОСТ 17.1.4.02-90.

Результаты и обсуждение

Концентрация хлорофилла а в толще воды на большинстве станций изменялась в незначительном для применяемой методики диапазоне (0.05–0.21 мг/м ³ ), за исключением станции 23, где были зарегистрированы самые высокие концентрации исследуемого пигмента и придонный максимум содержания хлорофилла (0.50 мг/м ³ ) (рис. 2).

Рис. 2. Концентрация хлорофилла а , мг/м ³ , на станциях разреза "Кольский меридиан", ноябрь 2013 г.

Равномерное вертикальное распределение хлорофилла а на всех станциях, несомненно, связано с отсутствием стратификации водных масс в период проведения исследований. Условия освещенности в период проведения научных изысканий были характерными для осенне-зимнего гидрологического периода, часть станций (выше 72° 34') находилась в условиях полярной ночи.

Анализ полученных с помощью СТД-зонда (SEACAT SBE 19plus) термохалинных характеристик показал, что южный участок разреза (станции 1, 3) находился в зоне влияния Мурманского прибрежного течения, а центральный (станции 7, 11) и северный (станции 15, 17, 23) участки – в зоне воздействия атлантических вод (в пределах Мурманского и Нордкапского течений соответственно). Прибрежные воды являлись более прогретыми и менее солеными по сравнению с атлантическими водами (табл. 1). На исследуемой акватории переход к зимнему гидрологическому режиму сопровождался разрушением сезонного термоклина, в результате чего в верхнем 50-метровом слое наблюдалась гомотермия, далее температура плавно понижалась с глубиной.

Диапазоны значения температуры ( Т , °С) и солености ( S , ‰) воды на участках разреза "Кольский меридиан", ноябрь 2013 г.

Таблица 1

Участок	Южный (станции 1, 3) 69°30'–70°30' с. ш.		Центральный (станции 7, 11), 71°30'–72°30' с. ш.		Северный (станции 15, 17, 23), 74°00'–76°00' с. ш.
Слой	0–50 м	100 м – дно	0–50 м	100 м – дно	0–50 м	100 м – дно
Т , °С	6.03–7.28	3.90–6.62	5.23–7.00	1.62–5.98	3.72–5.08	0.11–4.79
S , ‰	34.31–34.42	34.57–34.81	34.39–34.94	34.72–35.07	35.05–35.07	34.98–35.09

Глубинный максимум хлорофилла а , зафиксированный на единственной станции (0.50 мг/м ³ ), указывает на активное развитие микроводорослей. В последнее время отмечается повышение температуры вод арктических морей [20], что может привести к изменению таксономического состава фитопланктонного сообщества [10].

Согласно литературным данным [7; 12; 15] концентрации хлорофилла а выше 0.10 мг/м ³ являются высокими для района исследований в осеннее-зимний период. Кроме того, столь высокие концентрации не соответствуют биомассе и численности "сетного" микрофитопланктона. В период наших исследований общая численность микроводорослей размерной группы более 20 мкм составляла 1×10 ¹ кл./л. По составу доминантов и уровню обилия сообщество фитопланктона являлось типичным для южной части Баренцева моря в осенне-зимний период, были отмечены известные формы динофлагеллят – индикаторы атлантических водных масс. Кроме того, при изучении видового состава микрофитопланктонного сообщества впервые для изучаемой акватории зафиксированы тепловодные бореальные виды динофлагеллят, ранее не встречающиеся в Баренцевом море: Amphidoma caudata Halldal, Dinophysis hastata Stein, Dinophysis nasuta Parke & Dixon, Dinophysis ovata Claparéde & Lachmann, Heterodinium milneri Kofoid, Mesoporos perforatus Lillick, Oxytoxum milneri Murray & Whitting, Podolampas palmipes Stein, Protoperidinium brochii Balech, Pyrophacus horologicum Stein.

Известно, что для олиготрофных вод Атлантики максимальный вклад (до 80 %) в первичную продукцию и содержание хлорофилла а в фитопланктонном сообществе вносит пикопланктон [21; 22], для эвтрофных вод – ультрананопланктон [23]. Доля хлорофилла, соответствующая размерной группе фитопланктеров 0.45–0.85 мкм, может достигать 49 % [22]. В арктических экосистемах на долю малых клеток может приходиться до 84 % хлорофилла и до 49 % первичной продукции [24]. Как показали наши исследования, видовой состав микрофитопланктонного сообщества Баренцева моря в осенне-зимний период формировался за счет атлантической тепловодной флоры. Предположительно, повышенные концентрации хлорофилла а в период изысканий могут указывать на то, что микрофитопланктонное сообщество Баренцева моря представлено не только фитопланктоном размерной фракции более 20 мкм, но и видами более мелких размерных фракций (пикопланктон, ультрананопланктон), характерных для атлантических вод в больших количествах и вносящих основной вклад в первичную продукцию.

Доля хлорофилла а в сообществе фотосинтетиков поверхностного слоя в период исследований не превышала (43.44 ± 5.26) % (в % от суммы всех хлорофиллов), хлорофиллов b и с 1 + с 2 (24.64 ± 4.11) % и (31.94 ± 5.53) % соответственно. Для всех слоев содержание хлорофилла а в фитопланктоне составило (39.27 ± 8.45) %, хлорофилла b (25.36 ± 5.68) %, хлорофиллов с ₁ + с ₂ (35.37 ± 6.16) %. Такую картину с незначительным преобладанием доли хлорофилла а над другими пигментами мы наблюдали в осеннезимний сукцессионный период в фитопланктоне прибрежья Баренцева моря, в то время как в период активной вегетации микроводорослей в весенне-летний период, доля хлорофилла а достигала 70 % [7]. Таким образом, в условиях полярной ночи, при сниженной продукционной активности микрофитопланктона процессы деструкции не преобладают над автотрофными, адаптивные механизмы фотосинтетиков выражаются в увеличении доли дополнительных фотосинтетических пигментов.

Для оценки физиологического состояния фитопланктона и продукционных процессов, происходящих в сообществе фотосинтетиков, нами традиционно используются следующие характеристики: пигментный индекс ( I 430/664 ), отношение суммарной концентрации хлорофиллов с 1 +с 2 к концентрации хлорофилла а ( С с / C ха ), отношение суммарной концентрации каротиноидов к концентрации хлорофилла а ( С _k / C _ха ) и доля в сообществе феофитина а – продукта распада хлорофилла а (табл. 2).

Таблица 2

Оценка физиологического состояния фитопланктона и продукционных процессов, происходящих в сообществе фотосинтетиков, выполненная в ходе исследований на станциях разреза "Кольский меридиан", ноябрь 2013 г.

Номер станции		2	3	7	11	15	17	23	41	Среднее по горизонту
I430/664
н о к Си о 1-н	0 м	3.12	3.57	2.23	3.10	4.01	4.03	2.78	6.89	3.72
	10 м	4.28	3.10	2.00	3.91	4.92	4.54	3.52	3.89	3.77
	25 м	3.20	3.37	2.46	3.61	4.62	4.79	4.01	7.48	4.19
	50 м	3.12	2.11	3.00	3.40	3.05	4.40	4.93	5.70	3.71
	100 м	3.40	4.57	2.33	4.20	8.15	3.81	5.70	5.58	4.72
	Дно	3.65	4.53	3.42	3.17	4.37	3.93	7.90	7.50	4.81
Схс/Сха
н о к Си о 1-н	0 м	0.64	0.84	0.61	0.50	0.65	0.71	0.84	1.29	0.76
	10 м	0.75	1.05	1.08	0.39	0.85	0.62	1.04	1.33	0.89
	25 м	0.40	0.91	0.97	0.53	0.67	0.74	1.02	0.70	0.74
	50 м	0.70	0.76	0.74	1.38	1.14	0.77	1.00	1.09	0.95
	100 м	0.64	1.51	1.12	0.46	1.20	1.02	1.28	1.12	1.04
	Дно	0.86	1.66	1.54	1.38	1.08	1.45	1.97	1.62	1.45
Сk/Cха
н о к Си о 1-н	0 м	2.18	1.72	1.26	1.48	1.84	1.89	1.39	3.29	1.88
	10 м	1.96	1.64	1.42	1.70	2.35	2.15	1.75	2.15	1.89
	25 м	1.00	1.67	1.53	1.65	2.13	2.16	2.04	3.28	1.93
	50 м	2.00	1.26	1.65	2.12	1.68	2.13	2.28	2.62	1.97
	100 м	2.00	2.31	1.59	1.81	3.79	1.85	2.60	3.15	2.39
	Дно	2.86	2.34	2.16	1.59	2.31	2.30	1.30	4.01	2.23
Феофитин а, %
н о к Си о 1-н	0 м	39	50	62	57	63	44	34	24	47
	10 м	53	51	54	49	35	38	54	73	51
	25 м	40	60	53	27	42	52	67	64	51
	50 м	44	52	36	66	53	40	70	55	52
	100 м	39	45	51	20	55	54	64	49	47
	Дно	50	57	56	61	58	57	63	53	57

Пигментный индекс микрофитопланктонного сообщества на большинстве станций находился в диапазоне 2.00 >  I _430/664 < 4.92 (табл. 2). Однако на станциях, расположенных в самых северных точках и в придонном горизонте, наблюдалось существенное увеличение этого показателя (5.58–8.15) (табл. 2). Ранее нам не доводилось регистрировать столь высокие значения пигментного индекса в прибрежье или открытых водах Баренцева моря, максимально в зимний период (по результатам многолетнего мониторинга) I 430/664 достигал 5.14 [7], а для фитопланктонного сообщества Атлантики пигментный индекс может принимать значения до 9.0 [25]. Значения пигментного индекса I 430/664 < 4.00 (табл. 2) следует рассматривать как индикатор пограничного состояния фитопланктонного сообщества между стадией активной вегетации и стадией затухания его сукцессионного цикла; повышение этого показателя I 430/664 > 4.00 (табл. 2) свидетельствует о низкой фотосинтетической активности микрофитопланктона [7].

Отношение суммарной концентрации хлорофиллов с ₁ + с ₂ к концентрации хлорофилла а ( С _хс /С _ха ) увеличивается при затухании развития планктонных водорослей и снижении ими фотосинтетической активности [25]. Нами отмечено, что средние значения соотношения С _хс /С _ха увеличиваются с глубиной от 0.76 до 1.45 (табл. 2), а также по направлению к самым северным точкам – для всех станций (табл. 2). В фотическом слое, за исключением станций 23 и 41, этот показатель не превышал 1 (табл. 1), что характеризует сообщество как находящееся в состоянии функциональной (фотосинтетической) активности. Известно, что при старении фитопланктона соотношение С хс /С ха может принимать значения 3.6–9.6, в активно развивающемся сообществе этот показатель варьирует от 0.0 до 0.8 [25].

Отношение суммарной концентрации каротиноидов к концентрации хлорофилла а (Сk/Cха) характеризует физиологическое состояние фитопланктонного сообщества. Повышенные значения Сk/Cха свидетельствуют о старении сообщества и угнетенном состоянии микроводорослей [3–5; 26]. Значения Сk/Cха <2 свидетельствуют о функциональной активности фитоценоза Баренцева моря, повышение этого соотношения (Сk/Cха >2) можно рассматривать как сигнал о старении сообщества [7]. В период нашего исследования значения Сk/Cха изменялись в диапазоне 1.00 > Сk/Cха <4.01 (табл. 2), наибольшие показатели отмечены на самой северной станции, однако они далеки от характерных зимних величин (до 9.28) [7]. Для средних значений анализируемого параметра увеличение Сk/Cха отмечалось по направлению от поверхности к придонному слою (табл. 2). Можно заключить, что сообщество планктонных фотосинтетиков Баренцева моря в период проведения исследований находилось в функционально активном состоянии. Ожидаемо менее активно автотрофные процессы протекали в придонных слоях и на станции, расположенной в самой северной точке.

Доля феофитина а в толще воды изменялась в диапазоне от 20 до 70 % (средние показатели 47–57 %) (табл. 2). Содержание в фитопланктонном сообществе Баренцева моря в осенне-зимний период дериватов хлорофилла менее 70 % рассматривается как невысокое [7; 27] и свидетельствует о доминирующей роли активных форм фотосинтетических пигментов в продукционных процессах. Подобный факт подтверждают литературные данные, свидетельствующие об обнаружении функционально активного хлорофилла в клетках микрофитопланктона при минимальном уровне солнечной радиации во время полярной ночи и активной вегетации сообщества в подледных условиях [1; 28–31].

В пигментном составе фитопланктонного сообщества Баренцева моря в период полярной ночи выявлено увеличение доли дополнительных фотосинтетических пигментов (хлорофиллов b и с ₁ + с ₂ ) и лишь незначительное преобладание хлорофилла а . Согласно дополнительным пигментным характеристикам автотрофные процессы в микрофитопланктоне доминировали над деструкционными, сообщество планктонных фотосинтетиков находилось в функционально активном состоянии.

Заключение

Вертикальное распределение хлорофилла а в водной толще на большинстве станций было равномерным, что вероятно связано с условиями недостаточной освещенности и отсутствием стратификации водных масс в период проведения исследований. Концентрации хлорофилла а были высокими для периода научных изысканий и не соответствовали биомассе и численности фитопланктона размерной группы более 20 мкм, что указывает на присутствие в пробах более мелких размерных групп фитопланктеров, характерных для атлантических вод. Соотношения дополнительных фотосинтетических пигментов микрофитопланктона и продуктов их распада характеризуют фитопланктонное сообщество Баренцева моря в период полярной ночи как находящееся в функционально активном состоянии, и хотя продукционная деятельность фитопланктона невелика, она не прекращается полностью даже в условиях полярной ночи, т. е. в условиях недостаточной освещенности. Адаптивные механизмы сообщества фотосинтетиков к условиям полярной ночи выражаются в увеличении доли дополнительных фотосинтетических пигментов (хлорофиллов b и с ₁ + с ₂ ) и снижении доли основного пигмента фотосинтеза – хлорофилла а .

Таким образом, полученные результаты свидетельствуют о сохранении пелагическим сообществом микроводорослей незамерзающей части Баренцева моря фотосинтетической активности в период полярной ночи, что в итоге оказывается одним из факторов, определяющих высокую биологическую продуктивность экосистем в Западном арктическом бассейне.

Выражаем благодарность сотруднику ММБИ Калинке О. П., оказавшей помощь в отборе проб морской воды в сложных полевых условиях.