Массовое развитие пурпурной серной бактерии Chromatium okenii (Ehrb. 1838) Perty 1852 в небольшом городском озере Дачное (г. Тольятти, Самарская область)

Р азвитие аноксигенных фототрофных бактерий характерно для стратифицированных озер с аноксическим придонным слоем (гиполимнионом). В зависимости от условий, в таких водоемах доминируют представители одной из трех групп: зеленых серных бактерий (Chlorobiaceae), пурпурных серных бактерий (Chromatiaceae) или нитчатых аноксигенных фототрофов (Chloroflexales) [10].

Наши исследования озер Среднего Поволжья показали, что особенности гидрохимического и светового режима приводят к доминированию в большинстве из них зеленых серных бактерий [2]. В лесной зоне наряду с ними обнаружены случаи массового развития Chloronema giganteum (Chloroflexales). Представители Chromatiaceae, в исследованных ранее озерах региона занимают, как правило, сопутствующее положение, лишь иногда образующими значительную биомассу, и представлены мелкоклеточными колониальными видами, регулирующими свою плавучесть с помощью газовых вакуолей [1, 2, 4, 8].

Вместе с тем, в литературе описаны многочисленные случаи доминирования в планктоне хемоклина пресных водоемов крупноклеточных подвижных видов Chromatiaceae, и, в частности, одного из наиболее крупных – Chromatium okenii [3, 5-7, 9, 12,13 и др.]. В Среднем Поволжье этот

вид, однако, приурочен почти исключительно к бентосу и цианобактериальным матам серных озер, и никогда до этого не обнаруживался в планктоне обычных озер [2, 11].

В связи с этим представляет большой интерес обнаруженное в 2014 г. массовое развитие Chro-matium okenii в одном из небольших пригородных озер г. Тольятти (Самарская обл.).

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Оз. Дачное (53º30'6.89'' с.ш.; 49º30'10.01'' в.д.) представляет собой небольшой водоем неправильно округлой формы, площадью 7681 м2 (0,77 га), длина береговой линии – около 370 м, максимальная глубина 4,3 м. Гиполимнион в озере аноксический, с содержанием сульфидов в нем до 27 мг/л.

Отбор проб проводили тонкослойным пробоотборником от поверхности до дна с вертикальным разрешением в области редоксклина 10 см. с мая по сентябрь 2014 г. Одновременно с отбором определяли физикохимические параметры и содержание растворенных газов. Фотосинтетические пигменты определяли в ацетоновых экстрактах [1]. Численность пурпурных серных бактерий определяли на нитроцеллюлозных мембранных фильтрах (Владисарт, Владимир) без окрашивания и на черных ядерных фильтрах (Трекпор технолоджи, Дубна) после окрашивания DAPI на микроскопе Leica DM 5500B. Видовую принадлежность аноксигенных фототрофных бактерий определяли по морфологическим признакам [9].

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

При отборе проб в июле 2014 г. в оз. Дачное мы неожиданно обнаружили максимум развития пурпурных серных бактерий на глубине 240 см. Вода, отобранная с этой глубины тонкослойным отборником, имела отчетливо пурпурный цвет, хотя на глубинах 230 и 250 см она была почти не окрашенной. Доминирующим организмом, развивающимся в этом максимуме («бактериальной пластине»), по данным микроскопического анализа, являлся Chromatium okenii (Ehrb. 1838) Perty 1852 (рис. 1), который до этого никогда не обнаруживался нами в планктонных пробах из других озер Самарской области.

Chr. okenii, типовой вид р. Chromatium – очень крупный вид прокариот с характерным внешним обликом клеток: прямых или слегка искривлен- ных палочек размером 8-16×4.5-6.0 мкм, с уплощенными концами [9], подвижных при помощи пучка перитрихиальных жгутиков, видимых в световом микроскопе как единственный жгутик (рис. 1в). В оптимальных условиях клетки одиночные, активно подвижные, содержат многочисленные внутриклеточные капли серы (рис. 1а, в); в неблагоприятных утрачивают подвижность, выделяют слизь и образуют крупные седиментирующие агрегаты (рис. 1а). Средние размеры клеток из зоны развития в оз. Дачное после высушивания и окраски DAPI 10.7×4.9 мкм, что, с учетом уменьшения размеров при высушивании, соответствует диагнозу вида. Содержит бактериохлорофилл «а» и специфический каротиноид – оке-нон.

Рис. 1. Микрофотографии живых клеток Chromatium okenii (Ehrb. 1838) Perty 1852 из слоя воды 2,4 м (июль). А – скопление клеток, видны внутриклеточные гранулы серы в некоторых клетках, светлое поле; Б – инфузория c клетками Chr. okenii внутри пищеварительных вакуолей, светлое поле; В – клетка Chr. okenii с четко видимым жгутиком, DIC

1,0

0,8

0,6

0,4

о

0,2

0,0

300        400        500        600        700        800        900

Длина волны, нм

Рис. 2. Нативный спектр и спектр эстракта в 90% ацетоне проб сестона оз. Дачное с глубины 2,4 м (июль 2014 г.)

Нативные спектры и спектры пигментных экстрактов (рис. 2) подтверждают, что на глубине

240 см в оз. Дачное доминируют представители Chromatiaceae, синтезирующие бактериохлорофилл «а» (пики при 362, 800-820 нм и плечо при 870 нм in vivo; Soret, Q x и Q y –максимумы при 360, 580 и 772 нм, соответственно – в экстракте) и большое количество окенона (широкий максимум при ~500 нм in vivo, и характерный спектр поглощения в области 460-560 нм в экстракте). В относительно небольшом количестве присутствовали оксигенные фототрофы и зеленые серные бактерии, синтезирующие бактериохлорофиллы «c»-«e». На их присутствие указывают слабые максимумы в пигментном экстракте при 430 и 655-663 нм, соответствующие перекрывающимся максимумам поглощения хлорофилла «а» и бактериохлорофиллов «с»-«d».

Анализ сезонного развития пурпурных бактерий в оз. Дачное показал, что в мае 2014 г. в мик-роаэробных и анаэробных слоях воды озера доминировали зеленые серные бактерии. В качестве сопутствующих видов развивались типичные для региона колониальние виды Chromatiaceae, среди которых преобладала Thiopedia rosea, в еще более низких количествах были зарегистрированы небольшие по размеру подвижные жгутиковые виды Allochromatium cf. vinosum (Ehrenberg 1838) Imhoff et al. 1998 и Chr. weissei Perty 1852. В июне наряду к этим двум подвижным видам добавился Chr. okenii, однако суммарная численность и биомасса этих трех видов во всем столбе воды (из расчета под 1 м2) все еще составляли 0,6% общей численности и 8,2-18,6% от общей биомассы Chromatiaceae, основной вклад в которые продолжала вносить Tpd. rosea. (табл.). Зоны развития Chromatiaceae в оба месяца были широкими, и они встречались во всей области, где отсутствовал кислород.

Таблица. Пурпурные серные бактерии в планктоне оз. Дачное в 2014 г.

	Allochromatium cf. vinosum + Chr.weissei	Chromatium okenii	Thiopedia rosea	Allochromatium cf. vinosum + Chr.weissei	Chromatium okenii	Thiopedia rosea
	Численность, 106 кл./м2			Биомасса,	мг/м2
20.05.14	0,574	0,000	95,062	31,08	0,00	346,53
17.06.14	0,211	1,344	242,743	2,83	199,57	884,88
24.07.14	3,167	55,556	285,534	42,59	8247,17	1040,87
10.09.14	43,093	46,266	153,731	552,35	6879,33	555,47

Рис. 3. Вертикальные изменения численности Chromatium okenii и Allochromatium cf. vinosum и некоторых абиотических факторов в июле и сентябре 2014 г. в оз. Дачное

В отличие от предшествующих месяцев, в июле был зарегистрирован узкий (10-ти сантиметровый) максимум пурпурных бактерий, располагавшийся на глубине 240 см. На этой глубине численность Chr. okenii достигала 0,44 ×10⁶ кл/мл, а биомасса – 65,3 мг/л. Здесь же отмечалось и наибольшее развитие Ach. cf. vinosum (0,02 ×10⁶ кл/мл, 0,26 мг/л). В слоях воды выше и ниже максимума эти виды практически отсутствовали (рис. 3). В сентябре слой наибольшего развития подвижных видов Chromatiaceae был обнаружен чуть выше (220-230 см), причем он заметно расширился, до около 30 см (рис. 3). Зоны максимального развития обоих видов разделились - Chr. okenii на глубине 230 см, а Ach. cf. vinosum - на 210 см. При этом, в отличие от июля, заметные количества этих бактерий наблюдались и в слоях ниже максимумов, до глубины 3 м. В целом численность Ach. cf. vinosum увеличилась, а Chr. okenii несколько уменьшилась. Несмотря на это, как в июле, так и в сентябре по биомассе доминировал Chr. okenii, формируя 98,9% (июль) и 97% (сент.) суммарной биомассы Chromatiaceae в области максимума. Единичные клетки Chr. weissei отмечались в большинстве проб, однако в течение всего периода наблюдений этот вид имел крайне низкую численность.

Клетки Chr. okenii в это время, видимо , являлись хорошим источником пищи для инфузорий, также развивающихся на нижней границе кислородной водной массы (рис. 1).

В целом, в оба месяца массовое развитие подвижных видов пурпурных серных бактерий наблюдалось на верхней, достаточно хорошо освещенной границе редоксклина, при полном отсутствии кислорода и низких концентрациях сульфидов (рис. 3). При этом, экологически пластичный Ach. cf. vinosum развивался выше, чем Chr. okenii , имеющий более строгие требования к восстановительным условиям среды. В отличие от этих видов, колонии Thiopedia rosea были распределены по всей анаэробной водной толще, без выраженных максимумов на какой-то глубине.

В зоне хемоклина значение pH было слабощелочным, и с мая по сентябрь увеличивался с 7,3 до 7,6. Эти величины благоприятны для развития пурпурных серных бактерий, а Chlorobiaceae предпочитают несколько более низкие величины pH. Поэтому вспышка развития Chromatiaceae, происшедшая, как только уровень хемоклина поднялся с 2,8-3 до 2,4 м, вполне объяснима. Однако причины доминирования в данном озере активно подвижных видов Chromatiaceae пока не вполне ясны и будут уточняться по мере завер- шения анализа физико-химических характеристик водоема. Возможно, условия в озере были не оптимальными для развития их потенциального конкурента – Thiocapsa rosea, которая является наиболее массовым видом среди Chromatiaceae в большинстве водоемов нашего региона, однако в данном озере представлена единичными колониями.