close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

316.Журнал Сибирского федерального университета. Сер. Биология №2 2009

код для вставкиСкачать
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Журнал Сибирского федерального университета
Journal of Siberian Federal University
2009
2 (2)
Биология
Biology
Редакционный совет
академик РАН Е.А.Ваганов
академик РАН К.С.Александров
академик РАН И.И.Гительзон
академик РАН В.Ф.Шабанов
чл.-к. РАН, д-р физ.-мат.наук
А.Г.Дегерменджи
чл.-к. РАН, д-р физ.-мат. наук
В.Л.Миронов
чл.-к. РАН, д-р техн. наук
Г.Л.Пашков
чл.-к. РАН, д-р физ.-мат. наук
В.В.Шайдуров
академик РАО, д-р физ.-мат. наук
В.С. Соколов
Editorial Advisory Board
Chairman:
Eugene A. Vaganov
Members:
Kirill S. Alexandrov
Josef J. Gitelzon
Vasily F. Shabanov
Andrey G. Degermendzhy
Valery L. Mironov
Gennady L. Pashkov
Vladimir V. Shaidurov
Veniamin S. Sokolov
Editorial Board:
Editor-in-Chief:
Mikhail I. Gladyshev
Founding Editor:
Vladimir I. Kolmakov
Managing Editor:
Olga F. Alexandrova
Executive Editor for Biology:
Nadezhda N.Sushchik
Contents / СОДЕРЖАНИЕ
Olesia N. Makhutova, Nadezhda N. Sushchik,
Galina S. Kalachova, Alexander V. Ageev
Fatty Acid Content and Composition of Freshwater Planaria
Dendrocoelopsis sp. (Planariidae, Turbellaria, Platyhelminthes)
from the Yenisei River
– 135 –
О.С. Таранов, Е.М. Малкова, А.А. Сергеев,
А.Н. Шиков, Е.И. Рябчикова
Ультраструктурные особенности поражения эпителия бронхов
мышей при заражении разными штаммами вируса гриппа
А/H5N1
– 145 –
Dao Thi Van
Physiological and cultural properties of the luminous fungus
Omphalotus af. illudent
– 157 –
Д.В. Дементьев, А.Я. Болсуновский
Содержание техногенных радионуклидов в кустарниковых
растениях и грибах в зоне влияния Горно-химического
комбината (Красноярский край)
– 172 –
Tamara I. Pisman
Specific Features of Mixed Culture of Invertebrates Maintained
under Laboratory Conditions
– 182 –
Компьютерная верстка Е.В. Гревцовой
Подписано в печать 15.06.2009 г. Формат 84x108/16. Усл. печ. л. 9,3.
Уч.-изд. л. 8,8. Бумага тип. Печать офсетная. Тираж 1000 экз. Заказ 842/09.
Отпечатано в ИПК СФУ. 660041 Красноярск, пр. Свободный, 82a.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Editorial board for Biology:
Sergey I. Bartsev
Alexander Y. Bolsunovsky
Tatiana G. Volova
Eugene S. Vysotski
Nikolai A. Gaevsky
Egor S. Zadereev
Valentina A. Kratasyuk
Elena N. Muratova
J. Woodland Hastings
Frank D. Salisbury
Malcolm K. Hughes
Ernst-Detlef Schulze
Akira Osawa
Takayoshi Koike
Marc D’Alarcao
Виталий П. Семенченко, Владимир И. Разлуцкий
Факторы, определяющие суточное распределение и
перемещения зоопланктона в литоральной зоне пресноводных
озер (обзор)
– 191–
Т.А. Зотина, Н.А. Гаевский, Е.А. Радионова
Оценка токсичности тяжелых металлов для водного растения
Elodea canadensis
– 226 –
Elena S. Kravchuk, Elena A. Ivanova
Spatial and Temporal Dynamics of Anabaena flos-aquae Akinetes
in Bottom Sediments of a Small Siberian Reservoir
– 237 –
Свидетельство о регистрации СМИ
ПИ № ФС77-28-725 от 29.06.2007 г.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Journal of Siberian Federal University. Biology 2 (2009 2) 135-144
~~~
УДК 577
Fatty Acid Content and Composition
of Freshwater Planaria Dendrocoelopsis sp. (Planariidae,
Turbellaria, Platyhelminthes) from the Yenisei River
Olesia N. Makhutovaa*, Nadezhda N. Sushchika,b,
Galina S. Kalachovaa and Alexander V. Ageevb
a
Institute of Biophysics of Siberian Branch
of Russian Academy of Science,
50 Akademgorodok, Krasnoyarsk, 660036 Russia
b
Siberian Federal University,
79 Svobodny, Krasnoyarsk, 660041 Russia 1
Received 1.06.2009, received in revised form 8.06.2009, accepted 15.06.2009
For the first time the fatty acid content and composition of freshwater planarian Dendrocoelopsis sp.
has been studied in a station of the large Siberian River, the Yenisei. The dominant fatty acids were
palmitic, oleic, eicosapentaenoic and docosapentaenoic acids. The characteristic feature of planarian
fatty acid composition was that ω3 docosapentaenoic acid was 2-10 times higher than docosahexaenoic
acid. The average content of ω3 PUFA in the planarian was significantly higher than that of ω6 PUFA,
7.20±1.21 and 1.22±0.22 mg/g of wet weight, respectively. The content of sum ω3 PUFAs which are
essential for the nutrition of aquatic organisms of the higher trophic levels in the studied planarian
was comparatively high.
Keywords: fatty acid, planaria, invertebrate, Turbellaria, Platyhelminthes
Introduction
Planarians are non-parasitic ancient
flatworms, which are common representatives
of benthic communities in both freshwater and
brackish ponds and rivers worldwide. In rivers
with high current velocity they occupy and
attach on back sides of stones and pebbles, or on
algae thallus. The size of the most of planarians
specimen ranges from 3 to 12 mm. These
flatworms have two or more eye-spots that can
detect intensity of light and very simple nervous
system (Dogel, 1975). The nervous system
includes the ganglion, located at the head of the
*
1
planarian and two nerve cords which connect
ganglion to the tail. There are many transverse
nerves connected to the nerve cords. Digestive
system consists of a mouth, located in the center
of the underside of the body, pharynx and
gastrovascular cavity. The pharynx connects the
mouth to the gastrovascular cavity. The digestive
system has three main branches throughout the
body that increase assimilation and delivery of
nutrients to all tissues (Dogel, 1975).
Regeneration processes are active in
planarians due to simplicity of the organ systems,
therefore, planarians have often been used as an
Corresponding author E-mail address: makhutova@ibp.krasn.ru
© Siberian Federal University. All rights reserved
– 135 –
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Olesia N. Makhutova, Nadezhda N. Sushchik… Fatty Acid Content and Composition of Freshwater Planaria…
object for morphological and cytological studies
of regeneration (Politi et al., 1992; Cebria, 2007;
Handberg-Thorsager et al., 2008). Planarians are
primarily carnivorous consumers, but they can
feed on dead organisms of invertebrates, detritus
and decaying organic matter, and some species
feed on diatoms (Dogel, 1975).
The
planaria
Dendrocoelopsis
sp.
(Planariidae, Turbellaria, Platyhelminthes) is a
benthic habitant of the Yenisei River and one of
the food sources for the dominant benthivorous
fish Thymallus arcticus (Sushchik et al., 2006).
The planaria’s body is very soft that results in
difficult distinguishing planarians in gut contents
of the fish. We assume that the planarians are
assimilated rather effectively and may be of
importance in the fish nutrition.
Fatty acid contents are currently considered
as the key indicator of biochemical food quality
in aquatic food web studies (Gulati and DeMott,
1997). Fatty acid content and composition of
freshwater planarians are almost unknown.
The only data on fatty acid composition of
phospholipids in this taxa are given in (Politi et
al., 1992).
The specificity of fatty acid (FA) synthesis
and composition in different taxonomic groups is
the basis for their wide use as biochemical markers
of trophic and metabolic interactions in aquatic
ecosystems (Desvilettes et al., 1997; Leveille et
al., 1997). FA markers have been used to map the
transfer of the organic matter through aquatic food
webs and understand diet patterns of the aquatic
animals (Ederington et al., 1995; Gladyshev et
al., 1999, 2000). Recently, along with biomarker
significance of FA in aquatic ecosystems an
important role of some polyunsaturated fatty
acids (PUFA), which are essential components
in nutrition of aquatic invertebrates and fish, are
emphasized (Brett and Muller-Navarra, 1997;
Muller-Navarra et al., 2000). Studies of yields of
PUFA and their transfer within aquatic food webs
must include an exact knowledge of FA contents
in natural animal populations.
The aim of present work was to study fatty
acid content and composition of freshwater
planarian Dendrocoelopsis sp. from the Yenisei
River: i) to specify its FA profile and find specific
FAs or ratios, which can be used in trophic marker
studies; ii) to estimate its potential as a source of
essential PUFA for the higher trophic level.
Investigated area, materials and methods
Samples of planarians were collected in
April and October of 2005, in January, October
and December of 2006, January and September
of 2007 from the Yenisei River (Siberia,
Russia) in vicinity of Krasnoyarsk city(55o 58’
N and 92o 43’ E). Organisms were sampled
from the littoral part at the site using a kickbottom sampler by disturbing an area in frame
40×35 cm upstream of attached net (mouth
40×40 cm, mesh size 0.25 mm). Immediately
after sorting, the live animals were placed into
beakers with tap water for 24 h to empty their
guts. Then the animal’s body surfaces were
gently wiped with filter paper and the animals
(2-3 individuals) were weighed and placed in
chloroform:methanol mixture (2:1, v/v) and kept
until further analysis at −20 °C. Laboratory FA
analyses and comprehensive identification of
fatty acids are described in details elsewhere
(Makhutova et al., 2003; Sushchik et al.,
2003). Briefly, lipids from the samples were
extracted with chloroform:methanol (2:1,
v/v) 3 times simultaneously with mechanical
homogenization of the tissues with glass beads.
Before extraction, a fixed volume of an internal
standard solution (19:0) was added to the samples.
The combined lipid extracts were filtered, dried
by passing through anhydrous Na 2SO4 layer
and evaporated at 35 °C. The lipid extract was
subjected to acidic methanolysis as described
previously (Gladyshev et al., 2000). Methyl
– 136 –
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Olesia N. Makhutova, Nadezhda N. Sushchik… Fatty Acid Content and Composition of Freshwater Planaria…
esters of fatty acids (FAMEs) were analyzed
on a gas chromatograph equipped with a mass
spectrometer detector (GCD Plus, HewlettPackard, USA) and a 30 m long ×0.32 mm
internal diameter capillary column HP-FFAP.
The column temperature programming was
as follows: from 100 to 190 °C at 3 °C/min,
5 min isothermally, to 230 °C at 10 °C/min,
and 20 min isothermally. Other instrumental
conditions were as described elsewhere
(Gladyshev et al., 2000). Peaks of FAME were
identified by their mass spectra compared to
those in the database (Hewlett-Packard, USA)
and to those of available authentic standards
(Sigma, USA). Positions of double bonds in
monoenoic acids were determined by GSMS
of FAME dimethyldisulphide adducts prepared
as described elsewhere (Christie, 1989). To
determine double bond positions in polyenoic
acids, GC-MS of dimethyloxazoline derivatives
of FA was used (Sushchik et al., 2003).
Results
Samples of planarians were represented by
Dendrocoelopsis sp. with individual’s sizes ranged
from 4 to 12 mm. More than 50 FA species were
identified in the animal’s bodies and contents of
45 prominent acids are given in Table 1.
Average content of saturated fatty acids
(SFA) was 6.00±0.96 mg/g of wet weight
(~25 % of the total) (Fig. 1). Among them 16:0,
18:0 and 14:0 dominated. Monounsaturated
fatty acids (MUFA) were in average 8.26±1.34
mg/g of wet weight (~35 % of the total) (Table
1, Fig. 1). Monoenoic acids were primarily
represented by 18:1ω9, 16:1ω7 and 18:1ω7
(Table 1).
Bacterial fatty acids, including those with
odd straight and branched short chains were
found. Their sum was in average 2.33±0.3 mg/g
of wet weight (~10 % of the total), and among
them 18:1ω7 dominated (Table 1).
PUFA were in average 9.23±1.59 mg/g of
wet weight (~38 % of the total) (Table 1, Fig. 1).
Fatty acids 20:5ω3, 22:5ω3, 18:3ω3, 18:2ω6 and
22:6ω3 had significant levels (Table 1). The
planaria contained various PUFA with different
chain lengths, from 16 to 22 carbon atoms. The
groups of C20-PUFA and C22-PUFA had similar
high values, 3.07±0.75 (12.5 % of the total) and
2.80±0.35 (12.3 % of the total) mg/g of wet weight,
respectively. Note that the studied planaria was
characterized by especially high concentrations
of long-chain pentaenoates: 20:5ω3 and 22:5ω3
(Table 1). C16 PUFA in the animals presented in
small quantities, approximately 4 % of the total.
Among them, 16:2ω4, 16:3ω4, 16:3ω3 and 16:4ω1
dominated (Table 1, Fig. 1a). The percentage of
C18 PUFA was in average 9.0 % of the total,
fatty acids 18:3ω3, 18:2ω6 had significant levels
(Table 1, Fig. 1a). The mean content of ω3 PUFA
was significantly higher than that of ω6 PUFA,
7.20±1.21 and 1.22±0.22 mg/g of wet weight,
respectively (Fig. 1b).
Total concentration of fatty acids was
23.69±3.79 mg/g of wet weight. The minimum
value of total concentration was found in April
of 2005, and the maximum value – in October of
2006 (Table 1).
Many FA data in the literature are given
in mg/g dry weight. Unfortunately, we didn’t
manage to directly measure moisture content of
the studied planarians. In order to facilitate the
comparison with such data of other types of fish
food, we estimated the mean moisture content,
using the mean content of several dominant
benthic invertebrates from the Yenisei River
(Gammaridae – 75.3±0.78 %, Trichoptera –
83.8±1.3 %, Chironomidae – 78.0±0.54 and
Oligochaeta – 78.1±0.96), which accounted for
78.8±1.79 %, p<0.01. We extrapolated the mean
moisture for benthos to the studied planaria and
calculated the concentrations of dominant fatty
acids in mg/g per dry weight (Table 2).
– 137 –
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Table 1. Content of FAs (mg/g of wet weight) of the planaria Dendrocoelopsis sp. from the Yenisei River
Fatty acids
April
1
2005
October
2
January
3
2006
October December
4
5
January
6
2007
September
7
8
M±SE
9
12:0
0.02
0.01
0.02
0.08
0.03
0.01
0.22
0.06±0.03
14:0
0.16
0.34
0.37
1.53
0.62
0.39
0.90
0.62±0.18
15:0
0.03
0.04
0.06
0.15
0.09
0.05
0.27
0.10±0.03
16:0
1.87
2.49
3.92
7.46
4.75
2.86
4.09
3.92±0.70
17:0
0.06
0.06
0.16
0.21
0.13
0.15
0.18
0.14±0.02
18:0
0.63
1.09
0.85
1.07
0.98
1.16
1.22
1.00±0.08
20:0
0.05
0.07
0.08
0.09
0.08
0.07
0.09
0.08±0.01
22:0
0.06
0.06
0.10
0.13
0.13
0.08
0.14
0.10±0.01
i14:0
0.01
0.01
0.01
0.03
0.02
0.01
0.05
0.02±0.01
ai15:0
0.04
0.06
0.07
0.14
0.09
0.06
0.15
0.09±0.02
i15:0
0.02
0.02
0.02
0.06
0.02
0.02
0.12
0.04±0.01
ai17:0
0.02
0.03
0.03
0.06
0.05
0.03
0.05
0.04±0.01
14:1ω7+14:1ω5 0.01
0.02
0.07
0.07
0.23
0.02
0.11
0.07±0.03
16:1ω9
0.09
nd
nd
nd
0.12
nd
0.20
0.06±0.03
16:1ω7
0.61
1.21
1.73
4.60
3.20
1.35
2.02
2.10±0.52
16:1ω5
nd
0.03
0.08
0.08
0.05
0.03
0.05
0.05±0.01
17:1
0.03
0.01
nd
0.04
0.07
0.03
0.02
0.03±0.01
18:1ω9
2.59
2.99
3.83
8.23
3.37
3.99
2.79
3.97±0.74
18:1ω7
1.61
1.38
1.24
2.23
2.44
1.22
2.02
1.73±0.19
18:1ω5
0.02
0.03
nd
0.08
nd
0.03
nd
0.02±0.01
20:1ω9
0.01
0.19
0.12
0.20
0.02
0.18
0.13
0.12±0.03
20:1ω7
0.15
0.04
nd
0.13
0.09
0.03
0.05
0.07±0.02
16:2ω7
0.03
0.01
0.03
0.06
0.02
0.02
0.02
0.03±0.01
16:2ω6
0.01
0.02
nd
0.04
0.11
0.02
0.03
0.03±0.01
16:2ω4
0.07
0.17
0.14
0.75
0.34
0.20
0.44
0.30±0.09
16:3ω4
0.06
0.10
0.10
0.36
0.33
0.19
0.32
0.21±0.05
16:3ω3
0.05
0.08
0.19
0.15
0.67
0.13
0.14
0.20±0.08
16:4ω3
0.03
0.04
0.10
0.08
0.38
0.06
0.09
0.11±0.05
16:4ω1
0.02
0.07
0.07
0.28
0.35
0.12
0.43
0.19±0.06
18:2ω6
0.31
0.39
0.44
1.11
0.74
0.51
0.62
0.59±0.10
18:2Δ9,13
0.04
0.09
0.05
0.15
0.07
0.09
0.13
0.09±0.02
18:3ω6
0.03
0.08
0.05
0.19
0.10
0.09
0.08
0.09±0.02
18:3ω3
0.59
0.54
0.75
1.18
2.67
1.04
0.88
1.09±0.28
18:4ω3
0.15
0.23
0.16
0.78
0.45
0.28
0.43
0.35±0.08
20:2ω6
0.05
0.04
0.07
0.26
0.12
0.12
0.07
0.10±0.03
20:3ω6
0.01
0.02
0.01
0.06
0.02
0.03
0.02
0.03±0.01
20:3ω3
0.07
0.06
0.04
0.19
0.10
0.10
0.07
0.09±0.02
20:4ω6
0.10
0.08
0.08
0.34
0.15
0.23
0.09
0.15±0.04
20:4ω3
0.04
0.06
0.04
0.15
0.06
0.07
0.08
0.07±0.01
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Table 1. (continuation)
1
2
3
4
5
20:5ω3
1.63
1.88
0.94
6.25
21:5ω3
0.04
0.05
0.04
0.14
22:4ω6
0.20
0.11
0.12
0.25
22:5ω6
0.02
0.02
0.02
0.05
22:5ω3
1.89
2.21
0.93
6
7
8
9
2.54
2.60
2.56
2.63±0.65
%
0.12
0.08
0.06
0.08±0.02
0.34
0.30
SFA
0.21±0.04
0.03
30
0.02
0.12a
nd
2.60
2.36
2.39
2.02
C16PUFA
2.06±0.21
36
MUFA
0.02±0.01
iso+ai
C18PUFA
22:6ω3
0.48
0.22
0.15
1.08
24
0.73
0.73
0.20
0.51±0.13
Total
14.07
16.80
17.26
43.22
29.49
21.22
23.77
23.69±3.79
C22PUFA
ω3 PUFA
4.97
5.35
3.33
12.61
10.07
7.48
6.54
7.20±1.21
ω6 PUFA
0.73
0.75
0.78
2.29
12
1.63
1.30
1.03
1.22±0.22
ω3/ω6
6.83
7.10
4.26
5.50
6.18
5.74
6.32
5.99±0.36
18
C20PUFA
6
n.d. – not detected
0
%
%
35
36
a
30
SFA
MUFA
C16PUFA
24
Ȧ3
25
Ȧ6
b
C18PUFA
C20PUFA
18
30
iso+ai
20
C22PUFA
15
12
10
6
5
0
0
%
35
Fig. 1. Average levels (M, %) of FA groups in the planaria Dendrocoelopsis sp. from the Yenisei River, bars
represent
standard errors.
Ȧ3 a) – SFA – saturated fatty acids (sum of 12:0, 14:0, 15:0, 16:0, 17:0, 18:0, 20:0, and 22:0);
30
b acids (sum of 14:1ω7, 14:1ω5, 16:1ω9, 16:1ω7, 16:1ω5, 17:1ω, 18:1ω9, 18:1ω7,
MUFA – monounsaturated fatty
Ȧ6 and 24:1ω9); iso+anteisoacids (i14:0, ai15:0, i15:0, i15:1, ai17:0); C16-PUFA (16:2ω7,
18:1ω5,
20:1ω9, 20:1ω7,
25
16:2ω4, 16:3ω4, 16:4ω1, 16:2ω6, 16:3ω3, 16:4ω3); C18-PUFA (18:2ω6, 18:2Δ9,13, 18:3ω6, 18:3ω3, 18:4ω3); C20PUFA
(20:2ω6, 20:3ω6, 20:4ω6, 20:3ω3, 20:4ω3, 20:5ω3); C22-PUFA (22:4ω6, 22:5ω6, 22:5ω3, 22:6ω3). b) –
20
ω3 – sum of ω3 PUFA; ω6 – sum of ω6 PUFA
15
10
5
0
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Olesia N. Makhutova, Nadezhda N. Sushchik… Fatty Acid Content and Composition of Freshwater Planaria…
Table 2. Content of dominant FAs (mg/g of dry weight) of the planaria Dendrocoelopsis sp. from the Yenisei
River.
2005
2006
2007
M±SE
Fatty acids
April
October
January
October
December
January
September
14:0
0.75
1.60
1.75
7.22
2.92
1.84
4.25
2.9±0.83
16:0
8.82
11.75
18.49
35.19
22.41
13.49
19.29
18.49±3.31
18:0
2.97
5.14
4.01
5.05
4.62
5.47
5.75
4.72±0.36
16:1ω7
2.88
5.71
8.16
21.70
15.09
6.37
9.53
9.92±2.43
18:1ω9
12.22
14.10
18.07
38.82
15.90
18.82
13.16
18.73±3.47
18:1ω7
7.59
6.51
5.85
10.52
11.51
5.75
9.53
8.18±0.88
16:2ω4
0.33
0.80
0.66
3.54
1.60
0.94
2.08
1.42±0.42
16:3ω4
0.28
0.47
0.47
1.70
1.56
0.90
1.51
0.98±0.23
16:4ω1
0.09
0.33
0.33
1.32
1.65
0.57
2.03
0.9±0.29
18:2ω6
1.46
1.84
2.08
5.24
3.49
2.41
2.92
2.78±0.48
18:3ω3
2.78
2.55
3.54
5.57
12.59
4.91
4.15
5.15±1.31
20:5ω3
7.69
8.87
4.43
29.48
11.98
12.26
12.08
12.4±3.05
22:5ω3
8.92
10.42
4.39
12.26
11.13
11.27
9.53
9.7±0.98
22:6ω3
2.26
1.04
0.71
5.09
3.44
3.44
0.94
2.42±0.62
Total
66.37
79.25
81.42
203.87
139.10
100.09
112.12
111.8±17.87
ω3 PUFA
23.44
25.24
15.71
59.48
47.50
35.28
30.85
33.93±5.7
ω6 PUFA
3.44
3.54
3.68
10.80
7.69
6.13
4.86
5.73±1.03
Discussion
The study is focused on description of fatty
acid content and composition of a freshwater
planaria. The main characteristic of the studied
planaria Dendrocoelopsis sp. is comparatively
high level of ω3 docosapentaenoic acid (ω3DPA,
22:5ω3) which is 2 – 10 times higher than level of
docosahexaenoic acid (DHA, 22:6ω3). In the work
by L. Politi and coauthors (1992) the similar result
for fatty acids in phospholipids has been showed.
However, the planaria species from the cited
work has been characterized by a low percentage
of eicosapentaenoic acid (EPA, 20:5ω3), while
in our study both pentaenoic long-chain acids,
22:5ω3 and 20:5ω3, showed similar high values.
We suppose that high concentration of ω3DPA
is a specific feature of fatty acid composition of
Planariidae family.
According to data of Politi et al. (1992),
planaria Dugesia anceps contained higher levels
of ω6 PUFA than the planaria Dendrocoelopsis
sp. in our study. Among ω6 PUFA 20:4ω6, 18:2ω6
and 22:5ω6 dominated in Dugesia anceps, while
Dendrocoelopsis sp. contained mainly 18:2ω6,
22:4ω6 and 20:4ω6 (Table 1). Unfortunately,
there is no other data on fatty acid composition
in planarians in the known literature. Hence,
we compare our data with available values for
different species of worms. Schlechtriem et al.
(2004) has studied fatty acid composition of freeliving nematode Panagrellus redivivus grown
on various culture media. Among PUFA of P.
redivivus 18:2ω6, 20:4ω6, 20:3ω6 dominated. The
percentage of 20:5ω3 varied from 1.7 % to 6.1 %
in P. redivivus, compare to content of this FA in
Dendrocoelopsis sp. ranged from 5.4 % to 14.3 %.
FA 22:5ω3 has not been detected in P. redivivus
bodies. In contrast to our data, the content of ω6
PUFA in nematode P. redivivus was significantly
higher than that ω3 PUFA (Schlechtriem et al.,
2004). In another study of nematode P. redivivus
similar FA profiles have been reported, including
– 140 –
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Olesia N. Makhutova, Nadezhda N. Sushchik… Fatty Acid Content and Composition of Freshwater Planaria…
the lack of 22:5ω3 (Chamberlain et al., 2005). In
contrast, in biomass of nematode Caenorhabditis
elegans 22:5ω3 was detected in small quantities;
however, ω3/ω6 ratio was much lower than in the
studied planaria (Kang et al., 2001). We have also
compared our data with fatty acid composition of
different oligochaetes. L. Sampedro and coauthors
(2006) have found that PUFA in Lumbricus
terrestris dominated by 20:5ω3 and 20:4ω6. The
percentage of 22:5ω3 in this species accounted for
2.66±0.17 % while 20:5ω3 and 20:4ω6 accounted
for 21.46±1.0 % and 15.86±0.96 % respectively
the inactivation of apoptosis in the newly formed
cells. The ω3 PUFA, DHA, has recently been
shown to prevent neuronal apoptosis (Rotstein et
al., 1997; German et al., 2006). Several FA have
been tested, including DHA, ω6DPA, ARA, oleic
and palmitic acids, with DHA being the most
effective in promoting photoreceptor survival
and in decreasing the number of apoptotic
nuclei (Rotstein et al., 1997; Kim et al., 2003).
Omega-3DPA has not been tested; however, it
might have the similar neural properties as DHA
in planarians. However, DHA is considered
(Sampedro et al., 2006). In our previous work,
oligochaetes from the Yenisei River (Lumbriculus
variegatus, Pristinella bilobata, and Stylaria
lacustris) contained low percentage of 22:5ω3 (in
average 2.2 %) (Sushchik et al., 2007). Among
PUFA, EPA dominated in oligochaetes, accounting
for about 20 %. The ratio ω3/ω6 in oligochaetes of
the Yenisei River was in 2 times lower compare to
that in the planaria (Sushchik et al., 2006).
In general, ω3DPA is not unique FA for most
aquatic organisms, and have been found in significant
quantities in fish (Ahlgren et al., 1994; Zenebe et
al., 1998, 2003). Meanwhile, the percentages of
ω3DPA were close to that of EPA, but markedly
lower than that of DHA for the all studied species
of omnivorous, carnivorous and herbivorous fish
(Zenebe et al., 1998). Significant amounts of ω3DPA
have been found in seal adipose tissues, however its
percentage also didn’t exceed that of DHA (Shahidi
et al., 1994; Brox et al., 2001).
On the basis of our finding the question
arises why namely ω3DPA is build up in
significant amounts and become the keystone ω3
PUFA in planarians? The physiological role of
this PUFA almost is unknown, and we can just
speculate. The flatworm planarians are known to
have ability of fast regeneration and to have stem
cells which allow the complete restoration of the
nervous system in just a few days. In addition, it
is known that the regeneration process requires
nowadays as the unique fatty acid with specific
properties. The sixth ethylenic bond in DHA
changes the character of the fatty acid compare
to those with five bonds (ω3 and ω6 DPA),
completing the methylene-interrupted sequence
along the carbon chain and conferring a folded,
slightly spiral nature to the molecule (Crawford
et al., 1999). Hence, ω3DPA is unlikely able to
function as DHA in neural membranes.
Besides, ω3DPA is an intermediate product in
synthesis of DHA from EPA, and its accumulation
might be used as a reserve for DHA synthesis.
The studied planaria contained typical
bacterial fatty acid markers: i14:0, ai15:0, i15:0,
i15:1, ai17:0, 15:0, 17:0, 17:1 and 18:1ω7, and fatty
acid markers of diatoms: 16:1ω7, 16:2ω7, 16:2ω4,
16:3ω4, 16:4w1, 20:5ω3 (Erwin, 1973; Claustre
et al., 1988/1989; Reemtsma et. al., 1990; Parrish
et al., 1992; Dzierzewicz et. al., 1996; Leveille
et al., 1997; Shin et al., 2000; Saliot et. al., 2001;
Makhutova and Khromechek, 2008). We suppose
that this finding indicates feeding the planaria
on the epiphytes of stones and periphytic algae.
Periphyton from the Yenisei River collected in
the littoral from stones contained diatoms mainly
in autumn, winter and early spring (Gladyshev et
al., 2005; Sushchik et al., 2007).
In conclusion, the main characteristic
of FA composition of the studied freshwater
representative of Planariidae is an extremely high
– 141 –
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Olesia N. Makhutova, Nadezhda N. Sushchik… Fatty Acid Content and Composition of Freshwater Planaria…
ratio (2 – 10) of ω3DPA to DHA, that is unusual
for most hydrobionts of different organizational
levels. The causes of accumulation of ω3DPA
in planarians stay unknown and we hypothesise
on its involvement in regeneration processes of
nervous system. The content of sum ω3 PUFAs
which are essential for the nutrition of aquatic
organisms of the higher trophic levels was high.
Acknowledgments
We used GS-MS of Joint Equipment Unit
of Krasnoyarsk Scientific Centre of Siberian
Branch of Russian Academy of Sciences.
The work was supported by award No. REC002 and project grant PG07-002-1 of the
U.S. Civilian Research and Development
Foundation for the Independent States of
the Former Soviet Union (CRDF) and the
Ministry of Education and Sciences of Russian
Federation, grant of Russian Foundation for
Basic Research (RFBR) No. 08-05-00095-а,
and by the personal grant of the President of
the Russian Federation No. MD-4114.2008.04
for young scientists.
References
Ahlgren G., Blomqvist P., Boberg M., Gustafsson J.-B. (1994) Fatty acid content of the dorsal
muscle – an indicator of fat quality in freshwater fish. J. Fish Biol. 45:131–157.
Brett M.T., Muller-Navarra D.C. (1997) The role of highly unsaturated fatty acids in aquatic
foodweb processes. Freshwater Biology 38: 483–499.
Brox J., Olaussen K., Østerud B., Elvevoll E. O., Bjørnstad E., Brennf T., Brattebø G., Iversen H. (2001) A
Long-Term Seal- and Cod-Liver-Oil Supplementation in Hypercholesterolemic Subjects. Lipids 36: 7–13.
Cebria F. (2007) Regenerating the central nervous system: how easy for planarians! Development
Genes and Evolution 217: 733-748.
Chamberlain P.M., Bull I.D., Black H.I.J., Inesonc P., Evershed R.P. (2005) Fatty acid composition
and change in Collembola fed differing diets: identification of trophic biomarkers. Soil Biology &
Biochemistry 37: 1608-1624.
Christie W.W. (1989) Gas Chromatography and Lipids. A Practical Guide. The Oily Press, Ayr,
Scotland.
Claustre H., Marty J.-C., Cassiani L., Dagaut J. (1988/1989) Fatty acid dynamics in phytoplankton
and microzooplankton communities during a spring bloom in the coastal Ligurian Sea: ecological
implications. Mar. Micr. Food Webs 3: 51-66.
Crawford M.A., Bloom M., Broadhurst C.L., Schmidt W.F., Cunnane S.C., Galli C., Gehbremeskel
K., Linseisen F., Lloyd-Smith J., Parkington J. (1999) Evidence for the unique function of docosahexaenoic
acid during the evolution of the modern hominid brain. Lipids 34: S39-S47.
Dogel V.A. (1975) Zoology of invertebrates. Vycshaya shkola, Moscow, 560 p. (in Russian)
Desvilettes C., Bourdier G., Amblard C., Barth B. (1997) Use of fatty acids for the assessment of
zooplankton grazing on bacteria. protozoans and microalgae. Freshwater Biology 38: 629-637.
Dzierzewich Z., Cwalina B., Kurkiewicz S., Chodurek E., Wilczok T. (1996) Introspecies
variability of cellular fatty acids among soil and intestinal strains of Desulfovibrio desulfuricans Appl.
Environ. Microbiology 62: 3360-3365.
Ederington M.C., McManus G.M., Harvey H.R. (1995) Trophic transfer of fatty acids, sterols and
a triterpenoid alcohol between bacteria, a ciliate and the copepod Acartia tonsa. Limnol., Oceanogr.
40: 860-867.
– 142 –
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Olesia N. Makhutova, Nadezhda N. Sushchik… Fatty Acid Content and Composition of Freshwater Planaria…
Erwin J. (1973) Comparative biochemistry of fatty acids in eucaryotic microorganisms. Lipids
and biomembranes of eucaryotic microorganisms. Academic Press, NewYork, p. 41-143.
Gladyshev M.I., Emelianova A.Y., Kalachova G.S., Zotina T.A., Gaevsky N.A., Zhilenkov
M.D. (2000) Gut content analysis of Gammarus lacustris from Siberian Lake using biochemical and
biophysical methods. Hydrobiologia 431: 155–163.
German O.L., Insua M.F., Gentili C., Rotstein N.P. Politi L.E. (2006) Docosahexaenoic acid
prevents apoptosis of retina photoreceptors by activating the ERK/MAPK pathway. J. Neurochem 98:
1507–1520.
Gladyshev M.I., Sushchik N.N., Skoptsova G.N., Parfentsova L.S., Kalachova G.S. (1999) Use of
Biochemical Markers Provides Evidence of Selective Feeding in Zoobenthic Omnivorous Organisms
of a Fish-rearing Pond. Doklady Biological Sciences 364: 67–69.
Gladyshev M.I., Sushchik N.N., Kravchuk E.S., Ivanova E.A., Ageev A.V., Kalacheva
G.S. (2005) Seasonal Changes in the Standing Stock of Essential Polyunsaturated Fatty Acids
in the Biomass of Phyto- and Zoobenthos on a Littoral Station of the Yenisei River. Doklady Biological
Sciences 403: 267-268.
Handberg-Thorsager M., Fernandez E., Salo E. (2008) Stem cells and regeneration in planarians.
Frontiers in Bioscience. 13: 6374-6394.
Kim H.-Y., Akbar M., Lau A. (2003) Effects of Docosapentaenoic Acid on Neuronal Apoptosis.
Lipids 38: 453–457.
Kang Z.B., Ge Y., Chen Z., Cluette-Brown J., Laposata M., Leaf A., Kang J.X. (2001) Adenoviral
gene transfer of Caenorhabditis elegans n-3 fatty acid desaturase optimizes fatty acid composition in
mammalian cells. PNAS 98: 4050-4054.
Leveille J.C., Amblard C., Bourdier G. (1997) Fatty acids as specific algal markers in a natural
lacustrian phytoplankton. J. Plankton Res. 19: 469-490.
Makhutova O.N., Kalachova G.S., Gladyshev M.I. (2003) A comparison of the fatty acid
composition of Gammarus lacustris and its food sources from a freshwater reservoir, Bugach, and the
saline Lake Shira in Siberia, Russia. Aquatic Ecology 37: 159–167.
Makhutova O.N., Khromechek E.B. (2008) Fatty acids of sestonic lipid classes as a tool to study
nutrition spectra of rotifers and ciliates in a Siberian eutrophic Reservoir. Journal of Siberian Federal
University. Biology 1: 40-59.
Müller-Navarra D.C., Brett M.T., Liston A.M., Goldman C.R. (2000) A highly unsaturated
fatty acid predicts carbon transfer between primary producers and consumers. Nature 403:
74-77.
Parrish C.C., Bodennec G., Macpherson E.J., Ackman R.G. (1992) Seawater fatty acids and lipid
classes in an Urban and a Rural Nova Scotia inlet. Lipids 27: 651-655.
Politi L.E., De Santos S.V., De Linares L.V. (1992) Phospholipids and fatty acids in intact and
regenerating Dugesia anceps, a fresh water planaria. Zoological Science 9: 671-674.
Rotstein N.P., Aveldaflo M.I., Barrantes F.J., Roccamo A.M., Politi L.E. (1997) Apoptosis of
Retinal Photoreceptors During Development In Vitro: Protective Effect of Docosahexaenoic Acid. J.
Neurochem 69: 504-513.
Reemtsma T., Haake B., Ittekkot V., Nair R.R., Brockmann U.H. (1990) Downward flux of
particulate fatty acids in the Central Arabian Sea. Marine Chem. 29: 183-202.
– 143 –
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Olesia N. Makhutova, Nadezhda N. Sushchik… Fatty Acid Content and Composition of Freshwater Planaria…
Saliot A., Mejanelle L., Scribe P., Fillaux J., Pepe C., Jabaud A., Dagaut J. (2001) Particulate
organic carbon, sterols, fatty acids and pigments in the Amazon River system. Biogeochemistry 53:
79-103.
Sampedro L., Jeannotte R., Whalen J.K. (2006) Trophic transfer of fatty acids from gut microbiota
to the earthworm Lumbricus terrestris L. Soil Biology and Biochemistry 38: 2188-2198.
Schlechtriem C., Ricci M., Focken1 U., Becker K. (2004) The suitability of the free-living nematode
Panagrellus redivivus as live food for first-feeding fish larvae. J. Appl. Ichthyol. 20: 161–168.
Shin K.H., Hama T., Yoshie N., Noriki S., Tsunogai S. (2000) Dynamics of fatty acids in newly
biosynthesized phytoplancton cells and seston during a spring bloom off the west coast of Hokkaido
Island, Japan. Marine Chem. 70: 243-256.
Shahidi F., Synowiecki J., Amarowicz R., Wanasundara U. (1994) Omega-3-fatty-acid composition
and stability of seal lipids. Lipids in Food Flavors 558: 233-243.
Sushchik N.N., Gladyshev M.I., Moskvicheva A.V., Makhutova O.N., Kalachova G.S. (2003)
Comparison of fatty acid composition in major lipid classes of the dominant benthic invertebrates of
the Yenisei river. Comp. Biochem. Physiol. Part B. 134: 111-122.
Sushchik N.N., Gladyshev M.I., Kalachova G.S., Makhutova O.N., Ageev A.V. (2006) Comparison
of seasonal dynamics of the essential PUFA contents in benthic invertebrates and grayling Thymallus
arcticus in the Yenisei river. Comp. Biochem. Physiol. Part B. 145: 278–287.
Sushchik N.N., Gladyshev M.I., Kravchuk E.S., Ivanova E.A., Ageev A.V., Kalachova G.S. (2007)
Seasonal dynamics of long-chain polyunsaturated fatty acids in littoral benthos in the upper Yenisei
river. Aquatic Ecology 41: 349-365.
Zenebe T., Ahlgren G., Boberg M. (1998) Fatty acid content of some freshwater fish of commercial
importance from tropical lakes in the Ethiopian Rift Valley. J. Fish Biol. 53: 987–1005.
Zenebe T., Boberg M., Sonesten L., Ahlgren G. (2003) Effects of algal diets and temperature on
the growth and fatty acid content of the cichlid fish Oreochromis niloticus L. – A laboratory study.
Aquatic Ecology 37: 169–182.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Journal of Siberian Federal University. Biology 2 (2009 2) 145-156
~~~
УДК 145
Ультраструктурные особенности поражения
эпителия бронхов мышей при заражении
разными штаммами вируса гриппа А/H5N1
О.С. Таранов,a, b Е.М. Малковаa, А.А. Сергеевa,
А.Н. Шиковa, Е.И. Рябчиковаb,c,*
a
ФГУН Государственный научный центр вирусологии
и биотехнологии «Вектор»
Россия 630559, НСО Новосибирский район, р. п. Кольцово
b
Институт химической биологии
и фундаментальной медицины СО РАН
Россия 630090, Новосибирск, пр. ак. Лаврентьева, 8
c
Новосибирский государственный университет,
Россия 630090, Новосибирск, ул. Пирогова, 2 1
Received 1.06.2009, received in revised form 8.06.2009, accepted 15.06.2009
Вирус гриппа субтипа H5N1 вызывает тяжелое заболевание у людей и широкого спектра
видов птиц и животных. Динамику патологических изменений бронхов изучали на мышах,
интраназально зараженных штаммами вируса гриппа А/Chicken/Kurgan/05/2005, A/Duck/
Kurgan/08/2005 и A/Chicken/Suzdalka/Nov-11/2005, обладающими разной патогенностью для
этого вида животных. Размножение вируса выявлено в реснитчатых клетках бронхиального
эпителия. Описаны выраженные деструктивные изменения эпителия бронхов, развивающиеся
уже через 24 ч после заражения мышей и нарастающие в ходе инфекции. Отмечен интенсивный
апоптоз клеток бронхиального эпителия мышей, зараженных штаммом A/Chicken/Suzdalka/
Nov-11/2005.
Ключевые слова: вирус гриппа, H5N1, эпителий бронхов, патологические изменения.
Введение
Вирус гриппа, ежегодно вызывающий
сезонную волну заболеваний по всему миру,
с появлением субтипа А/H5N1 (вирус гриппа
птиц) стал угрозой новой пандемии гриппа.
Именно вирус гриппа субтипа А/H5N1 считается наиболее вероятным источником нового
высоко патогенного варианта, который будет
способен быстро передаваться от человека к
*
1
человеку, вызывая гибель миллионов людей.
В последние годы вирус гриппа субтипа А/
H5N1 проявил себя как смертельный агент,
приводящий к гибели птиц как в природных
условиях, так и в промышленном и домашнем
птицеводстве. Десятки миллионов куриц и
уток погибли и были уничтожены в последние
годы по всему миру в связи с распространением вируса гриппа А/H5N1. Отличительной
Corresponding author E-mail address: lenryab@yandex.ru
© Siberian Federal University. All rights reserved
– 145 –
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
О.С. Таранов, Е.М. Малкова… Ультраструктурные особенности поражения эпителия бронхов мышей…
и потенциально наиболее опасной особенностью этого вируса является способность вызывать тяжелое высоколетальное заболевание
у людей, передаваясь непосредственно от
птиц, без промежуточного хозяина.
Эпизоотия гриппа птиц А/H5N1 в России
началась 10 июля 2005 г. в селе Суздалка Доволенского района Новосибирской области,
затем вирус распространился на территорию
шести областей Сибирского и Уральского
федеральных округов. Вирус поражал как домашнюю, так и дикую птицу, наиболее тяжелая клиническая картина отмечалась у куриц,
при этом характер поражений органов и течение инфекции не отличались от описанных в
литературе (Онищенко, 2006). Вирусы гриппа
А/H5N1, выделенные на территории России,
относятся к Цинхайской группе (Qinghai) вирусов и были занесены на территорию страны перелетными птицами (Онищенко и др.,
2006).
Респираторный тракт служит главной
мишенью для вируса гриппа у большинства
чувствительных организмов, включая людей.
Изучение патогенеза гриппа, эффективности
лечебных и профилактических препаратов
против этого вируса проводится на различных животных, в том числе мышах, которые
являются самыми доступными экспериментальными моделями. Наиболее распространенный вариант вируса гриппа А/H3N2, вызывающий сезонные вспышки заболевания
людей, для мышей не патогенен и был специально адаптирован к этим животным путем серийных пассажей (штамм А/Aichi/2/68
(H3N2). При интраназальном заражении этот
вирус вызывает выраженные воспалительнонекротические изменения легких, через 2-3
суток после заражения вирус накапливается
в легких до 108 ЭИД на 1 г ткани (Stephen et
al., 1975; Larson et al., 1976). Штаммы вируса
гриппа А/H5N1, выделенные как от птиц, так
и от людей, вызывают заболевание мышей
без предварительной адаптации. Патогенность вируса гриппа H5N1 для мышей варьирует и зачастую совпадает с патогенностью
для организма-источника вируса, что служит
еще одним доводом в пользу разработки экспериментальных моделей гриппа на мышах
(Gao et al., 1999; Dybing et al., 2000; Perrone et
al., 2008). Публикации о характере поражения
легких при инфекции разными штаммами
вируса гриппа немногочисленны и не дают
исчерпывающего представления о развитии
патологических изменений дыхательного
тракта в ходе инфекции. Задачей настоящего
исследования стало сравнительное изучение
поражения воздухоносных путей при заражении мышей выделенными в России штаммами
вируса гриппа А/H5N1, обладающими разной
патогенностью для этого вида животных.
Материалы и методы
Вирус гриппа: штамм A/Chicken/
Kurgan/05/2005 (ЛД50 при интраназальном заражении мышей составляла 1,1±0,4 lg ЭИД50)
штамм A/Duck/Kurgan/08/2005 (ЛД50 при
интраназальном заражении была 4,7±0,6 lg
ЭИД50) и штамм A/Chicken/Suzdalka/Nov11/2005 (ЛД50 при интраназальном заражении
равнялась 6,7±0,7 lg ЭИД50). Контрольной
группе мышей вводили физиологический
раствор.
В работе использовали белых беспородных мышей весом 12-15 г для исключения
влияния генотипа на патогенез заболевания.
Мышей заражали интраназально вышеперечисленными штаммами в дозе 10 ЛД50. Животных получали из питомника ФГУН ГНЦ
ВБ «Вектор».
Образцы легких отбирали каждые 24 ч
в течение 8 суток после заражения, умерщвляя животных методом цервикальной дислокации. В экспериментах использовали по
– 146 –
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
О.С. Таранов, Е.М. Малкова… Ультраструктурные особенности поражения эпителия бронхов мышей…
три мыши на временную точку для каждого
штамма вируса гриппа. После вскрытия у
мышей иссекали трахею и легкие, которые
фиксировали в 4 %-ном растворе параформальдегида при 4 °С в течение 48 ч. Дальнейшую обработку образцов проводили по
ранее описанной методике (Виноградов и др.,
2003; Afzelius, Maunsbach, 2004). Полутонкие
и ультратонкие срезы готовили на микротоме Райхерт-Янг (Австрия). Полутонкие срезы
окрашивали раствором азура-2, изучали в световом микроскопе AxioImager Z1 с цифровой
фотокамерой AxioCam HRc (Carl Zeiss, Германия) и выбирали участки для последующего
ультраструктурного исследования, с которых
готовили ультратонкие срезы и контрастировали их уранилацетатом и цитратом свинца.
Ультратонкие срезы исследовали в электронном микроскопе JEM 1400 (Jeol, Япония), фотосъемку проводили с помощью встроенной
цифровой камеры Jeol и цифровой камеры бокового ввода Veleta (SIS, Германия).
Результаты и обсуждение
Электронная микроскопия является
единственным методом, позволяющим непосредственно увидеть вирусные частицы
и вирус-специфические структуры, а также
проследить изменения клеточных структур в
зараженных клетках. Штаммы вируса гриппа
H5N1 размножались в реснитчатых клетках
бронхиального эпителия. Ядра и цитоплазма
инфицированных клеток содержали скопления глыбок электронно-плотного вещества и
трубчатые структуры, морфология которых
была идентична наблюдаемым в культурах
клеток, зараженных этими же штаммами
(Онищенко и др., 2009). В инфицированных
клетках регистрировались просветление цитоплазмы, вакуолизация мембранных структур и митохондрий. Клетки приобретали
сферическую форму и отделялись от эпите-
лиального пласта. Почкование вируса происходило на апикальной поверхности плазмалеммы реснитчатых клеток и не было связано
с ресничками и микроворсинками (рис. 1).
Интраназальное заражение мышей всеми
штаммами вируса гриппа H5N1 уже через сутки вызывает ярко выраженные деструктивные изменения эпителия бронхов и трахеи. На
светооптическом уровне наблюдаются спазм
мелких бронхов, дистрофические изменения
бронхиального эпителия и вакуолизация его
клеток. Степень изменений варьирует в разных бронхах, на срезах некоторых бронхов
и участков трахеи регистрируются признаки
отслойки эпителия. В просвете бронхов содержится клеточный детрит, встречаются
форменные элементы крови (рис. 2). Вследствие отека и воспалительно-клеточной инфильтрации стромы снижается воздушность
респираторной ткани, отмечаются дистония
сосудов системы легочной артерии, полнокровие капилляров, агрегация и сладж эритроцитов. Следует подчеркнуть, что патологические изменения носят очаговый характер,
который прослеживается на протяжении всего периода инфекции.
В участках бронхов и трахеи с невысокой степенью поражения при заражении
всеми штаммами вируса гриппа А/H5N1 наблюдаются дистрофические изменения бокаловидных клеток, в которых происходят
уплотнение ядра и цитоплазмы, расширение
перинуклеарного пространства, отек, набухание и деструкция митохондрий, вакуолизация аппарата Гольджи и цистерн ЭПР (рис. 2).
Интересно, что бокаловидные клетки были
опустошены, секреторные гранулы в их цитоплазме практически отсутствовали. Это
явление наблюдалось как в зонах патологических изменений воздухоносных путей, так и
в участках, не вовлеченных в патологический
процесс. Реснитчатые клетки в основном со-
– 147 –
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 1. А – Реснитчатая клетка с признаками репродукции вируса гриппа в ядре (2) в эпителии бронха
мыши. 24 ч после заражения вирусом гриппа H5N1 (штамм A/Chicken/ Kurgan/05/2005). В бокаловидных
клетках наблюдается просветление матрикса и разрушение крист митохондрий. Б – Почкование частиц
вируса гриппа H5N1 (штамм A/Chicken/Suzdalka/Nov-11/2005) на апикальной поверхности реснитчатой
клетки бронха мыши. 24 ч после заражения. Увеличенный фрагмент показывает формирование
нитевидных вирусных частиц. В – Участок цитоплазмы реснитчатой клетки, содержащий вирусспецифические структуры. 24 ч после заражения вирусом гриппа H5N1 (штамм A/Chicken/Suzdalka/
Nov-11/2005): 1 – просвет бронха, к клеткам эпителия прилежит слизь и клеточный детрит; 2 – ядро; 3 –
цитоплазма реснитчатых клеток; 4 – дистрофически измененные опустошенные бокаловидные клетки;
5 – мышечный слой бронхиальной стенки. Черными стрелками показаны микроворсинки, схожие с
вирусными частицами, серыми – реснички, белыми – базальные тельца ресничек
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
О.С. Таранов, Е.М. Малкова… Ультраструктурные особенности поражения эпителия бронхов мышей…
Рис. 2. А – Выраженные дистрофические изменения и десквамация эпителиоцитов слизистой оболочки
бронха мыши, скопление секрета и десквамированных клеток в его просвете. 24 ч после заражения
вирусом гриппа H5N1 (штамм A/Chicken/Kurgan/05/2005). Б – Воспалительно-деструктивные изменения
бронха мыши через 7 суток после заражения вирусом гриппа H5N1 (штамм A/Duck/Kurgan/08/2005).
Некроз эпителия бронха, клеточный детрит в просвете бронха. Перибронхиальная мононуклеарная
инфильтрация. 1 – просвет бронха; 2 – кровеносный сосуд. Стрелкой показан клеточный детрит.
Полутонкие срезы, окраска азуром-II
храняли морфологию, свойственную незараженным животным, однако некоторые клетки
набухали, и в них выявлялся отек митохондрий.
Характер морфологических изменений
трахеи и бронхов в участках с высокой степенью поражения отчетливо различался у
мышей, зараженных разными штаммами вируса гриппа H5N1. Так, при инфекции штаммами A/Chicken/Kurgan/05/2005 и A/Duck/
Kurgan/08/2005 наблюдались деструктивные
изменения эпителиальных клеток: отек митохондрий и разрушение крист, просветление
цитоплазмы, фрагментация и вакуолизация
мембранных структур, завершающиеся некрозом клеток. В бронхах мышей, зараженных
штаммом
A/Chicken/Suzdalka/Nov-11/2005,
регистрировалось большое число эпителиальных клеток, содержащих многочисленные
крупные фагосомы, в которых присутствовали апоптозные тельца (рис. 3). Известно, что
эпителиальные клетки способны фагоцитировать фрагменты погибших путем апоптоза
соседних клеток (Bursch W., 2001; Chen Z.-H.
et al., 2008; Shen Z.-Y. et al., 2008). В случае
инфекции штаммом A/Chicken/Suzdalka/Nov11/2005 вируса гриппа H5N1, очевидно, апоптозу подвергаются зараженные клетки. Это
подтверждается обнаружением в некоторых
апоптотических клетках морфологических
признаков инфекции (рис. 3). Процесс апоптоза, судя по большому количеству фагосом
и клеток, их содержащих, протекал в течение
первых суток инфекции очень интенсивно и
приводил к гибели большого числа зараженных эпителиальных клеток. В участках бронхов, где локализуются эпителиальные клетки,
заполненные фагосомами, регистрировалась
инфильтрация эпителиального пласта нейтрофилами, прослеживались признаки фагоцитоза разрушенных эпителиальных клеток.
Апоптоз клеток бронхиального эпителия,
зараженных вирусом гриппа A/WSN (H1N1),
и последующий фагоцитоз погибших клеток
нейтрофилами был отмечен при интраназальной инфекции у мышей (Hashimoto et al, 2007).
По всей видимости, наблюдаемая гибель инфицированных клеток на начальных этапах
– 149 –
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 3. А – Развитие некротических изменений в стенке бронха мыши. 24 ч после заражения вирусом гриппа
H5N1 (штамм A/Chicken/Kurgan/05/2005): 1 – просвет бронха; 2 – реснитчатая клетка; 3 – бокаловидная
клетка; 4 – участок отслойки бокаловидной клетки от базальной мембраны; 5 – митохондрии; 6 –
гладкомышечная клетка. Стрелками показана апикальная поверхность эпителия, к которой плотно
прилежат клеточный детрит и слизь (7). Б – Разрушение и десквамация клеток эпителия трахеи мыши.
2 суток после заражения вирусом гриппа H5N1 (штамм A/Chicken/Suzdalka/Nov-11/2005): 1 – просвет
трахеи; 2 – разрушающиеся клетки эпителия; 3 – базальные клетки; 4 – собственная пластинка слизистой
оболочки трахеи; 5 – эритроциты. Стрелками показана базальная мембрана эпителия трахеи. В –
Деструкция эпителия бронха мыши через 24 ч после заражения вирусом гриппа H5N1(штамм A/Chicken/
Suzdalka/Nov-11/2005). Поперечный срез стенки бронха: 1 – апоптозные тельца, 2 – ядра, сохранившие
нормальную цитологическую структуру; 3 – фагосома; 4 – образование полости на месте разрушенной
эпителиальной клетки. Г – Разрушающиеся клетки эпителия бронха мыши через 24 ч после заражения
вирусом гриппа H5N1(штамм A/Chicken/Suzdalka/Nov-11/2005): 1 – апоптозное тельце, 2 – фагосома;
3 – вирус-специфическое включение в ядре. Стрелкой показан участок конденсации хроматина, которая
происходит в процессе апоптоза
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
О.С. Таранов, Е.М. Малкова… Ультраструктурные особенности поражения эпителия бронхов мышей…
инфекции является одним из механизмов,
обеспечивающих устойчивость мышей к низкопатогенному для них штамму A/Chicken/
Suzdalka/Nov-11/2005 вируса гриппа H5N1.
Таким образом, интраназальное заражение мышей вирусом гриппа H5N1 в течение
первых суток приводит к выраженным очаговым патологическим изменениям воздухоносных путей, характер которых зависит от
штамма вируса.
Степень патологических изменений легких мышей, зараженных всеми штаммами
что клетки погибают на ранних этапах его
репродуктивного цикла, до формирования
видимых вирус-специфических структур.
Однако гибель клеток может происходить и
без прямого воздействия вируса, вследствие
влияния токсических факторов, выделяемых
погибшими клетками.
Несмотря на нарастание патологических
процессов, через 2-3 суток после заражения
всеми штаммами вируса гриппа H5N1 у мышей сохраняется очаговый характер поражения легких. Наряду с участками интенсивных
вируса гриппа А/H5N1, нарастает в ходе инфекции. Через 2-3 суток после заражения на
светооптическом уровне наблюдаются явления бронхоспазма, перибронхиальный отек,
в просвете трахеи и бронхов накапливаются
слизь, клеточный детрит и форменные элементы крови, просвет некоторых бронхов
полностью закрыт (рис. 1). У мышей, зараженных штаммом A/Chicken/Suzdalka/Nov11/2005, в бронхах содержится большое число
нейтрофилов, патологический процесс можно охарактеризовать как гнойный бронхит.
Интересно, что в просвете бронхов мышей,
зараженных вирусом гриппа А/H5N1, отсутствовали бактерии, что еще раз подтверждает вирусную природу выявленных изменений. Заражение мышей штаммом A/Chicken/
Kurgan/05/2005 вызывает выраженный бронхоспазм.
Ультраструктурное исследование показало также нарастание степени деструктивных изменений эпителиальной выстилки
трахеи и бронхов, некроз как отдельных, так
и групп клеток у всех мышей. В некоторых
участках трахеи и бронхов разрушаются и
слущиваются все эпителиальные клетки, за
исключением базальных (недифференцированных) элементов. В разрушенных клетках
не наблюдалось признаков размножения вируса гриппа, что позволяет предположить,
патологических изменений, наблюдаются
зоны, в которых морфология и бронхов, и альвеолярного эпителия заметно не отличается
от таковых у интактных животных.
Период заболевания через 4-5 суток после заражения тремя штаммами вируса гриппа А/H5N1 характеризуется наибольшей
степенью воспалительно-деструктивных изменений легких мышей. Очаговый характер
поражения легких сохраняется, по-прежнему
наблюдаются участки, в которых морфология
бронхов не отличается от таковой у незараженных животных.
Характер поражения бронхов на ультраструктурном уровне по сравнению с предыдущим периодом инфекции заметно не изменился, наблюдались участки дистрофических
и некротических изменений, десквамация
бронхиального эпителия. В просвете бронхов локализовались клетки крови, клеточный
детрит и фибриновые волокна. Встречались
лимфоциты, инфильтрирующие эпителиальный пласт.
Период 6-8 суток после заражения вирусом гриппа А/H5N1является критическим в
развитии инфекции у мышей, именно в это
время наступает гибель животных, инфицированных высокопатогенными штаммами. У
всех животных сохранился очаговый характер
поражения легких на фоне нарастания пато-
– 151 –
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
О.С. Таранов, Е.М. Малкова… Ультраструктурные особенности поражения эпителия бронхов мышей…
логических изменений, однако при инфекции
разными штаммами проявились различия в их
характере. У мышей, инфицированных штаммом A/Chicken/Suzdalka/Nov-11/2005, отмечались гнойно-некротическое воспаление бронхов, дистелектаз респираторной ткани, очаги
мононуклеарной инфильтрации различных
размеров в респираторной зоне, парез сосудистого русла, лейкостаз. При заражении штаммом A/Duck/Kurgan/08/2005 изменения имели
меньшую степень, чем в случае двух других
штаммов. На срезах легких всех мышей наблюдались дистрофически-некротические изменения бронхиального эпителия, интенсивная мононуклеарная инфильтрация стромы,
умеренное снижение воздушности респираторной ткани, полнокровие капилляров, очаговые интраальвеолярные кровоизлияния,
умеренное полнокровие вен, лейкостаз.
Ультраструктурное исследование обнаружило нарастание патологических изменений легких мышей по сравнению с предыдущим периодом инфекции и варьирование
степени изменений не только в зависимости
от штамма, но и между мышами, зараженными одним и тем же вирусом. Очевидно, это
обусловлено индивидуальными различиями
реакции животных на инфекцию, проявляющимися наиболее ярко на последних стадиях
заболевания. Изучение ультратонких срезов
бронхов, в просветах которых на светооптическом уровне выявлялось большое количество клеточного детрита, обнаружило
лежащие на оголенной базальной мембране
пласты разрушенных клеток альвеолярного
и бронхиального эпителия вперемежку с лейкоцитарными клетками крови. Клетки и клеточный детрит в пластах плотно прилежали
друг к другу, между ними не было заметных
отложений слизи и фибрина (рис. 4).
В некоторых бронхах мышей, зараженных штаммами A/Duck/ Kurgan/08/2005 и
A/Chicken/Suzdalka/Nov-11/2005,
просветы
которых были свободны, наблюдались процессы регенерации эпителия, который состоял в основном из базальных клеток, регистрировалось их митотическое деление
(рис. 4). Отмечались также мало- и среднедифференцированные бокаловидные и реснитчатые клетки. В бронхах мышей, зараженных штаммом A/Chicken/Kurgan/05/2005,
признаков регенерации не выявлялось.
На фоне глубоких патологических изменений легочной ткани по-прежнему сохранялись области с низкой степенью деструктивных изменений, в которых наблюдались лишь
дистрофические изменения клеток бронхиального и альвеолярного эпителия. Следует
отметить появление секреторных гранул в
бокаловидных клетках в этот период инфекции.
Проведенное исследование легких белых беспородных мышей, зараженных тремя
штаммами вируса гриппа А/H5N1, отличающимися по патогенности для этого вида животных, установило отчетливый очаговый
характер поражения этого органа: на протяжении всего периода инфекции сохранялись
области, не затронутые патологическим процессом. Все штаммы вызывали выраженные
деструктивные изменения эпителиальной выстилки воздухоносных путей: уже через 24-48
ч разрушалось большое число клеток. В ходе
инфекции у всех мышей усиливались патологические изменения бронхов, в их просвете
накапливался клеточный детрит, развивалась
перибронхиальная инфильтрация. Следует
подчеркнуть, что в разрушенных клетках не
выявлялось морфологических признаков вирусной инфекции, не удалось обнаружить и
вирусные частицы в скоплениях клеточного
детрита. Это говорит о том, что разрушение
клеток происходит либо на ранних этапах
репродукции вируса, до появления морфоло-
– 152 –
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
О.С. Таранов, Е.М. Малкова… Ультраструктурные особенности поражения эпителия бронхов мышей…
Рис. 4. А – Пласт разрушенных клеток, клеточного детрита и клеток крови на поверхности оголенной
базальной мембраны бронхиального эпителия мыши. 7 суток после заражения вирусом гриппа H5N1
(штамм A/Duck/ Kurgan/08/2005): 1 – просвет бронха; 2 – разрушенные клетки альвеолярного и
бронхиального эпителия; 3 – эритроцит; 4 – альвеолоцит II типа; 5 – гладкомышечные клетки стенки
бронха. Стрелками показана базальная мембрана эпителия бронха. Б – Регенерация бронхиального
эпителия мыши через 8 суток после заражения вирусом гриппа H5N1 (штамм A/Duck/ Kurgan/08/2005).
В эпителии сохраняются признаки воспаления, в просвете бронха находятся десквамированные клетки:
1 – просвет бронха; 2 – базальная клетка в состоянии митоза; 3 – базальная клетка; 4 – бокаловидная
клетка; 5 – лимфоцит; 6 – крупная фагосома; 7 – соединительная ткань собственной пластинки слизистой
оболочки бронха. Стрелкой показаны хромосомы.
гических признаков инфекции, либо вызывается воздействием токсических соединений,
продуцируемых погибшими клетками. В последние сутки наблюдения у мышей, зараженных штаммом A/Duck/Kurgan/08/2005, была
обнаружена регенерация эпителия бронхов,
очевидно, отражающая начало процесса выздоровления животных.
Штамм A/Chicken/Suzdalka/Nov-11/2005
низкопатогенный для мышей, животные не
погибают даже при введении очень высоких
доз вируса. Использованная в данной работе
схема эксперимента, несомненно, далека от
природной инфекции, однако она позволила
выявить некоторые аспекты взаимодействия
организма и вируса, по-видимому, обеспечивающие элиминацию патогена и блокирование развития заболевания при низких инфицирующих дозах. Так, репродукция штамма
A/Chicken/Suzdalka/Nov-11/2005 в клетках
бронхиального эпителия сопровождалась
формированием большого числа дефектных
вирионов, что, очевидно, отражает неспособность клеток бронхиального эпителия мышей
продуцировать полноценный вирус, эта неспособность может лежать в основе устойчивости мышей к данному штамму. Другой особенностью инфекции штаммом A/Chicken/
Suzdalka/Nov-11/2005 служит гибель большого числа эпителиальных клеток путем апоптоза. Существуют различные точки зрения
на роль апоптоза в патогенезе гриппа. В соответствии с одной из них апоптоз - первичный
механизм защиты хозяина, ограничивающий
репродукцию вируса (Kurokawa et al., 1999).
Приверженцы другой точки зрения считают апоптоз главной причиной гибели клеток
при инфекции, вызванной вирусами гриппа
А и В, и приписывают ему отрицательную
роль (Hinshaw et al., 1994). Было предпринято много попыток связать способность
вируса гриппа индуцировать апоптоз с его
белками, однако данные этих исследований
противоречивы и не внесли ясности в пони-
– 153 –
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
О.С. Таранов, Е.М. Малкова… Ультраструктурные особенности поражения эпителия бронхов мышей…
мание роли апоптоза в патогенезе гриппа (см.
анализ опубликованных работ в Morris et al.,
2005). Исследование с использованием методов обратной генетики показало, что индукция апоптоза при репликации вируса гриппа
не связана с каким-то одним белком, а обусловлена штамм-специфичной комбинацией
генов. Не удалось получить и доказательств
связи апоптоза с уровнем вирус-продукции
(Morris et al., 2005). Таким образом, роль
апоптоза в патогенезе гриппа может быть различной, и у мышей, зараженных штаммом A/
2006; Perrone et al., 2008). Наши исследования
выявили выраженное поражение воздухоносных путей и альвеолярной зоны легких, а также показали глубокие нарушения клеточного
состава крови и изменения системы кровотока
легких мышей, зараженных тремя штаммами
вируса гриппа А/H5N1. В последних публикациях, посвященных изучению патогенных
свойств вируса гриппа А, в том числе и субтипа H5N1, подчеркивается высокая вариабельность биологических свойств вируса в зависимости даже от минимальных изменений его
Chicken/Suzdalka/Nov-11/2005 вируса гриппа
H5N1, апоптоз, по всей вероятности, играет
роль защитного фактора. Детальное изучение
механизмов индукции апоптоза в инфицированных вирусом гриппа клетках представляет особый интерес, поскольку они могут быть
ключом к созданию новых противовирусных
препаратов.
Отчетливый тропизм вируса гриппа H5N1
к легким отмечается во всех опубликованных
работах, посвященных этой инфекции (Gao et
al., 1999; Uiprasertkul et al., 2005; Ibricevic et al.,
генетической структуры (Morris et al., 2005;
Lee et al., 2007; Newby et al., 2007). Эти факты указывают на необходимость накопления
и систематизации данных о патологических
изменениях органов экспериментальных животных, зараженных разными штаммами вируса. Полученные в настоящем исследовании
результаты расширяют существующие представления о поражении легких вирусом гриппа А/ H5N1 и могут быть использованы для
анализа взаимосвязи генетической структуры
вируса гриппа и его патогенных свойств.
Список литературы
Виноградов И.В., Кочнева Г.В., Малкова Е.М., Щелкунов С.Н., Рябчикова Е.И. (2003) Изучение инфекции, вызываемой штаммом ЕР-2 вируса оспы коров у мышей разного возраста.
Вопросы вирусологии 5: 34-38.
Онищенко Г.Г. (2006) Грипп птиц в Сибири. Лабораторные и эпидемиологические исследования, противоэпидемические и противоэпизоотические мероприятия в период эпизоотии
вируса гриппа среди домашней птицы в Сибирском и Уральском федеральных округах Российской Федерации (июль-ноябрь 2005 г.). «ЦЭРИС», Новосибирск. 192 c.
Онищенко Г.Г., Шестопалов А.М., Терновой А., Евсеенко В.А., Дурыманов А.Г., Рассадкин
Ю.Н., Разумова Ю.В., Зайковская А.В., Золотых С.И., Нетёсов С.В., Сандахчиев Л.С. (2006) Выявление в Западной Сибири высокопатогенных H5N1 вирусов гриппа, генетически родственных
вирусам, циркулирующим в Юго-Восточной Азии в 2003-2005 гг. Докл. РАН. 406: 278-280.
Онищенко Г.Г., Рябчикова Е.И., Сергеев А.Н., Дроздов И.Г. (2009) Вирус гриппа A/H5N1:
Атлас репродукции и патологических изменений внутренних органов мышей. Новосибирск,
Арта, 207 с.
Afzelius B.A., Maunsbach A.B. (2004) Biological ultrastructure research; the first 50 years.
Tissue Cell 36(1): 83–94.
– 154 –
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
О.С. Таранов, Е.М. Малкова… Ультраструктурные особенности поражения эпителия бронхов мышей…
Bursch W. (2001) The autophagosomal – lysosomal compartment in programmed cell death. Cell
Death Differ. 8: 569 – 581.
Chen Z.H., Kim H.P., Sciurba F.C., Feghali-Bostwick C., Stolz D.B., Dhir R., Landreneau R.J.,
Schuchert M.J., Yousem S.A., Nakahira K., Pilewski J.M., Lee J.S., Zhang Y., Ryter S.W., Choi A.M.
(2008) Egr-1 regulates Autophagy in Cigarette Smoke-Induced Chronic Obstructive Pulmonary
Disease. PLoS ONE. 3(10): e3316. doi:10.1371/journal.pone.0003316.
Dybing J.K., Schultz-Cherry S., Swayne D.E.. Suarez D.L,. Perdue M.L. (2000) Pathogenesis of
Hong Kong-Origin H5N1 Viruses in Mice Compared to That of Other Highly Pathogenic H5 Avian
Influenza Viruses. J Virol. 74: 1443-1450.
Gao P., Watanabe S., Ito T., Goto K., Wells M., McGregor A., Cooley J., Kawaoka Y. (1999)
Biological Heterogeneity, Including Systemic Replication in Mice, of H5N1 Influenza A Virus Isolates
from Humans in Hong Kong. J. Virol. 73: 3184-3189.
Hashimoto Y., Moki T., Takizawa T., Shiratsuchi A., Nakanishi Y. (2007) Evidence for Phagocytosis
of Influenza Virus-Infected, Apoptotic Cells by Neutrophils and Macrophages in Mice. J. Immunol.
178: 2448-2457.
Hinshaw V.S., Olsen C.W., Dybdahl-Sissoko N., Evans D. (1994) Apoptosis: a mechanism of cell
killing by influenza A and B viruses. J.Virol. 68: 3667-3673.
Ibricevic А., Pekosz A., Walter M., Celeste Newby J., Battaile J.T., Brown E.G., Holtzman M.J.,
Brody S.L. (2006) Influenza Virus Receptor Specificity and Cell Tropism in Mouse and Human Airway
Epithelial Cells. J.Virol. 80: 7469-7480.
Kurokawa M., Koyama A.H., Yasuoka S., Adachi A. (1999) Influenza virus overcomes apoptosis
by rapid multiplication. Int.J.Mol.Med. 3: 527-530.
Larson E.W., Dominik J.W., Rowberg A.H., Higbee G.A. (1976) Influenza Virus Population
Dynamics In The Respiratory Tract Of Experimentally Infected Mice. Infect.Immun. 1976. 13:
438-447.
Lee D.C.W., Lau A. (2007) Avian influenza virus signaling: implications for the disease severity
of H5N1 infection. Signal Transduction 7: 64-80.
Morris S.J., Nightingalea K., Smith H., Sweet C. (2005) Influenza A virus-induced apoptosis is a
multifactorial process: Exploiting reverse genetics to elucidate the role of influenza A virus proteins in
virus-induced apoptosis. Virology 335: 198-211.
Newby C.M., Sabin L., Pekosz A. (2007) The RNA Binding Domain of Influenza A Virus NS1
Protein Affects Secretion of Tumor Necrosis Factor Alpha, Interleukin-6, and Interferon in Primary
Murine Tracheal Epithelial Cells. J.Virol. 81: 9469-9480.
Perrone L.A., Plowden J.K., Garcı´a-Sastre A., Katz J.M., Tumpey T.M. (2008) H5N1
and 1918 Pandemic Influenza Virus Infection Results in Early and Excessive Infiltration of
Macrophages and Neutrophils in the Lungs of Mice. PLoS Pathog. 4(8): e1000115. doi:10.1371/
journal.ppat.1000115.
Shen Z.Y., Li E.M., Lu S.Q., Shen J., Cai Y.M., Wu Y.E., Zheng R.M., Tan L.J., Xu L.Y. (2008)
Autophagic and Apoptotic Cell Death in Amniotic Epithelial Cells. Placenta 29: 956-961.
Stephen E.L., Dominik J.W., Moe J.B., Spertzel R.O., Walker J.S. (1975) Treatment of Influenza
Infection of Mice by Using Rimantadine Hydrochlorides by the Aerosol and Intraperitoneal Routes.
Antimic.Agents Chemother. 8: 154-158.
– 155 –
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
О.С. Таранов, Е.М. Малкова… Ультраструктурные особенности поражения эпителия бронхов мышей…
Uiprasertkul M., Puthavathana P., Sangsiriwut K., Pooruk Р. Srisook К., Peiris М., Nicholls J.M.,
Chokephaibulkit К., Vanprapar N., Auewarakul Р. (2005) Influenza A H5N1 Replication Sites in
Humans. Emerg.Infec.Dis.11: 1036-1041.
Submicroscopic Features of Bronchial Epithelium Damage
in Mice After Intranasal Infection with Different H5N1
Influenza Virus Strains
Oleg S. Taranov,a, b Elena M. Malkova,a Artemii A. Sergeev, a
Andrei N. Shikov,a Elena I. Ryabchikovab, c
a
State Reseаrch Center of Virology and Biotechnology «Vector»
p. Koltsovo, Novosibirsk region, 630559 Russia
b
Institute of Chemical Biology and Fundamental Medicine,
Siberian Branch of Russian Academy of Science
8 Lavrent’eva, Novosibirsk, 630090 Russia c
Novosibirsk State University 2 Pirogova st., Novosibirsk, 630090 Russia
Influenza H5N1 virus is able to cause severe disease in humans and wide spectrum of animal and bird
species. We examined time course changes of bronchi in mice after intranasal infection with influenza
H5N1 virus strains having different pathogenicity for this animal species: А/Chicken/Kurgan/05/2005,
A/Duck/Kurgan/08/2005 and A/Chicken/Suzdalka/Nov-11/2005. Replication of influenza H5N1 strains
was revealed in mouse bronchial ciliated cells. Pathological changes of mice bronchi appearing
after 24 h post infection and increasing during the disease have been described in all mice. Massive
apoptosis of infected bronchial cells was found in mice infected with A/Chicken/Suzdalka/Nov-11/2005
strain. Signs of bronchial epithelium regeneration were observed in mice on days 7-8 post infection
with strain A/Duck/Kurgan/08/2005 of H5N1 influenza virus.
Keywords: influenza virus, H5N1, bronchial epithelium, pathological changes.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Journal of Siberian Federal University. Biology 2 (2009 2) 157-171
~~~
УДК 579
Physiological and cultural properties of the luminous fungus
Omphalotus af. illudent
Dao Thi Van*
BIO-LUMI Company Ltd., 2/6 Do Nang Te,
Binh Tri Dong ward Binh Tan dist, Ho Chi Minh, Vietnam 1
Received 1.06.2009, received in revised form 8.06.2009, accepted 15.06.2009
The luminous fungus that we have described as a presumably new species, Omphalotus af. illudent,
grows in rain forests in the south of Vietnam on the dead tree wood, mostly on the rubber tree (Hevea).
It emits exceptionally bright light in all phases of its life cycle, from germinate spores and mycelium
to fruiting bodies. This study describes the life cycle of Omphalotus af. illudent (Neonatapanus) and
determination of the optimal parameters of the temperature, humidity, pH, concentration of mineral
elements, and composition of the nutrient media. Measurements have been performed to determine
the destructive enzymatic activity of the mycelium towards some of the wood components. Optimal
mycelial growth and luminescence have been found to occur under different conditions. The study of
the parameters of Omphalotus af.illudent provided a basis for successful large-scale cultivation of
this fungus and, hence, preparation of sufficient quantities of material for studies of the biochemical
and genetic mechanisms underlying fungal bioluminescence and examination of the biochemical
components of the fungus that are potentially valuable for pharmacology (illudin etc.). The brightness
and steadiness of Omphalotus af. illudent luminescence make this fungus a good candidate for
continuous bioluminescent analytical systems.
Keywords: fungi bioluminescence, Omphalotus af. illudent, fungi cultivation, bioluminescence
Introduction
Of the three kingdoms of living nature, fungi
are the least understood of all. They wonderfully
combine properties of animals and plants,
being, at the same time, equidistant from them.
This makes the study of fungi an exceptionally
fascinating scientific challenge. The power and
sophistication of the contemporary analytical
methods have to bring success to researchers in
this little-studied field. Moreover, the practical
potential of fungi is enormous: suffice it to say
that fungi, although lower ones, gave rise to the
era of antibiotics. The potentials of the higher
*
1
fungi in this and in many other respects, except
maybe gastronomic and toxicological ones, have
not been studied by methods of molecular biology,
genetics, and biophysics.
Among the obstacles are difficulties entailed
in cultivating various species of higher fungi.
Large-scale cultivation has been developed for
just a few dozen edible or poisonous species of
the whole spectrum of basidiomycetes. It is wellknown that mushroom hunting in the wild is an
unreliable procedure. A profound study, however,
requires fungal biomass that could be consistently
produced and reproduced.
Corresponding author E-mail address: van79bioluminescent@yahoo.com
© Siberian Federal University. All rights reserved
– 157 –
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Dao Thi Van. Physiological and cultural properties of the luminous fungus Omphalotus af. illudent
Cultivation of fungi that form obligate
mycorhizal associations with plants is obviously
very difficult and yields poorly reproducible
results. The formulations of the culture media for
higher fungi are usually very complex and include,
in addition to conventional energy sources and
plastic materials, a number of specific substances
necessary for the growth and morphogenesis of
fungi: complex mixtures of organic substrates
such as wood. This is suggestive of the high
auxotrophy and narrow species specificity of
their metabolism, which make their cultivation
so difficult. On the other hand, their specific
metabolism makes the discovery of new,
potentially useful, metabolites a highly probable
event.
An interesting natural phenomenon,
which can also be used as an analytical tool,
is the ability of just a few species of higher
fungi to emit visible light. About 90 species of
luminescent fungi have been found so far. They
have been quite fully described in the recent
review by desjardin and his co-authors (2008).
The genus Omphalotus (Omphalotaceae) has
been rather reviewed by M. Kirchmair et al.
(2002), and at least 4 Omphalotus species
were reported to be able to emit light.1While
the mechanism of bioluminescence of animals
and bacteria has been understood quite well
(Shimamura, 2006), the chemical basis of
fungal luminescence remains understudied
(desjardin, 2008).
The source of luminescence in all
light-emitting organisms, except fungi, is
the classical reaction: oxidation of organic
substrate by oxygen, necessarily involving
the enzyme. The substrates have been named
luciferins and the enzymes, correspondingly,
luciferases. It is noteworthy that these are
1
Recently Omphalotus af. illudent was renamed as Neonatapanus nambi (Peterson, 1999) in agreement with
genetic similarity (J. Bisset, 2009, personal communication)
collective names, which denote the functions of
their bearers in bioluminescent reaction rather
than their chemical nature. Molecular basis of
more than ten bioluminescent systems has been
deciphered by now, showing that functions
of luciferins and luciferases in them are
performed by chemically different molecules
(Shimomura, 2006). Bioluminescence is
characterized by remarkably high quantum
yields. In light-emitting insects, e.g., they are
higher than 80 % (Bitler, Mac Elroy, 1957).
The high light efficiency of the reaction must
be mainly determined by the properties of the
enzyme – luciferase.
A special class is represented by the socalled precharged systems of coelenterates,
which do not need oxygen during light emission.
Yet, oxygen joins the luminescent system of
coelenterates prior to luminescence and forms
stable complexes with it.
Thus, oxygen must necessarily be part
of all bioluminescence systems. They are
all consistent with the classic experiment
performed by R. Dubois (1885), who showed
the necessity of the air oxygen and identified
the two principal components of the reaction –
a thermo-stable component and a thermo-labile
one. He named the former luciferin and the latter
luciferase. These are the most general properties
of bioluminescence reactions of animals and
bacteria.
The bioluminescence system of fungi has one
fundamental property in common with them – it
is oxygen-dependent. The other fundamental
property of all known bioluminescence systems –
the enzymatic mechanism – has not been proven
for fungi.
O.
Shimomura,
who
studied
the
bioluminescence system of the fungus Panellus
stipticus, suggested that its luminescence does not
involve any specific enzyme but is spontaneous
aerobic chemiluminescence occurring due to
– 158 –
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Dao Thi Van. Physiological and cultural properties of the luminous fungus Omphalotus af. illudent
Fig. 1. a) Collection of the starting material for fungal culture in forest. b). Omphalotus af. illudent fruiting body
on the rubber tree – its typical habitat
oxidation of the substrate, which he named
panal (Shimomura, 1992), under the action of
superoxide dismutase.
If this is true, luminosity in fungi is
fundamentally different from the common
mechanism of bioluminescence. However,
contrary to Shimomura’s conclusion, a team of
researchers in Brazil (Desjardin et al., 2008)
reported the discovery of the two-component
luminescence system in the fungus Mycena
sp. – the thermo-stable fraction (luciferin) and
the thermo-labile one (luciferase) (Desjardin
et al., 2005; 2007; Desjardin and Braga-Neto
2007).
Thus, until now fungal luminescence
remains a natural phenomenon whose mechanism
is not even basically understood.
In order to study it using the tools of
contemporary molecular biology, genetics, and
biophysics, it is first of all necessary to have a
sustainable, reproducible laboratory culture of
luminescent fungi, which can sustain bright
luminescence throughout their life cycle.
The purpose of our work was to develop
biotechnology for sustainable cultivation of the
luminescent fungus Omphalotus af. illudent,
whose luminescence is exceptionally bright in
all phases of its life cycle. This communication
describes the obtained results.
In the moist forest in the south-east of
Vietnam, during the monsoon season, our
attention was attracted by the mushroom emitting
bright light, whose fruiting bodies grew on trunks
of living Hevea2 trees and on dead wood. We
studied relationships of the growth rate, biomass
increase, development of fruiting bodies, and
spore formation to the chemical composition of
the nutrient medium, humidity, temperature, and
lighting conditions.
Objects and methods
Natural habitat of the luminous fungus
We collected luminous fruiting-bodies for
cultivation and research from high-land tropical
forest in Lam Dong province, Da Lat, in the
south-east of Vietnam (N 17°0′ - 8°45′; E 104°50′
- 109°30′), annually from September to December
(Fig. 1a). The site is a relatively cool high land
with very many rubber trees (Hevea). luminous
fungi grow on rotten logs of dead rubber trunks
and sometimes on dead cashew logs in the rain
forest and under the shadow of other larger trees
around (Fig. 1b).
Fig. 2 is presented photos of Omphalotus
af. illudent fruiting bodies on the cross-section
of the rubber tree trunk taken under ambient
2
– 159 –
Hevea – the rubber tree (editor’s note)
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Dao Thi Van. Physiological and cultural properties of the luminous fungus Omphalotus af. illudent
a
b
Fig. 2. Omphalotus af. illudent fruiting bodies on the cross-section of the rubber tree trunk: a) under ambient-light
conditions, b) in the dark, in the light of the mushrooms’ luminescence
light conditions and in the light of their own
luminescence in the dark (the photos taken by the
author).
Cultivation methods
The studied material was the culture of the
fungus Omphalotus af. illudent that we grew from
wild-collected Omphalotus af. illudent fruiting
bodies.
In order to substantiate the biotechnology
of cultivating Omphalotus af. Illudent, we
studied various dependencies of growth,
development, and luminescence of the fungus
Omphalotus af. illudent in mycologically pure
large-scale culture. We used the method of
large-scale cultivation of edible mushrooms
conventionally used in Vietnam, which we later
modified taking into account specific properties
of Omphalotus af. illudent and purposes of
cultivation.
Cultivation was performed on benches, in
closed, but not isolated from the environment,
rooms with controlled humidity. Humidity was
measured using a hygrometer («Hanna», Italy).
The temperature was monitored. Light intensity
was measured using a lux meter.
Luminescence of fungus samples was
measured in relative units using a lux meter,
manufactured in the workshop of the Ho Chi
Minh City University.
We used follow nutrient media:
1) PG and PGA (Potato Glucose and Potato
Glucose Agar): potato 200 g; glucose 20 g; agar
20 g; water 1000 ml.
2) Hamada and Hamada agar: glucose 20 g,
yeast extract 5 g; agar 15 g; 1N HCl 1.6 ml; water
1000 ml.
3) Peptone and peptone agar : glucose 20
g; peptone 5 g; yeast extract 2 g; KH2PO4 1 g;
MgSO4 0.5 g; agar 20 g; water 1000 ml.
4) YM and YMA (Yeast Malt): glucose 10
g; peptone 5 g; yeast extract 3 g; malt extract 3 g;
agar 20 g, water 1000 ml.
5) M and MA (Malt): glucose 2 g; malt
extract 20 g; peptone 1 g; agar 20 g; water 1000
ml.
6) Wakman: glucose 20 g; peptone 5 g;
KH2PO4 1 g; MgSO4 0.5 g; agar 20 g; water 1000
ml.
7) Chang : glucose 20 g; peptone 2 g;
KH2PO4 0.46 g; K 2HPO4 1 g; MgSO4 0.5 g; agar
20 g; thiamine 0.5 mg; water 1000 ml.
Biomass increase was measured in the
liquid media PG, H, P, YM, M; the linear rate of
mycelium growth was measured in the cultures
on agar. The biomass of fruiting bodies was air
dried in the thermostat at the temperature not
higher than 35 °C.
In experiments with different culture
parameters each variant was measured at least in
– 160 –
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Dao Thi Van. Physiological and cultural properties of the luminous fungus Omphalotus af. illudent
Fig. 3. Mean daily growth rates of Omphalotus af. Illudent on different media: a) mycelium size, b) biomass
three replicates, with the statistical processing of
the initial measurement results.
Results and Discussion
I. Trial-and-error selection
of the nutrient medium for Omphalotus
af. illudent
Mycelium growth was measured based on
two parameters – linear rate of hyphal growth
over the surface of the solid nutrient medium,
mm per day, and increase in the fresh biomass
of growing fungus in the liquid culture, mg per
day. The results of daily measurements averaged
over three replicates. The growth rates on agar
averaged over 8 days are presented in Fig. 3a,
and diagrams of the mean daily rate of biomass
increase in liquid culture are given in Fig.3b.
Interestingly, the sequences in the rows of
diagrams of the linear growth rate and biomass
increase are not quite similar.
The highest rate of linear growth was
registered on YMA, while the fastest biomass
increase – on M, which is different from
YM in that it contains no yeast extract. The
lowest growth and biomass increase rates of
Omphalotus af. illudent were registered on
Hamada medium.
Thus, the processes requiring the highest
proliferation rate of Omphalotus af. illudent
mycelium should be performed using YMA
medium; however, fungus biomass increases
fastest on the M medium. Moreover, the
difference is quite significant: the linear rate of
mycelium growth on YMA is 20 % higher than
– 161 –
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Dao Thi Van. Physiological and cultural properties of the luminous fungus Omphalotus af. illudent
Fig. 4. Relationship of Omphalotus af. illudent biomass increase to the form of nitrogen nutrition
on MA. On the other hand, biomass increase rate
on M is more than twice higher than on YM.
Apparently, the yeast extract contains a
factor that slows down the buildup of Omphalotus
af. illudent biomass, although it rather stimulates
than hinders mycelium proliferation.
II. The effect of the mineral medium
on the growth of Omphalotus af. illudent
The investigation of rich organic media:
peptone in concentration of 3 ‰ and higher,
corn husks and soybean hulls in amounts of up
to 30 %, which also served as nitrogen source,
yielded the following results. As the amount of
peptone in the nutrient medium reached 5 ‰,
the rate of increase in mycelium biomass got
higher. Similarly, as the percent of corn husks
and soybean hulls in the nutrient medium was
raised to 30, the increase in fungus biomass
became greater. Peptone concentrations higher
than 6 ‰ and amounts of corn husks and
soybean hulls larger than 30 % of the nutrient
medium were not tested because such media,
excessively rich in organics, tend to become
overgrown with other fungi, whose growth
rates are higher than that of Omphalotus af.
illudent.
Omphalotus af. illudent mycelium was grown
in experiments with the media supplemented with
different sources of nitrogen, including inorganic
salts and urea: NaNo3, KNO3, (NH4)2SO4,
and (NH2)2CO. Results of measurements are
shown in Fig. 4. Our results suggest that the
biomass increase is greater at enhanced nitrogen
concentrations, but tolerance of Omphalotus af.
illudent culture to the medium depends on the
form of the added nitrogen. The lowest tolerance
was observed to the urea-containing medium.
Even at a urea concentration of 2 ‰ the growth
was inhibited, and at 3 ‰ the culture stopped
growing. A possible reason for this may be that at
cultivation temperatures higher than 30 °C urea
is rapidly decomposed to ammonia.
We studied effects of potassium (KCL and
K 2CO3), phosphorus (P2O5), and magnesium
(MgSO4) in the growth media. The effect of
potassium added as a salt to the nutrient medium
is shown in Fig. 5a. The results suggested that
potassium concentration in the medium which
was higher than 0.5 ‰ value which inhibits
mycelial growth. The effect of the further
increase in potassium concentration depended
on whether KCl or K 2CO3 was added. While
an increase in KCl concentration to 4 ‰ did
– 162 –
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Fig. 5. Effect of addition of salts in the medium on mycelial growth rate a) potassium salts, b) magnesium sulfate,
c) phosphorus oxide
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Dao Thi Van. Physiological and cultural properties of the luminous fungus Omphalotus af. illudent
not cause a significantly greater decrease in
the growth rate than that observed at the 0.5 ‰
potassium concentration, the increase in K 2CO3
concentration consistently reduced the growth
rate, probably due to rising alkalinity of the
medium. Fig. 5b demonstrated the effect of
Mg increase in the medium, caused by the
addition of MgSO4. As shown, the best growth
of mycelium was registered at Mg concentration
of 1.5-2.0 ‰. At lower and higher Mg levels
the growth was inhibited but was not slower
than that in the Mg-free medium. The optimal
concentration of phosphorus added as P2O5 was
0.5-1.0 ‰. Phosphorus concentrations higher
than that inhibited mycelial growth (Fig. 5c).
At P concentration of 4.0 ‰, the growth rate of
mycelium was half of that at 0.5-1.0 ‰.
Results of experiments with mineral salts
added to the medium suggest that Omphalotus
af. illudent is oligophilous towards K, Mg, and P
present in the medium.
III.Enzymatic activity of Omphalotus
af. Illudent mycelium on different substrates
Growth of Omphalotus af. illudent
mycelium was studied in experiments with
the media containing starch, carboxyl methyl
cellulose, lignin, and casein. The nutrient
medium was supplemented with the tested
substrates in the amounts up to 1 g/L.
Disintegration of the tested substrates was
measured on Petri dishes with agar-containing
medium as a linear increase in Omphalotus af.
illudent mycelium, which was growing out of
the center of the dish and had a regular round
shape. Measurements were performed on the
mycelium cultured for 3 days at the temperature
30 °C.
In Fig.6 photographs of Petri dishes with
Omphalotus af. illudent mycelium growing
on media supplemented with carboxyl methyl
cellulose (a), casein (b), starch (c), and lignin (d)
are presented. Fig. 7 shows the mean daily linear
rate of the growth of Omphalotus af. illudent
mycelium on these media. As Omphalotus af.
illudent preferably grows on old and dying
trees, this naturally resulted in that lignin was
disintegrated at the highest rate and was followed
by carboxyl methyl cellulose; disintegration of
casein and starch were the slowest, although not
zero.
IV.The effects of physical factors on growth
and development of Omphalotus af. illudent
IV.1 Temperature
The increase in the Omphalotus af. illudent
biomass was measured in the liquid culture
grown on the maltose medium for 5 days at
the temperature from 15 °C to 45 °C, at 5 °C
intervals. The average values for three replicated
experiments are presented in Fig. 8a.
There was clear dependence of mycelium
growth on the temperature of the liquid
medium, with an obvious optimum at 30 °C,
which corresponded to the most frequently
registered temperature in the natural habitat
of Omphalotus af. illudent in Vietnam. The
temperature dependence was asymmetrical.
At the temperature higher than the optimum
in 5 °C the growth rate decreased for 25 %
and at 40 °C (10 °C higher than the optimum)
the growth nearly ceased. However, at the
temperature below the optimum for 10 °C,
the growth rate was just 40 % lower. Even
at temperature of 15 °C, which cannot be
frequently registered at this latitude, mycelium
kept growing – at the rate twice lower than the
optimal.
Thus, there was a distinct temperature
optimum for the growth of Omphalotus af.
illudent, but it is not a stenothermal species. It
can still grow at temperatures 15 °C lower than
the optimal one, although its growth rate was half
slowed down.
– 164 –
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Fig. 6. Omphalotus af. illudent mycelium growing on: a – carboxyl methyl cellulose; b – casein; c – starch;
d – lignin, concentration of each compound was 1 g/l
Fig. 7. Capacity of substrate disintegration of exocrine enzymes of Omphalotus af. illudent on carboxyl methyl
cellulose, casein, starch and lignin
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Fig. 8. Relationship of Omphalotus af. illudent biomass growth to a) temperature, b) pH, c) light
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Dao Thi Van. Physiological and cultural properties of the luminous fungus Omphalotus af. illudent
Fig. 9. The effect of humidity on the growth of Omphalotus af. illudent mycelium
IV.2 pH of the medium
We measured the biomass of mycelium
grown at pH values varied from 3 to 7, at constant
temperature 30 °C. The experiment was replicated
3 times. The average values for three replicated
experiments are presented in Fig. 8b.
Mycelium growth rate obviously depended on
pH of the medium, with the maximum at pH 5, a
rapid decrease at more alkaline values, and a slower
one at more acidic pH values. However, throughout
the range from pH 3 to 7 mycelium retained its
ability to grow; at pH 3 its growth rate was 75 %
of the highest one (at pH 5) and at pH 7 it dropped
to 47 %. Thus, Omphalotus af. illudent grows
best in weakly acidic conditions, which should be
maintained in the cultures of this fungus.
IV.3 Light
In this experimental series Omphalotus af.
illudent was grown on maltose under different
lighting conditions. Luminance from 100 to
300 lux did not produce any consistent effect on
mycelium growth rate, which was the same as
the growth rate in the dark. A noticeable growth
inhibiting effect was only observed at higher light
conditions – 400-500 lux. Formation of fruiting
bodies seemed to be triggered by the illuminance
500-800 lux (Fig. 8c).
As Omphalotus af. illudent emits light of
its own, its relationship to the ambient light is
of considerable interest and is worthy of more
profound research.
IV. 4 Humidity
The level of humidity must be the most
significant limiting factor that determines the
growth and development of the Omphalotus af.
illudent fungus in tropical forests of Vietnam. The
effect of humidity on the growth of Omphalotus
af. illudent mycelium was studied by measuring
mycelium linear growth, mm/d, on rubber tree
sawdust media.
Results presented in Fig. 9 show that
humidity levels between 30 % and 70 % served
as a limiting factor for the growth of Omphalotus
af. illudent mycelium. As the level of humidity
rises from 30 % to 70 %, the growth rate increase
reached 300 %. However, higher levels of
humidity, 80 %-90 %, terminated the growth of
mycelium and triggered the formation of fruiting
bodies.
V. Bioluminescence of Omphalotus af. illudent
A specific feature of Omphalotus af.
illudent metabolism is bright visible wavelength
luminescence. It is observable at a distance of
– 167 –
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Fig. 10. Luminescence intensity of Omphalotus af. illudent mycelium
Fig. 11. Relationship of luminescence intensity of Omphalotus af. illudent to: a) type of nutrient media, b) pH of
the medium
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Dao Thi Van. Physiological and cultural properties of the luminous fungus Omphalotus af. illudent
time, hours
Fig. 12. Dynamics of intensity of luminescence of young fruiting body of Omphalotus af. illudent (budding 3
days, weight 0.914 g, moisture 87.76 %, pH 8.5)
several meters and can easily be registered by
luminometers. In contrast to many other luminous
fungi, this species is luminescent in every phase
of its life cycle: from spores to fruiting bodies.
Omphalotus af. illudent luminescence
intensity was measured using a laboratory
prototype luminometer designed and constructed
at Ho Chi Minh City University, Vietnam. Results
of the discrete measurements are presented in
relative luminescence units (RLU), in a graph of
luminescence intensity for 13 h (Fig.10).
Luminescence intensity was studied in
relation to the composition of the growth medium
(Fig. 11a). Luminescence intensity on Hamada
medium was considerably, 4-5 times, higher than
that on other studied media. It is notable that the
growth rate on this medium was the lowest. Thus,
the processes of growth and luminescence in the
fungus are reciprocal.
The relationship of the mycelium
luminescence intensity to pH of the medium (Fig.
11b) was similar to the corresponding relationship
of the growth rate: the maximum was observed at
pH 7-8, but in much more acidic media, even at
pH 1-3, the ability of the mycelium to emit light
was retained as well as its ability to grow. The pH
dependence of the luminescence of the fruiting
bodies is the same: its peak is registered at pH 6-7
and the ability to emit light is retained within a
wide range of pH values – from 1 to 11, i.e., from
strongly acidic to strongly alkaline conditions,
with the intensity symmetrically decreasing from
the optimum.
Long-duration, lasting several tens of hours,
measurements of luminescence, which were
taken every 10 min, revealed wavelike variations
in the luminescence intensity of three-day-old
fruiting bodies (Fig. 12). Oscillations of fungal
luminescence have been previously reported
by other authors (Berliner, 1961; Calleja and
Reynolds, 1970; Kamzolkina,1982).
The revealed relationship between the
luminescence rhythm and the age of fruiting
bodies should be investigated further.
VI.The life cycle of the Omphalotus
af. illudent fungus
In natural optimal conditions, growing
on the wood of the rubber tree (Hevea sp.), the
development of Omphalotus af. iludent from
spore to spore lasts up to 2 months, with the
following duration of different phases:
Spore germination and onset of growth – 5
days.
Spread of mycelium in the wood substrate –
20 days.
Formation of hyphae inside the wood – 20
days.
– 169 –
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Dao Thi Van. Physiological and cultural properties of the luminous fungus Omphalotus af. illudent
Fig. 13. The life cycle of Omphalotus af. illudent in nature
Fruiting body formation and maturation – 15
days.
The switching from mycelium growth to
the formation of fruiting bodies was found to be
triggered by a sharp change in the temperature
of the air (± 5°С) and/or a dramatic, usually postrain, increase in the humidity – to 90 %. The
life cycle of Omphalotus af. illudent in nature is
shown in a series of photographs in Fig. 13.
The study of the physiological and cultural
properties of Omphalotus af. illudent provided
a basis for successful large-scale cultivation of
this fungus and, hence, extraction of products
of potential pharmaceutical significance
from the biomass in quantities sufficient for
studies of the mechanism underlying fungal
bioluminescence and for use the fungus in
bioluminescent assay.
The author is grateful to Mr. Le Duy Thang,
Natural Science University, Mr. Nguyen Vu,
Natural Science University for collecting fungus
samples in field and for technical assistance.
References
Berliner M. D. (1961) Studies in fungal luminescence. Mycologia 53: 84.
Bitler B., McElroy W.D. (1957) Preparation and properties of crystalline firefly luciferin, Arch.
Biochem. Biophys., 72: 358.
Calleja G. B., Reynolds G. T. (1970) The oscillatory nature of fungal bioluminescence. Trans. Br.
Mycol. Soc. 55: 149.
Desjardin D. E., Capelari M., Stevani C. V. (2005) A new bioluminescent agaric from S ao Paulo,
Brazil. Fung. Div. 18: 9.
– 170 –
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Dao Thi Van. Physiological and cultural properties of the luminous fungus Omphalotus af. illudent
Desjardin D. E., Capelari M., Stevani C. V. (2007) Bioluminescent Mycena species from S ao
Paulo, Brazil. Mycologia 99: 317.
Desjardin D. E., Braga-Neto R. (2007) Mycena lacrimans, a rare species from Amazonia, is
bioluminescent. Edinburgh J. Bot. 64: 275.
Desjardin D.E., Oliveira A.G., Stevani C.V. (2008) Fungi bioluminescence revisited. Photochem.
Protobiol. Sci. 7 : 170-182.
Dubois R. (1885) Note sur physiologie des Pyrophores. C. R. Seances Soc. Biol. Paris, 2 : 559.
Kamzolkina O. V. (1982) Oscillation of bioluminescence in submerged culture of Armillaria
mellea (Fr.) Kumm., Mikologiya i Fitopatologiya 16: 323.
Kirchmair M., Pëder R., Huber C.G., Miller O.K. (2002) Chemotaxonomical and morphological
observations in the genus Omphalotus Fayod (Omphalotaceae). Persoonia 17: 583.
Shimomura O. (1992) The role of superoxide dismutase in regulating the light emission of
luminescent fungi. J. Exp. Bot. 43: 1519.
Shimomura O. (2006). Bioluminescence: Chemical Principles and Methods. London, World
Scientific Publishing Co. 500 p.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Journal of Siberian Federal University. Biology 2 (2009 2) 172-181
~~~
УДК 579.5:539.752+577(T2-575):582.16
Содержание техногенных радионуклидов
в кустарниковых растениях и грибах в зоне влияния
Горно-химического комбината (Красноярский край)
Д.В. Дементьев*, А.Я. Болсуновский
Институт биофизики Сибирского отделения Российской академии наук
Россия 660036, Красноярск, Академгородок 1
Received 1.06.2009, received in revised form 8.06.2009, accepted 15.06.2009
В работе исследовали накопление радионуклидов из почвы грибами и ягодными кустарниками
в зоне влияния Горно-химического комбината (Красноярский край, Россия). Показано, что
на данной территории биоиндикативные свойства в полной мере проявляют грибы Suillus
granulatus и S. luteus, для которых уровень накопления 137Cs может достигать 10 кБк/кг сухой
массы. Значения коэффициента накопления 137Cs грибами изменяется в 5 раз для участков с
разными источниками поступления радионуклидов в почву. Уровень накопления радионуклидов
ягодными кустарниками на 2-3 порядка ниже, чем грибами. Интенсивность накопления
радионуклидов в органах кустарников Rubus idaeus и Ribes nigrum возрастает для 60Co и 137Cs в
ряду «ветки<листья~ягода», для 90Sr – «ягода<ветки<листья».
Ключевые слова: радионуклиды, коэффициент накопления, грибы, кустарники.
Введение
На исследованной территории центральной части Красноярского края можно выделить два источника поступления техногенных
радионуклидов в окружающую среду: глобальные выпадения радионуклидов в результате испытаний ядерного оружия и поступление радионуклидов в результате деятельности
Горно-химического комбината (ГХК) г. Железногорска. Поступление радионуклидов в результате деятельности ГХК происходит двумя
путями: локальное аэрозольное загрязнение
территорий и загрязнение поймы р. Енисей, в
том числе через вынос загрязнённых радионуклидами донных отложений во время паводков
(Bolsunovsky, Bondareva, 2007).
*
1
Значительную часть территорий, находящихся в зоне воздействия ГХК, занимают лесные массивы. Сведения о накоплении радионуклидов в лесных экосистемах
этих районов имеют отрывочный характер
и относятся, главным образом, к изучению
загрязнения древесных растений как основного объекта лесопользования; между тем,
другие компоненты лесных экосистем, в
частности грибы и ягодные кустарники, могут более интенсивно накапливать радионуклиды (Носов, Мартынова, 1996; Болсуновский и др., 2006).
Целью работы является оценка интенсивности накопления техногенных радионуклидов грибами и кустарниками в лесных
Corresponding author E-mail address: dementyev@gmail.com
© Siberian Federal University. All rights reserved
– 172 –
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Д.В. Дементьев, А.Я. Болсуновский. Содержание техногенных радионуклидов в кустарниковых растениях…
экосистемах Красноярского края в зоне влияния Горно-химического комбината.
Материалы и методы
Объектами исследований в лесных экосистемах центральной части Красноярского
края стали почва, 12 видов грибов и 5 видов
ягодных кустарников на следующих участках: фоновый – «Красноярск» (0 км), загрязнённый только в результате глобальных аэрозольных выпадений; участки «Железногорск»
(66 км), «Атаманово (село)» (88 км), «Балчуг
(село)» (98 км), загрязнённые в результате
глобальных выпадений и аэрозольных выбросов ГХК; пойменные участки р. Енисей
ниже сброса ГХК – «Атаманово (остров)» (88
км) и «Балчуг (берег)» (98 км) с водным путём
поступления техногенных радионуклидов, в
основном за счёт выноса загрязнённых радионуклидами донных отложений во время паводков (рис. 1).
Отобранные пробы растений и грибов
разделяли по видам, растения – на органы.
Все пробы сушили при 65 °C в сушильном
шкафу и определяли сухую массу образцов.
Сухие пробы растений озоляли в муфельной
печи при 450 °C, после чего вычисляли их коэффициент зольности для дальнейшего перерасчёта определяемых значений на сухую
массу. За весь период исследования, с 2002 по
2007 гг., были отобраны 163 пробы грибов (из
них 141 – в зоне влияния ГХК), 139 проб кустарников (120 – в зоне влияния ГХК) и 114
проб почвы (90 – в зоне влияния ГХК).
Во всех пробах определяли содержание
гамма-излучающих радионуклидов на гаммаспектрометре со сверхчистым германиевым
детектором (Canberra, США). Полученные
спектры обрабатывали с помощью программного обеспечения CANBERRA GENIE 2000
(США).
На пойменном участке «Атаманово
(остров)» в пробах кустарника Ribes nigrum
L. и почвы определяли содержание 90Sr по дочернему 90Y. Выделенный радиохимически
препарат 90Y измеряли на низкофоновом α-βгазопроточном пропорциональном счётчике
и на ЖСС Tri-Carb 2800TR (США). Все зна-
Рис. 1. Карта-схема Красноярского края (Россия) с указанием населённых пунктов, возле которых
проводился отбор проб
– 173 –
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Д.В. Дементьев, А.Я. Болсуновский. Содержание техногенных радионуклидов в кустарниковых растениях…
чения удельных активностей радионуклидов
рассчитаны для воздушно-сухой массы образцов.
Для определения формы нахождения
радионуклидов в пробах почвы и грибов использовали метод последовательного химического фракционирования. Фракционирование
почвы проводили по схеме Тисера (Barreto et
al., 2004) в модификации Клемта (Klemt et al.,
2002) (табл. 1). Для химического фракционирования грибов использовали схему, приведённую в табл. 2, уже опробованную ранее
(Болсуновский и др., 2006). По данной схеме
радионуклиды, вышедшие во фракции I+II,
адсорбированы на внешней поверхности клеток, во фракции III – нуклиды, связанные с
органическими компонентами, фракция IV–
минеральный остаток. Для интерпретации
результатов последовательного химического фракционирования почвы и грибов было
предложено считать радионуклиды, оставшиеся в неразложившемся остатке, «фиксированными», остальную часть, перешедшую
в раствор при фракционировании, – «подвижными».
Результаты и обсуждение
Радионуклиды в почве. По типу поступления радионуклидов в почву исследованные участки были разделены на две группы:
незатапливаемые участки с аэрозольным
поступлением радионуклидов и пойменные
территории с водным поступлением радионуклидов. Районы первой группы характеризуются дерново-слабоподзолистой почвой,
на затапливаемых участках второй группы –
аллювиальные дерновые почвы. По данным
термогравиметрического анализа доля органики в изученных пробах почв не превышала
4,8 %.
По результатам лабораторных спектрометрических измерений на участках «Железногорск», «Атаманово (село)», «Балчуг (село)»
в верхнем 10-сантиметровом слое почв из
техногенных радионуклидов зарегистрирован только 137Cs. Его удельная активность в
Таблица 1. Схема последовательного химического фракционирования образцов почвы
Фракция
I Обменная
Химические реагенты
CH3COONH4 (1M)
II Карбонаты + аморфные
материалы
Условия
Перемешивание 24 ч
CH3COONH4 (1M) + HNO3 (1M) до
рН=5
NH4OH·HCl (0,2M) в CH3COOH
III Оксиды и гидроксиды Fe, Mn
(25 %)
Перемешивание до состояния
равновесия (~8 ч)
IV Органическое вещество
H2O2 (35 %) + HNO3 (1M) до 0,05М
Перемешивание 3 ч, при 85 °С
V Аморфные силикаты
NaOH (0,2M)
VI Неразложившийся остаток
Перемешивание 3 ч
Перемешивание 40 мин, при
80 °С
Остаток после удаления
предыдущей фракции
Таблица 2. Схема последовательного химического фракционирования образцов грибов
Фракция
Химические реагенты
Условия
I+IIПоверхностно-адсорбционная
H2SO4 (0,1M)
Перемешивание 4 ч
III Органическое вещество биомассы
H2O2 (35 %) + HNO3 (1M)
до 0,05М
Нагревание 1-1,5 ч, при 85 °С
Остаток после удаления
предыдущей фракции
IV Неразложившийся остаток
– 174 –
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Д.В. Дементьев, А.Я. Болсуновский. Содержание техногенных радионуклидов в кустарниковых растениях…
почвах в зоне ГХК в 2-3 раза превышает фоновое значение участка «Красноярск» и достигает 100 Бк/кг.
В пойменных почвах участка «Атаманово
(остров)» гамма-спектрометрический анализ
показал наличие: 60Co – до 160 Бк/кг, 137Cs – до
1800 Бк/кг, 152Eu – до 400 Бк/кг, 154Eu – до 60
Бк/кг, 155Eu – до 12 Бк/кг и 241Am – до 25 Бк/кг.
Также в этих почвах было определено содержание 90Sr – до 26 Бк/кг. Такое разнообразие
радионуклидов в пойменных почвах р. Енисей
возникло в результате выноса донных отложений, загрязнённых радионуклидами, во время
сильных паводков. Проведённые исследования
показали крайне неоднородное распределение
радионуклидов в почвах участка «Атаманово
(остров)» – средняя удельная активность 137Cs
в центре острова в 2,5 раза ниже по сравнению
с его береговой частью. Весь измеренный интервал содержания 137Cs составляет 400 – 1800
Бк/кг. Неоднородность распределения 137Cs,
хоть и не столь значительная, наблюдается и
на других участках. Подобная же неоднородность распределения характерна и для других
техногенных радионуклидов.
Из всего запаса радионуклидов в почвах
грибами и растениями может усваиваться
только та часть, которая находится в почвенном растворе или может перейти в этот раствор (Mytennaere et al. 1993; Tikhomirov et al.
1993). С помощью последовательного химического фракционирования была определена
доля подвижных радионуклидов в почвах,
которая потенциально может усваиваться организмами. По результатам фракционирования получено, что более 90 % 137Cs в почве находится в фиксированном состоянии (рис. 2).
Распределение 137Cs по фракциям, объединённым в подвижную часть, от общего его содержания, следующее: «обменная» – 3 %, «карбонаты + аморфные материалы» – 1 %, «оксиды
и гидроксиды Fe, Mn» – 0,4 %, «органическое
Рис.
2.
Подвижность
радионуклидов
в
почве
участка
“Атаманово
(остров)”
по
результатам последовательного химического
фракционирования
(приведён
интервал
стандартной ошибки для n=6)
вещество» – 2,5 %, «аморфные силикаты» –
0,6 %. Для 60Co и 152Eu доли подвижной и фиксированной части одинаковы.
Радионуклиды в грибах. В исследованных ранее 12 видах грибов (табл. 3) из техногенных гамма-излучающих радионуклидов,
присутствующих в почвах, накапливается
только 137Cs, для которого наблюдается ярко
выраженная видовая зависимость и видовые
различия в уровнях накопления достигают
двух порядков величины. Так, для грибов,
собранных в районах с аэрозольным поступлением радионуклидов («Железногорск»,
«Атаманово (село)», «Балчуг»), удельная активность 137Cs изменяется от единиц до сотен
Бк/кг (Болсуновский и др., 2006). На участке
«Атаманово (остров)» удельная активность
137
Cs в грибах разных видов изменяется от 100
до 10000 Бк/кг.
Из изученных видов грибов биоиндикативные свойства проявляют S. granulatus и
S. luteus: они показали максимальные уровни
содержания 137Cs и широко распространены
на данной территории. Достоверных различий в накоплении 137Cs между этими двумя
видами не выявлено.
Из полученных данных следует, что
в пределах одного района удельная актив-
– 175 –
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Д.В. Дементьев, А.Я. Болсуновский. Содержание техногенных радионуклидов в кустарниковых растениях…
Таблица 3. Исследованные виды грибов
Семейство
Boletaceae
Латинское название
Boletus edilus Bull.: Fr.
Leccinum scabrum (Bull.:Fr.) S.F. Gray
Suillus granulatus (L.: Fr.) Roussel
Suillus luteus (L.: Fr.) Roussel
Cantharellaceae
Cantharellus cibarius Fr.
Hydnaceae
Hydnum repandum L.: Fr.
Russulaceae
Lactarius deliciosus (L.: Fr.) S.F. Gray
Lactarius resimus (Fr.: Fr.) Fr.
Russula foetens Pers.: Fr.
Russula vesca Fr.
Tricholomataceae
Armillaria mellea (Vahl : Fr.) Kumm
Lyophyllum gambosum (Fr.) Sing
Таблица 4. Удельная активность 40K и 137Cs в S. granulatus and S. luteus, Бк/кг сухой массы
Поступление РН в почву
Аэрозольное
Водное
Место отбора
40
K (среднее)
Cs (среднее)
137
Cs (max)
137
«Атаманово (село)»
1210±40
160±20
304
«Балчуг (село)»
1440±200
230±30
360
«Железногорск»
1270±60
180±20
325
«Красноярск»
1310±70
53±7
130
«Атаманово (остров)»
1130±100
5200±550
10200
«Балчуг (берег)»
930±50
1700±50
1800
ность 137Cs в плодовых телах грибов может
отличаться в несколько раз, что обусловлено
«пятнистым» характером загрязнения территорий, а также неоднородностью почвенного
покрова. Средняя удельная активность 137Cs
в S. granulatus из районов, подверженных
только аэрозольным радиоактивным выбросам ГХК, в 2-4 раза выше содержания 137Cs
в грибах контрольного района «Красноярск»
(табл. 4). На пойменных участках удельная активность 137Cs в S. granulatus и S. luteus достигала 10200 Бк/кг, что превышает установленный российскими нормативами предел (2500
Бк/кг по «Гигиенические…», 2002) и сопоставимо с уровнями накопления, наблюдаемыми
на отдельных участках 30-километровой зоны
Чернобыльской АЭС (Зарубина, 2006).
Исследование возможного концентрирования 137Cs в частях плодовых тел S. granulatus
и S. luteus показало, что удельная активность
137
Cs в шляпках в 1,7-2,3 раза выше, чем в ножках. При определении степени связывания
137
Cs с биомассой S. granulatus и S. luteus установлено, что 137Cs в них распределяется аналогично 40К. Нами не было выявлено разницы
в распределении 137Cs в грибах, собранных в
районах с разными источниками поступления
137
Cs. Наибольшая доля 137Cs и 40K находится в обменно-адсорбционной фракции (от 56
до 71 % общего содержания радионуклида).
В органической фракции содержание 137Cs и
40
K варьирует от 23 до 37 %. В минеральном
остатке остаётся менее 6 % радионуклидов
накопленных грибами и, следовательно, при
– 176 –
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Д.В. Дементьев, А.Я. Болсуновский. Содержание техногенных радионуклидов в кустарниковых растениях…
отмирании плодового тела большая часть
137
Cs быстро станет доступной для усвоения
другими организмами.
В исследованных районах с аэрозольными выпадениями 137Cs абсолютное содержание этого радионуклида в S. granulatus и S.
luteus увеличивается линейно с увеличением
содержания 137Cs в почвах. Численной характеристикой интенсивности накопления радионуклидов из почвы в грибы является коэффициент накопления (КН):
где Af – удельная активности радионуклида в
плодовом теле гриба, As – удельная активности
радионуклида в почве. Рассчитанные средние
значения коэффициентов накопления для 137Cs
и 40K совпадают и составляют 3,0±0,3 (табл. 5).
Для проб маслят из районов с водным источником поступления 137Cs в почву отмеченная
выше линейность в накоплении 137Cs нарушается. Здесь значения коэффициента накопления 137Cs возрастают более чем в 5 раз.
Проведённые исследования накопления
радионуклидов грибами подтверждают, что
грибы видов S. granulatus и S. luteus являются аккумуляторами радиоцезия. Вопрос о накоплении радионуклидов грибами с момента
Чернобыльской аварии интенсивно изучается.
Полученные значения коэффициентов накопления 137Cs для группы микоризообразователей, к которой принадлежат S. granulatus и S.
luteus, изменяются в пределах трёх порядков
величины – 0,08-77 (Barnett et al., 1999). Для
рода Suillus также отмечена широкая межвидовая вариабельность КН 137Cs – в пределах
двух порядков (Gillett, Crout, 2000). Исследования накопления радиоцезия грибами вида
S. luteus показали КН 137Cs равным 9 (Tsukada
et al., 1998), что входит в полученный нами
диапазон значений.
Радионуклиды в ягодных кустарниках. Накопление радионуклидов в кустарниковом ярусе изучали в компонентах надземной фитомассы Ribes hispidulum (Jancz.)
Pojark, Ribes nigrum L., Rosa majalis Herrm.,
Rubus idaeus L., Viburnum opulus L. На всех
исследованных участках в растениях зарегистрированы 40K и 137Cs. В пробах с пойменных
почв в надземной фитомассе зафиксированы
также 60Co и 90Sr, накопление других техногенных радионуклидов не было выявлено.
Наблюдаемые уровни накопления 137Cs растениями на 2-3 порядка ниже по сравнению с
грибами. Также для выбранных видов ягодных кустарников отмечено, что накопление
137
Cs отличается не более чем в 2 раза, в то
время как для грибов межвидовые различия
накопления радиоцезия на тех же участках
достигают 2 порядков.
Из выбранных видов Rubus idaeus и
Ribes nigrum характеризуются повышенным
накоплением радионуклидов, особенно в
ягодах, поэтому они были выбраны для более детального изучения. Исследование проб
надземной фитомассы этих кустарников показало наличие техногенных 60Co, 90Sr и 137Cs
(табл. 6), накопление других техногенных
радионуклидов не зафиксировано. 137Cs и 90Sr
накапливается во всех органах кустарников,
60
Co – только в листьях и ветвях. Для всех
видов прослеживается 2-3-кратное различие
между листьями и ветками в накоплении радионуклидов, что можно объяснить проводящей функцией ветвей в период активной
вегетации.
На участках только с аэрозольным поступлением радионуклидов «Атаманово
(село)», «Балчуг (село)», «Железногорск» и
«Красноярск» из техногенных радионуклидов обнаружен лишь 137Cs, причем содержание радиоцезия находилось на пределе обнаружения.
– 177 –
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Д.В. Дементьев, А.Я. Болсуновский. Содержание техногенных радионуклидов в кустарниковых растениях…
Таблица 5. Коэффициенты накопления (КН) 40K и
источниками поступления радионуклидов
Поступление РН в почву
Аэрозольное
Водное
Cs в грибах с участков с аэрозольным и водным
137
Место отбора
КН 40K
КН 137Cs
«Атаманово (село)»
2,7
3,0
«Балчуг (село)»
3,3
2,9
«Железногорск»
3,2
3,4
«Красноярск»
2,9
2,7
Среднее значение
3,0±0,3
3,0±0,3
«Балчуг (берег)»
2,1
4,7
«Атаманово (остров)»
2,0
10–16
Таблица 6. Накопление радионуклидов кустарниками на участке “Атаманово (остров)” с водным
источником поступления, Бк/кг сухой массы
Радионуклид
Ветки
K
204±18
160±15
90
Sr
11±2
н.о.
60
Co
0,8±0,2
н.з.
Cs
13±1
11±2
40
K
620±50
480±40
90
Sr
45±6
н.о.
60
Co
2,8±0,5
1,6±0,4
Cs
29±2
17±1
40
K
490±40
420±30
90
Sr
3,8±0,6
н.о.
60
Co
н.з.
н.з.
Cs
23±3
17±2
137
Ягода
Rubus idaeus
40
137
Листья
Ribes nigrum
137
Примечание: н.о. – не определялось; н.з. – не зафиксировано.
Показателем интенсивности переноса
радионуклидов из почвы в растения является
коэффициент накопления, который рассчитывают аналогично КН для грибов. Характер
накопления калия в разных условиях произрастания одинаков. КН 40K для веток малины
и чёрной смородины равен 0,4-0,5, для листьев и ягод – 1-1,4.
Содержание 137Cs в ягодных кустарниках
увеличивается пропорционально с увеличе-
вая модель не может объяснить накопление
цезия.
Наиболее интенсивно из техногенных
радионуклидов в кустарниках накапливается
90
Sr. В чёрной смородине КН 90Sr в листьях достигает 1,9, в ветвях – 0,9, в ягодах – 0,25, т. е.
на 2 порядка выше, чем для 137Cs. Как видно из
рис. 3б, коэффициенты накопления 60Co близки с таковыми для 137Cs, что выше значений,
полученных для чернобыльской зоны (Lux et
нием концентрации радионуклида в почве.
Рассчитанные КН 137Cs (рис. 3) лежат в диапазоне в 0,01-0,03, что на 1-2 порядка ниже
значения КН 40K, т. е. в этом случае аналого-
al., 1995).
По рассчитанным КН выявлено, что
содержание 137Cs и 60Co в органах кустарников возрастает в ряду «ветки < листья ~
– 178 –
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Д.В. Дементьев, А.Я. Болсуновский. Содержание техногенных радионуклидов в кустарниковых растениях…
Рис. 3. Коэффициенты накопления техногенных радионуклидов для различных органов кустарников: для
участков с аэрозольным (а) и водным (б) поступлением радионуклидов (приведён интервал стандартной
ошибки для n=3)
ягода», а для 90Sr – в ряду «ягода < ветки <
листья».
Полученные нами данные по накоплению техногенных радионуклидов ягодными
кустарниками согласуются с результатами
исследований других авторов. Коэффициенты накопления 137Cs в зелёной фитомассе
Rubus idaeus в 30-км зоне ЧАЭС составляют
0,02–0,4 (Lux et al., 1995). Полевые исследования по накоплению 137Cs ягодами Rubus
idaeus дали схожие результаты – 0,015–0,028.
Для ягод Ribes nigrum средний КН 137Cs по
данным исследований в районе Селлафилда
равен 0,015 (Carini, 2001), что также совпадает с нашими значениями. Некоторые отличия наблюдались только в накоплении 60Co,
для которого КН в зелёной фитомассе малины в 30-километровой зоне ЧАЭС составляет 0,006–0,007 (Lux et al., 1995), что ниже полученных нами значений.
Заключение
Проведённые исследования по накоплению радионуклидов в грибах и ягодных кустарниках, собранных в разных районах в
зоне влияния радиоактивных сбросов ГХК,
показали, что наилучшими биоиндикаторами
загрязнения территории техногенным 137Cs
являются S. granulatus и S. luteus, накапливающие максимальные активности 137Cs, неза-
висимо от источника его поступления в почву.
В связи с проявленными биоиндикативными
свойствами по загрязнению почв 137Cs данные
виды следует изучить на предмет накопления
тяжёлых металлов и, возможно, использовать
их как индикаторы радиоактивного и химического загрязнения почв.
Уровни накопления техногенных радионуклидов растениями на 2-3 порядка
ниже, чем у грибов. В надземной биомассе
ягодных кустарников Rubus idaeus и Ribes
nigrum интенсивность накопления радионуклидов в органах возрастает для 60Co
и 137Cs в ряду «ветки<листья~ягода», для
90
Sr – «ягода<ветки<листья». В целом характер накопления техногенных радионуклидов грибами и кустарниками согласуется с
результатами подобных исследований, проведённых на территориях, пострадавших в
результате радиоактивных выпадений после
аварии на Чернобыльской АЭС.
Благодарность
Авторы выражают благодарность Л.Г.
Бондаревой – канд. хим. наук, ст. науч. сотр. лаборатории радиоэкологии ИБФ СО РАН, за помощь при аналитическом исследовании проб.
Исследование выполнено при поддержке гранта РФФИ-ККФН №09-04-98002-р_
сибирь_а.
– 179 –
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Д.В. Дементьев, А.Я. Болсуновский. Содержание техногенных радионуклидов в кустарниковых растениях…
Список литературы
Болсуновский А.Я., Дементьев Д.В., Бондарева Л.Г. (2006) Оценка накопления техногенных радионуклидов грибами в зоне влияния Красноярского Горно-химического комбината.
Радиационная биология // Радиоэкология. 46 (№1): 67-74.
Гигиенические требования безопасности и пищевой ценности пищевых продуктов:
Санитарно-эпидемиологические правила и нормативы (СанПиН 2.3.2.1078-01). (2002) ЗАО
«РИТ-Экспресс», М., 208 с.
Зарубина Н.Е. (2006) Многолетняя динамика накопления радионуклидов грибамимакромицетами после аварии на Чернобыльской АЭС / Под ред. А.И. Таскаева и др. // Радиоэкологические исследования в зоне отчуждения Чернобыльской АЭС (к 20-летию аварии на
Чернобыльской АЭС): Тр. Коми НЦ УрО РАН, № 180. Сыктывкар, с. 152-167.
Носов А.В., Мартынова А.М. (1996) Анализ радиационной обстановки на р. Енисей после снятия с эксплуатации прямоточных реакторов Красноярского ГХК // Атомная энергия. 81
(№3): 226-232.
Barnett C.L., Beresford N.A., Self P.L., et al. (1999) Radiocaesium activity concentrations in
the fruit-bodies of macrofungi in Great Britain and an assessment of dietary intake habits. Sci Total
Environ. 231: 67-83.
Barreto S.R.G., Nozaki J., Oliveira E., et al. (2004) Comparison of metal analysis in sediments
using EDXRF and ICP-OES with the HCl and Tessie extraction methods. Talanta. 64: 345–354.
Bolsunovsky A., Zotina T., Bondareva L. (2005) Accumulation and release of 241Am by a
macrophytes of the Yenisei River (Elodea canadensis). J. Environ. Radioactivity. 81: 33-46.
Bolsunovsky A. and Bondareva L. (2007) Actinides and other radionuclides in sediments and
submerged plants of the Yenisei River. J. Alloy. Compd. 444-445: 495-499.
Carini F. (2001) Radionuclide transfer from soil to fruit. J. Environ. Radioactivity. 52: 237-279.
Gillett A.G., Crout N.M.J. (2000) A review of 137Cs transfer to fungi and consequences for
modelling environmental transfer. J. Environ. Radioactivity. 48: 95-121.
Klemt E., Spasova Y., Zibold G., et al (2002) Deposition of artifical radionuclides in sediments
of the river Yenisei. In: P. Strand and S. Ase (eds) Environmental Radioactivity in the Arctic and
Antarctic. Norway: 67-70.
Lux D., Kammerer L., Ruhm W., Wirth E. (1995) Cycling of Pu, Sr, Cs, and other longliving
radionuclides in forest ecosystems of 30-km zone around Chernobyl. Sci. Total Environ. 173/174:
375-384.
Myttenaere C., Schell W.R., Thiry Y., et al. (1993) Modelling of the Cs-137 cycling in forests:
recent developments and research needed. Sci. Total Environ. 136: 77-91.
Tikhomirov F.A., Shcheglov A.I., Sidorov V.P. (1993) Forests and forestry: radiation protection
measures with special reference to the Chernobyl accident zone. Sci. Total Environ. 137: 289-305.
Tsukada H., Shibatab H., Sugiyama H. (1998) Transfer of radiocaesium and stable caesium from
substrata to mushrooms in a pine forest in Rokkasho-mura, Aomori, Japan. J. Environ. Radioactivity.
39 (№2): 149-160.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Д.В. Дементьев, А.Я. Болсуновский. Содержание техногенных радионуклидов в кустарниковых растениях…
Content of Man-Caused Radionuclides in Shrubs
and Mushrooms in the Area Affected by
the Mining-and-Chemical Combine (the Krasnoyarskii Krai)
Dmitry V. Dementyev and Alexander Ya. Bolsunovsky
Institute of Biophysics of Siberian Branch of Russian Academy of Sciences,
Akademgorodok, 660036 Krasnoyarsk Russia
The study addresses accumulation of radionuclides by mushrooms and berry shrubs from the forest
soil in the area around the Mining-and-Chemical Combine (the Krasnoyarskii Krai, Russia). The
Suillus granulatus and S. luteus mushrooms have been found to be the best bioindicators in this area.
The level of 137Cs concentration in these species can reach 10 kBq/kg dry mass. The 137Cs transfer
factor (TF) by the mushrooms varies 5-fold among the sites that receive radionuclides from different
sources. The level of radionuclide activities accumulated by berry shrubs is 2-3 orders of magnitude
lower than the activities accumulated by mushrooms. Based on the calculated TFs, the distribution
of 137Cs and 60Co among the parts of these shrubs is as follows: branches<leaves~berries, and the
distribution of 90Sr – berries<branches<leaves.
Keywords: radionuclides, transfer factor, mushrooms, shrubs.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Journal of Siberian Federal University. Biology 2 (2009 2) 182-190
~~~
УДК 579.5
Specific Features of Mixed Culture of Invertebrates Maintained
under Laboratory Conditions
Tamara I. Pisman *
Institute of Biophysics of Siberian Branch of Russian Academy of Science,
50 Akademgorodok, Krasnoyarsk, 660036 Russia 1
Received 1.06.2009, received in revised form 8.06.2009, accepted 15.06.2009
Competition among invertebrates was studied in mixed culture (the ciliates Paramecium caudatum
and Paramecium bursaria and the rotifer Brachionis plicatilis) under laboratory conditions. The
invertebrates were fed on various food sources: 1) Chlorella biomass and 2) biomasses of bacteria
and yeast. The P.bursaria – Chlorella condutrix endosymbiosis was used a natural model of a simple
biotic cycle. P.caudatum was found to be a poor competitor: even when the initial percentage of
P.caudatum cells was large and there was no food limitation, this ciliate had been expelled by the end
of the experiment. The main reason for the low competitive ability of P.caudatum in the studied system
was likely the inhibiting effect of invertebrates’ metabolites. The outcome of the competition between
the ciliate P. bursaria and the rotifer B. plicatilis was different depending upon the food source: 1)
Chlorella or 2) bacteria and yeast. When fed on Chlorella, P. bursaria was a better competitor than
B. plicatilis. With bacteria and yeast used as food, the opposite outcome of competition was observed:
the competitive ability of B. plicatilis was better than that of P. bursaria. It was assumed that due to
turbidity of the culture solution in experiments with bacteria and yeast used as food, the zoochlorella
photosynthesis rate decreased and, hence, the P. bursaria – zoochlorella symbiosis became less
competitive. Analysis of experimental results of P. bursaria and P. caudatum single species cultures in
the light and in the dark, with bacteria used as a food source, confirmed that assumption. The results of
the experiments confirmed the beneficial role of symbiotic relationships of the ciliate P. bursaria and
zoochlorella. The number of symbiotic units in the light reached 220 units/ml, while in the dark it was
much smaller. The P. caudatum number remained practically the same in the light and in the dark.
Keywords: competition, experimental aquatic system, invertebrates.
Introduction
Competition among invertebrates is of
both theoretical and practical interest. General
ecology has mainly addressed the competition
for food (Cheng et al., 2004). As known
closely related organisms with similar modes
of existence cannot inhabit the same place,
this is the Gause’s competitive exclusion
principle.
*
1
It was shown that the ciliate Paramecium
bursaria (Ehrenberg, 1831) united in one cycle
with Chlorella had a higher competitive ability
than Paramecium caudatum (Ehrenberg, 1833)
(Pisman and Somova, 2003). With any initial
percentage of the ciliates in the mixed culture, the
end portion of P. bursaria reached 90-99 –, which
was significantly higher than the end portion of
the P. caudatum population.
Corresponding author E-mail address: pech@ibp.ru
© Siberian Federal University. All rights reserved
– 182 –
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Tamara I. Pisman. Specific Features of Mixed Culture of Invertebrates Maintained under Laboratory Conditions
Some published data suggest the leading
role of external metabolites in successions. It has
been shown that the action of a specific inhibitor
is very selective and affects different species in a
mixed community, thus determining the result of
competition (Lundy et al., 1984). An experimental
and mathematical model of interactions between
invertebrates (the ciliate P. caudatum and the
rotifer B. plicatilis) has been studied in the
«producer – consumer» aquatic biotic cycle
with spatially separated components (Pisman
and Bogdanova, 2004). The model described the
dynamics of the mixed culture of ciliates and
rotifers in the «consumer» component feeding
on the mixed algal culture of the «producer»
component. Metabolites of the alga Scenedesmus
have been found to produce an adverse effect on
the reproduction of the ciliate P.caudatum. In the
«producer – consumer» biotic cycle coexistence
proved to be impossible in the mixed culture of
invertebrates of the «consumer» component. The
ciliate P.caudatum was driven out by the rotifer
B. plicatilis (Pisman et al., 2002).
In the experimental laboratory system the
outcome of competition can be affected by a
number of other factors (nutrient limitation,
variations in pH of the environment, accumulation
of metabolism products, etc.) (Norberg and
DeAngelis, 1997).
There are publications on interrelationships
among littoral rotifers. The effect of different
densities of algae and rotifers on the outcome
of their competition has been investigated by
S. Sarma and S. Nandini (2001). The benthic
protozoa have been studied along a transect in
the eastern Mediterranean Sea from the Ionian to
the Levantine Sea (Hausmann et al., 2002). The
studied species included picophagous species,
which feed mostly on bacteria, as well as nanoand microphagous species, which generally feed
on protists, suggesting the existence of several
trophic levels within the deep sea microbial food
web. Thus, competition of invertebrates in both
experimental and natural systems is an important
problem for experimental and theoretical aquatic
ecology.
The purpose of this study was to study a
mixed culture of invertebrates (Paramecium
bursaria (Ehrenberg, 1831), Paramecium
caudatum (Ehrenberg, 1833) and Brachionus
plicatilis (Muller, 1786) in an experimental
system and to get an insight into the reasons
responsible for the outcome of their competition
(coexistence or exclusion).
Materials and Methods
Invertebrates used in the study were the
ciliate Paramecium caudatum, the rotifer
Brachionus plicatilis and a symbiosis of the ciliate
Paramecium bursaria and its endosymbiont,
zoochlorella Chlorella condutrix. The vital
functions of the «P. bursaria – zoochlorella»
symbiosis were maintained by zoochlorella
photosynthesis.
Flows and interactions in the mixed
culture of invertebrates with Chlorella used as
food are schematically presented in Fig. 1. The
ciliate P. bursaria contains zoochlorella and
consumes carbohydrates and oxygen released
by zoochlorella during photosynthesis. Under
light-deficient conditions it can also consume
Chlorella and bacteria. The ciliate P. caudatum
can feed on yeast, bacteria, and Chlorella. The
rotifer B. plicatilis can feed on algae, bacteria,
yeast, and detritus (Sarma and Nandini, 2001).
In this experiment invertebrates were grown on
Chlorella. During the course of their metabolism
paramecia released nitrogen, which was then
consumed by Chlorella and zoochlorella. Part of
dead invertebrates became detritus and provided
a substrate for multiplication of rotifers (Gulati
and DeMott, 1997).
The invertebrates were grown in the LozinaLozinsky synthetic medium supplemented with
– 183 –
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Tamara I. Pisman. Specific Features of Mixed Culture of Invertebrates Maintained under Laboratory Conditions
Nitrogen
N
Algae
C. vulgaris
Ciliate
P. caudatum
Zoochlorella
Rotifer
B. plicatilis
Ciliate
P. bursaria
Detritus
Fig.1. Scheme of flows and interactions in the mixed culture of invertebrates in an experimental laboratory
aquatic system
biomass of yeast, bacteria or Chlorella as food
sources (Kokova, 1982). Bacteria were cultivated
on rice, which was added to the medium at the
beginning of the experiment (Hausmann, 1985).
Cultivation of invertebrates was performed in
500-ml flasks under natural light conditions
during 74 days, day length was about 16 hours,
temperature was 18 0C. The numbers of the
ciliates and rotifers were determined by direct
count in Bogorov’s chamber (standard deviation –
10 –) (Kokova, 1982).
Results
The dynamics of the mixed culture of
invertebrates (P. bursaria, P. caudatum and B.
plicatilis) in the experimental laboratory aquatic
system was investigated for two cases: with 1)
Chlorella and 2) bacteria and yeast used as food.
Fig. 2 and 3 show the dynamics of
invertebrates in the mixed culture for 74 days in
experiments with different initial proportions of
competitors, grown on Chlorella. P. caudatum and
the rotifer initially amounted to about 14 – and P.
bursaria to 72 – (Fig. 2). At Day 15, P. caudatum
was expelled; at Day 24, stable coexistence was
established between P. bursaria (about 65 –) and
the rotifer (about 35 –). The final outcome of the
competition of invertebrates in the variant with
different initial proportions (Fig. 3) was similar to
the outcome of the competition shown in Fig. 2.
Although the initial fraction of P. caudatum was
considerably larger and amounted to about 80 –, at
Day 60 this ciliate was also expelled. P. bursaria
(1 –) was added later, at Day 14. Yet, stable
coexistence between P. bursaria (about 60 –) and
the rotifer (about 40 –) was established.
The dynamics of the mixed-culture
invertebrates grown on bacteria and yeast
(without Chlorella) is shown in Fig. 4. The best
food for P. caudatum were the bacterium Bacillus
subtilis and a mixture of Bacillus subtilis and
yeast. However, in this experiment, the ciliate
P. caudatum was a poor competitor too. Initially,
P. caudatum constituted about 80 –, but at Day 70
it was completely expelled. However, the outcome
of the competition between the rotifer and
– 184 –
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
100
B_PL_
Portion of invertebrates, %
90
P_B_
80
P_C_
70
60
50
40
30
20
10
0
0
10
20
30
40
50
60
70
80
Time, days
Fig.2. Dynamics of invertebrates ( – of the total number), with the initial fraction of P. caudatum in the mixed
culture amounting to 14 –, grown on Chlorella
100
B_PL_
Portion of invertebrates,%
90
P_B_
80
P_C_
70
60
50
40
30
20
10
0
0
10
20
30
40
50
60
70
80
Time, days
Fig.3. Dynamics of invertebrates ( – of the total number), with the initial fraction of P. caudatum in the mixed
culture amounting to 80 –, grown on Chlorella
100
B_PL_
Portion of invertebrates, %
90
P_B_
80
P_C_
70
60
50
40
30
20
10
0
0
10
20
30
40
50
60
70
80
Time, days
Fig.4. Dynamics of invertebrates ( – of the total number), with the initial fraction of P. bursaria in the mixed
culture amounting to 1 –, grown on bacteria and yeast
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Tamara I. Pisman. Specific Features of Mixed Culture of Invertebrates Maintained under Laboratory Conditions
P. bursaria grown on bacteria and yeast (Fig. 4)
was opposite to that observed in experiments
with the medium containing Chlorella (Fig. 2 and
3). At Day 40, the fractions of P. bursaria and
B. plicatilis became equal. At Day 74, the rotifer
amounted to 75 –, while P. bursaria dropped
to 25 –. In this experiment, the culture medium
was turbid, in contrast to the experiment with
Chlorella-supplemented medium. Thus, as less
light penetrated into the medium, zoochlorella
photosynthesis rate decreased, and P. bursaria
became less competitive than the rotifer.
To verify this assumption, we studied
competition of invertebrates in the mixed culture
consisting of two components (the rotifer and P.
bursaria) (Fig. 5). The outcome of the competition
was similar to that in the three-component system
(Fig. 4). At the beginning of the experiment, when
the culture medium was transparent, the fraction
of P. bursaria had increased to reach 99 –. Then,
as the culture medium became more turbid, the
fraction of P. bursaria decreased and at Day 74
it dropped to 35-40 –, while the rotifer amounted
to 60-65 –.
Analysis of experimental results of growing
P. bursaria (Fig. 6) and P. caudatum (Fig. 7) single
species cultures in the light and in the dark in the
medium supplemented with bacteria confirmed
the beneficial role of symbiotic relationships. The
number of symbiotic units in the light (Fig. 6)
reached 220 units/ml, while in the dark it was
much smaller. The P. caudatum number (Fig. 7)
remained practically the same in the light and in
the dark.
Discussion
As multiplication of P. bursaria that was
symbiotic with zoochlorella in the light occurred
irrespectively of the additional food source
(Chlorella), in the mixed culture of invertebrates
the main competitors for Chlorella were the rotifer
and P. caudatum. The rotifer could also feed on
detritus, but at the beginning of the experiment
it must have preferred Chlorella, since this alga
is known to be the most favorable food for B.
plicatilis multiplication.
Although there were two food sources
(Chlorella and detritus) for two types of
invertebrates (B. plicatilis and P. caudatum), P.
caudatum was found to be a very poor competitor
under these conditions. One of the reasons could
be its inhibition by waste products of metabolism.
As reported in the literature, the growth of the
protozoa culture is significantly affected by waste
products of their own metabolism (Kokova,
1982). The author suggested that the termination
of growth was caused by enhanced amounts of
waste products of metabolism in the medium.
This explanation is in good agreement with
the experiments that revealed the influence of
metabolites on Paramecium.
The advantages of the P. bursaria symbiotic
unit (the ciliate – zoochlorella) are quite obvious
(Yellowlees et al., 2008). The symbionts can
supply the host with products of photosynthesis
and molecular oxygen, which is necessary for
oxidative processes, while the ciliate, which is
motile, can increase the light supply necessary
for the microalga and provide it with ammonium
compounds – mineral substrate essential for the
growth of chlorella. These compounds are the
ciliate’s metabolites, toxic to it (Barkhatov et al.,
1998).
Partners’ relationships can rather easily
change from mutualistic to antagonistic (and back),
depending on the environmental conditions. For
instance, symbiosis of the freshwater hydra and
Chlorella improves development of the host in
the light and in the absence of carbon compounds,
when the products of photosynthesis supplied by
the endosymbiont are the only food source for
the host. However, the development of the hydra
transferred to the dark is suppressed because
photosynthesis is stopped and the endosymbiont
– 186 –
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
100
Portion of invertebrates, %
90
B_PL_
P_B_
80
70
60
50
40
30
20
10
0
0
10
20
30
40
50
60
70
80
Time,days
Fig.5. Dynamics of invertebrates ( – of the total number), with the initial fraction of P. bursaria in the mixed
culture amounting to 65 –, grown on bacteria and yeast
Number, cells/ml
200
160
LIGHT
DARK
120
80
40
0
0
5
10
15
20
Time, days
25
30
35
Fig.6. Growth of the P. bursaria – zoochlorella symbiosis in the light and in the dark
Number, cells/ml
200
160
LIGHT
DARK
120
80
40
0
0
5
10
15
20
Time, days
Fig.7. Growth of the ciliate P. caudatum in the light and in the dark
25
30
35
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Tamara I. Pisman. Specific Features of Mixed Culture of Invertebrates Maintained under Laboratory Conditions
has to consume the host’s metabolites (Provorov,
2001). Intracellular symbionts of paramecia
(Caedibacter) can be both mutualists and
antagonists for their host, depending upon feeding
conditions (Pond et al., 1989).
Several studies are available on the
interspecific relations among zooplankton
(Hagivara et al., 1995; Jung et al., 1997).
Controversial results were reported by
Hagivara et al. (1995) and Jung et al. (1997)
on the interspecific relations between rotifers
(Brachionus rotundiformis) and copepods
Tetraselmis tetrathele, the ciliate numbers
increased and the rotifer growth was suppressed.
The interference with rotifer growth was stronger
in the lag and stationary phases than in the
logarithmic growth phase. In contrast, when
feeding on the alga Nannochloropsis oculata,
the ciliate did not increase and the rotifer growth
was similar to the control. The fundamental
importance of quantifying population density
effects in natural and laboratory populations has
been well recognized (Snell et al., 2001). Density
effects in laboratory rotifer populations were
(Tigriopus japonicus). Hagivara et al. (1995) have
reported that the copepod T. japonicus did not
affect rotifer growth, while T. japonicus grew
better with rotifers than when cultured alone. On
the other hand, Jung et al. (1997) have showed that
contamination of rotifer cultures with T. japonicus
strongly suppressed B. rotundiformis population
growth when compared to B. rotundiformis single
species cultures. At the same time, the growth
of T. japonicus was better when cultured alone
than when the two species were kept in mixed
cultures.
M. Jung and coauthors (1997) have suggested
that the interspecific relations between rotifers
and copepods could be influenced by co-existing
aquatic bacteria occurred in the cultures. A
subsequent study demonstrated that the presence
or absence of bacteria in the aquatic environment
can alter the relationship between species (Jung
and Hagiwara, 2001). Co-existing bacteria had
a pivotal impact on the interspecific relations
between B. rotundiformis and T. japonicus in
experimental conditions.
Recently, a competition experiment between
the rotifer Brachionus rotundiformis and the
ciliate Euplotes vannus has been carried out
(Cheng et al., 2004). The ciliate was inoculated
at three stages of the rotifer growth curve: the
lag phase, the logarithmic growth phase and
the stationary phase. When feeding on the alga
higher than density effects in natural populations.
Density effects in laboratory populations are
due to food limitation, autotoxicity or to their
combined effects. The cited above work on the
experiments with B. rotundiformis demonstrated
the absence of autotoxicity at densities as high as
865 ml-1, a much higher density than observed
in natural populations. Therefore, the authors
have concluded that food limitation rather than
autotoxicity plays a major role in regulating
natural rotifer populations.
Thus, the outcome of competition of
invertebrates in prolonged batch culture in
the experimental system can depend upon a
number of factors: food source, transparency
of the culture medium, accumulation of waste
products of metabolism, etc. Ecological factors,
such as water temperature, pH, dissolved oxygen,
biomass of cyanobacteria, diatoms, greens and
euglenoids were considered as possible causes
of the mortality of different zooplankton species
(Dubovskaya, 2008). These factors should be
taken into account when designing experimental
and theoretical closed and open ecosystems.
Conclusion
Thus, experimental studies of competition in
the mixed culture of invertebrates (Paramecium
bursaria, Paramecium caudatum and Brachionus
plicatilis) with 1) Chlorella and 2) bacteria and
– 188 –
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Tamara I. Pisman. Specific Features of Mixed Culture of Invertebrates Maintained under Laboratory Conditions
yeast used as food showed poor competitive
ability of the ciliate P. caudatum. Whatever the
initial proportions of invertebrates, by the end of
the experiment P. caudatum was expelled.
The study showed that the outcome of the
competition between the ciliate P. bursaria and the
rotifer B. plicatilis could be different depending
upon the food source: 1) Chlorella or 2) bacteria
and yeast. Fed on Chlorella, P. bursaria was a
better competitor than B. plicatilis. With bacteria
and yeast used as food, the opposite outcome
of competition was observed: the competitive
ability of B. plicatilis was better than that of P.
bursaria.
Acknowledgments
This study was supported by the grant of
the Russian Foundation for Basic Research (No.
09–07-00026).
References
Barkhatov Y.V., Gubanov V.G., Sazonova V.E. (1998) On the cooperative effect of the organic and
mineral substrates on growth rates of symbionts in the Paramecium bursaria – zoochlorella symbiotic
unit. Ekologiya (Ecology). 4: 327-329 (in Russian).
Cheng S.H., Aoki S., Maeda M., Hino A. (2004) Competition between the rotifer Brachionus
rotundiformis and the ciliate Euplotes vannus fed on two different algae. Aquaculture. 241: 331-343.
Dubovskaya O.P. (2008) Evaluation of possible causes of non-predatory mortality of crustacean
zooplankton in a small Siberian reservoir. Journal of Siberian Federal University. Biology 1: 3-18.
Gulati R.D., DeMott W.R. (1997) The role of food quality for zooplankton: remarks on the stateof-the-art, perspectives and priorities. Freshwater Biol. 38: 753-768.
Hagiwara A., Jung M.-M., Sato T., Hirayama K. (1995) Interspecific relation between marine
rotifer Brachionus rotundiformis and zooplankton species contaminating in the rotifer mass culture
tank. Fish. Sci. 61: 623-627.
Hausmann K. (1985) Protozoologie. New York: Georg Thieme Verlag. 334 p.
Hausmann K., Hulsmann N., Polianski I., Schade S. and Weitere M. (2002) Composition of benthic
protozoan communities along a depth transect in the eastern Mediterranean Sea. Deep Sea Research
Part I: Oceanographic Research Papers. 49 (11): 1959-1970.
Jung M.-M., Hagivara A. (2001) The effect of bacteria on interspecific relationships between
the euryhaline rotifer Brachionus rotundiformis and the harpacticoid copepod Tigriopus japonicus.
Hydrobiologia. 446/447: 123-127.
Jung M.-M., Hagivara A., Hirayama K. (1997) Interspecific interactions in the marine rotifer
microcosms. Hydrobiologia. 358: 121-126.
Kokova V.E. (1982) Nepreryvnoye kultivirovaniye bespozvonochnykh (Continuous cultivation of
invertebrates). Novosibirsk: Nauka. 168 p. (in Russian).
Lundy P., Wurster C.F., Roucland R.G. (1984) A two-species marine algal bioassay for detecting
aquatic toxicity of chemical pollutants. Water Res. 18: 187-194.
Norberg J., DeAngelis D. (1997) Temperature effects on stocks and stability of a phytoplanktonzooplankton model and the dependence on light and nutrients Ecol. Model. 95: 75-86.
Pisman T.I., Bogdanova O.N. (2004) An experimental study and a mathematical model of
interactions in the mixed culture of invertebrates and algae in the «producer-consumer» aquatic biotic
cycle. Biofizika (Biophysics) 49 (6): 1112-1117 (in Russian).
– 189 –
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Tamara I. Pisman. Specific Features of Mixed Culture of Invertebrates Maintained under Laboratory Conditions
Pisman T.I., Bogdanova O.N., Kalambet N.S. (2002) Specific features of interactions in a mixed
culture of algae and invertebrates in the «producer – consumer» aquatic biotic cycle.// Sibirskii
ekologicheskii zhurnal (Siberian Ecological Journal) 6: 657-662 (in Russian).
Pisman T.I., Somova L.A. (2003) Competition of the natural and manmade biotic cycles in the
closed aquatic system. Adv. Space Res. 31( 7): 1757-1761.
Pond F.R., Gibson I., Lalucat J., Quackenbush R.L. (1989) R-body producing bacteria. Microb.
Rev. 53(1): 25-67.
Provorov N.A. (2001) Genetic-evolutionary foundations of symbiosis studies. Zhurnal obshchei
biologii (Journal of General Biology) 62(6): 472-495 (in Russian).
Sarma S.S.S., Nandini S. (2001) Life table demography and population growth of Brachionus
variabilis Hempel, 1896 in relation to Chlorella vulgaris densities. Hydrobiologia. 446/447: 75-83.
Snell T.W., Dingmann B.J., Serra M. (2001) Density – dependent regulation of natural and
laboratory rotifer populations. Hydrobiologia. 446/447: 39-44.
Yellowlees D., Rees T.A.V., Leggat W. (2008) Metabolic interactions between algal symbionts and
invertebrate hosts. Plant, Cell and Environment. 31(5): 679-694.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Journal of Siberian Federal University. Biology 2 (2009 2) 191-225
~~~
УДК 574.583 : 574.2
Факторы, определяющие суточное распределение
и перемещения зоопланктона в литоральной зоне
пресноводных озер (обзор)
В.П. Семенченко, В.И. Разлуцкий*
ГНПО «НПЦ НАН Беларуси по биоресурсам»
Беларусь 220072, Минск, ул. Академическая, 27 1
Received 1.06.2009, received in revised form 8.06.2009, accepted 15.06.2009
Видовое разнообразие зоопланктона в литоральной зоне озер значительно выше, чем в
пелагиали озер, в основном за счет представителей родов Chydoridae и Macrotricidae.
Большинство видов Cladocera, считающихся преимущественно пелагическими, обычны и в
литорали озер. Высокое видовое разнообразие обусловлено гетерогенностью местообитаний
в литоральной зоне. Основным фактором, определяющим распределение и суточные миграции
зоопланктона, является пресс рыб и беспозвоночных хищников. В разных водоемах обилие
фитопланктона может возрастать в направлении литоральной зоны и наоборот, что
сказывается на распределении и горизонтальных перемещениях зоопланктона. Метаболиты
водной растительности могут оказывать как отрицательный, так и стимулирующий
эффект на развитие различных видов фитопланктона, а также содержаться в достаточных
концентрациях в литоральной зоне водоемов, чтобы оказать непосредственное влияние
на зоопланктон. Экспериментальные исследования показывают, что в отсутствие
других сигналов кладоцеры избегают зарослей макрофитов. В водоемах умеренной зоны
зоопланктон двигается в направлении макрофитов при наличии кайромонов рыб. Напротив,
в субтропической зоне дафнии избегают водной растительности даже в присутствии
сигналов от хищников. В умеренных широтах погруженная растительность служит
достаточно хорошим рефугиумом для зоопланктона, который может контролировать
развитие фитопланктона даже при дополнительном поступлении биогенных веществ.
В низких широтах обоих полушарий погруженная растительность служит лишь слабой
защитой для зоопланктона от мощного пресса мелких видов рыб, имеющих высокую
численность во всех биотопах. Пресс рыб направлен на крупный зоопланктон, тогда как
зоопланктон с малыми размерами не способен контролировать развитие фитопланктона.
Различия в прессе рыб приводят к тому, что в умеренных мелководных озерах зоопланктон,
в основном, совершает горизонтальные миграции, в то время как в субтропических –
вертикальные. Кардинальные различия в функционировании водных сообществ в водоемах
разных климатических зон могут служить основой для прогноза возможных последствий
глобального потепления климата.
Ключевые слова: зоопланктон, Cladocera, суточные миграции, качество пищи, макрофиты,
хищники.
*
1
Corresponding author E-mail address: vladimirrazl@gmail.com
© Siberian Federal University. All rights reserved
– 191 –
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
В.П. Семенченко, В.И. Разлуцкий. Факторы, определяющие суточное распределение…
Введение
По сравнению с количеством исследований, связанных с изучением пелагического
зоопланктона, число детальных исследований, посвященных разнообразию и динамике численности зоопланктона в литоральной
зоне озер, невелико. Насчитываются единичные работы, в которых проводится сравнение
разнообразия зоопланктона в пелагиали и литорали озер (Raspopov et al., 2002; Walseng et
al., 2006; Разлуцкий, Бусева, 2007а). Наиболее
обширный материал, собранный в 2466 норвежских озерах, проанализирован в работе
Walseng et al. (2006). Все эти исследования
показывают, что в литоральной зоне озер зоопланктон представлен значительно более разнообразно, чем в их открытой части. Основной
вклад в видовое разнообразие литоральных
кладоцер вносят представители семейства
Chydoridae и Macrotricidae (Flössner, 2000).
Более высокое разнообразие Cladocera и
Copepoda в литоральной зоне отражает большее разнообразие прибрежных местообитаний по сравнению с относительно гомогенной
пелагической частью озер. Для литоральной
зоны характерна высокая пространственная
структурированность, которая обусловлена
как морфологией дна, так и наличием разнообразной водной растительности. Приуроченные к литоральной зоне кладоцеры предпочитают различные местообитания, включая
чистую литораль, заросли погруженных макрофитов, различные типы донной поверхности (Pennak, 1966; Fryer, 1968; DiFonzo,
Campbell, 1988; Paterson, 1993). В литоральной зоне озер достаточно часто наблюдаются
более высокое разнообразие и биомасса зоопланктона, чем в пелагической (Lauridsen et
al., 1996; Hanazato et al., 2001; Chang, Hanazato,
2005a).
Следует отметить, что подавляющее
большинство Cladocera и Copepoda, относи-
мых к пелагическим видам, обычны в литорали озер (Walseng et al., 2006), хотя в густых
зарослях водной растительности они встречаются в значительно меньших количествах
(Wetzel, 2001). В то же время даже преимущественно пелагические виды используют край
зарослей водной растительности в качестве
рефугиума от хищников (Lauridsen, Buenk
1996).
В данном обзоре рассматриваются факторы, которые могут влиять на суточное распределение и миграции преимущественно
эупланктонных видов зоопланктона в литоральной зоне озер.
Суточные вертикальные
и горизонтальные миграции
В большинстве мелких озер умеренной зоны обширные участки прибрежий
и поверхности дна покрыты водной растительностью, способной обеспечить пространственное убежище от пелагических
хищников для зоопланктона, который совершает горизонтальные миграции из зоны
открытой воды в заросли (Timms, Moss,
1984; Walls et al., 1990; Lauridsen et al., 1996;
Burks et al., 2002 etc.). Примеры горизонтальных миграций, как прямых (в заросли
макрофитов), так и обратных, а также явление «избегания берега» рассматриваются
в недавних обзорах (Burks et al., 2002, Семенченко, 2006). Но мало известно о горизонтальных миграциях в стратифицированных глубоких и и субтропических водоемах
(Burks et al., 2002).
В данном обзоре будут рассмотрены
типы миграций в литоральной зоне согласно
(Meerhoff et al., 2007b): DHM (diel horizontal
migration) – классические суточные горизонтальные миграции, состоящие из снижения
численности в погруженных макрофитах и
возрастания в открытой воде в ночное время;
– 192 –
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
В.П. Семенченко, В.И. Разлуцкий. Факторы, определяющие суточное распределение…
DVM (diel vertical migration) – классические
вертикальные миграции, заключающиеся
в увеличении ночной численности во всех
биотопах. Соответственно, противоположные тенденции наблюдаются при обратных
(reverse) горизонтальных и вертикальных миграциях – RHM и RVM.
Использование пластиковых ловушек
позволило непосредственно обнаружить направленные горизонтальные перемещения
крупного зоопланктона (дафнии Daphnia
cucullata Sars, D.longispina Müller и копеподы – преимущественно Eucyclops serrulatus
Fischer) в мелководном водохранилище в Центральной Польше (Wojtal et al., 2003). В сумерках дафнии и копеподы двигались в открытую часть водоема, а на рассвете – в заросли.
Таким образом, наблюдались DHM крупного
зоопланктона.
Исследования процессов заселения искусственного биотопа, имитирующего заросли макрофитов, показали, что наблюдаемые быстрые изменения в видовой структуре
и численности сообщества нового биотопа
могут быть объяснены только активными
передвижениями самих ракообразных из
биотопа в биотоп, что служит прямым свидетельством существования суточных горизонтальных миграций зоопланктона (Семенченко и др., 2008). Анализ распределения
ракообразных выявил, что уже через три часа
после начала эксперимента в искусственных
макрофитах было обнаружено 10 видов ракообразных: Acroperus elongatus Sars, Alona
quadrangularis O.F.Müller, Alonella nana
Baird, Bosmina longispina Leydig, Chydorus
sphaericus O.F.Müller, Daphnia cristata Sars,
Polyphemus pediculus Linné, Mesocyclops
leuckarti Claus, Macrocyclops albidus Jurine,
Thermocyclops crassus Fischer, которых не
было в чистой литорали в момент их установки. В то же время, в момент начала экс-
перимента большинство из перечисленных
видов, за исключением двух первых, присутствовали в расположенных в 30 м зарослях камыша, а Th. crassus – в открытой
части озера. Экспериментальные данные показывают, что скорость плавания различных
видов кладоцер и копепод составляет 3-5
мм/с, т.е. они могли преодолеть расстояние
от ближайших зарослей до искусственных
макрофитов (Fryer, 1968; Rybak, 1996). Быстрое увеличение численности Ceriodaphnia
pulchella G.O. Sars в искусственном биотопе, которая уже на следующие сутки в десятки раз была выше, чем в литорали без
растительности, и вполне сопоставима с
численностью этого вида в естественной
растительности (камыше), можно объяснить
только активными горизонтальными перемещениями.
В мезотрофном мелком (средняя глубина 0,6 м, максимальная – 3,0 м) озере Лукняно (Польша), сильно заросшем макрофитами, кладоцеры (Ceriodaphnia quadranguala
O.F. Muller, Bosmina longirostris O.F. Muller,
D.brachyurum) днем в значительно больших количествах встречались в густых зарослях погруженной растительности (Chara
tomentosa), чем в открытой воде и полупогруженной растительности (Phragmites australis
Cav.) (Bowszys et al., 2006). В ночное время
численность кладоцер в зарослях макрофитов была выше, чем днем и они более равномерно распределялись по всем биотопам, за
исключением доминирующей C.quadrangula,
которая выбрала заросли хары. Ювенильные
стадии копепод, напротив, днем предпочитали открытую воду и полупогруженную растительность, а ночью – заросли обоих типов.
Взрослые особи Mesocyclops leuckarti не зависимо от времени суток концентрировались
в зарослях хары. Таким образом, кладоцеры
совершали как DVM, концентрируясь в днев-
– 193 –
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
В.П. Семенченко, В.И. Разлуцкий. Факторы, определяющие суточное распределение…
ное время в придонной растительности, так и
горизонтальные миграции, поскольку в ночное время их численность в открытой воде и
полупогруженной растительности увеличивалась приблизительно вдвое. Молодь копепод демонстрировала отчетливо прослеживавшиеся RHM.
Использование метода главных компонент позволило установить, что в глубоком
с хорошо выраженной стратификацией озере
Киннерет 17-22 % общей пространственной
вариации связаны с горизонтальным распределением различных групп зоопланктона
(Pinel-Alloul et al., 2004). Макрозоопланктон
(Copepoda, Cladocera) был наиболее обильным в пелагиали, а микрозоопланктон (коловратки и науплии) – в прибрежной части.
Данные ночных проб, которые были отобраны по всему озеру, показали, что зоопланктон
концентрировался в литоральной зоне, а его
численность была положительно связана с
температурой.
Литоральный зоопланктон может совершать вертикальные миграции между дном и
толщей воды в результате воздействия хищничества рыб (Walls et al., 1990, Jeppesen et
al., 2002). В экспериментальных мезокосмах в
присутствии плотвы (5-10 см длиной) численность эупланктонных кладоцер (B.longispina,
C.pulchella, D.brachyurum) была выше в верхних слоях воды ночью, чем днем (Hietala et
al., 2004). В отсутствие рыб их численность в
столбе воды достоверно не отличалась в разное время суток, что свидетельствует об их
концентрировании в придонном слое в дневное время.
В эксперименте с использованием физического рефугиума (сетки, проницаемой для
зоопланктона, но не проницаемой для рыб),
наблюдалась явная агрегация Ceriodaphnia
в нижней части микрокосма (Bertolo et al.,
1999). В то же время вертикальное распре-
деление крупных копепод не зависело от наличия рефугиума. A.robustus равномерно
распределялся в столбе воды, а Eudiaptomus
gracilis Sars – в верхних слоях. Для всех видов кладоцер наблюдалось снижение среднего размера особей. Таким образом, наличие
рефугиума в виде физической преграды, непроходимой для рыб, не обеспечивало полную защиту зоопланктона, который вынужден был совершать вертикальные миграции в
верхние, более кормные слои воды, покидая
рефугиум.
Для изучения различных аспектов горизонтальных миграций в озерах умеренной
зоны были проведены специальные экспериментальные исследования (Meerhoff et al.,
2007b). В открытой литорали пяти датских
озер с различной прозрачностью на глубине
1 м были помещены искусственные (чтобы
избежать химического воздействия метаболитов растений) заросли (диаметром 1 м),
имитирующие естественную погруженную
и с плавающими листьями растительность.
В целом, эупланктонные кладоцеры в основном совершали классические DHM (встречались в большем количестве в зарослях погруженных макрофитов днем и в меньшем в
открытой воде), за исключением озера с наибольшей прозрачностью, в котором наблюдались обратные миграции RHM. У отдельных видов происходили различные варианты
миграций в разных озерах, но в целом была
отмечена следующая закономерность. Более
крупные виды в основном совершали вертикальные DVM (более высокая численность
во всех биотопах в ночное время). Мелкие
виды, напротив, преимущественно двигались горизонтально (DHM) при наибольшей прозрачности. Имевшая наибольшую
численность Bosmina sp. показала отчетливо выраженные DVM, а чуть более крупная
Ceriodaphnia sp. – DHM.
– 194 –
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
В.П. Семенченко, В.И. Разлуцкий. Факторы, определяющие суточное распределение…
Горизонтальное и вертикальное
распределение зоопланктона
в субтропических и тропических озерах
В обзоре Burks et al. (2002) отмечено, что
имеется крайне мало данных о DHM в мелких
тропических и субтропических озерах, в которых хорошо развита растительность.
В Средиземноморье в весенний период
зоопланктон скапливался в пелагической части озера Вела независимо от времени дня и
совершал вертикальные миграции (концентрировался в придонном слое в дневное время) из-за высокого пресса рыб, несмотря на
маленькую глубину водоема (1,6 м) (Castro et
al., 2007).
Исследования, проведенные в мелководном эвтрофном озере Бланка, показали,
что характер горизонтального распределения основных групп зоопланктона, особенно кладоцер, менялся в зависимости
от сезона года (Iglesias et al., 2007). Циклопоиды предпочитали заросли погружённой
растительности, а каланоиды распределялись равномерно по акватории озера. В отличие от мелких эвтрофных озер умеренной
зоны, для которых обычно предпочтение
кладоцерами зарослей макрофитов в дневное время, наиболее многочисленные виды,
B.longirostris и Diaphanosoma birgei Korinec,
предпочитали заросли растительности, особенно погружённой, в ночное время, т.е.
демонстрировали RHM (Burks et al., 2002).
В зимние месяцы кладоцеры не совершали
горизонтальных миграций и концентрировались в основном в открытой воде. Весной
B.longirostris распределялась достаточно
равномерно днем, а ночью мигрировала в погружённые заросли. Еще более выраженные
миграции демонстрировала Diaphanosoma,
которая ночью из полупогружённой растительности мигрировала в погружённые
заросли, несмотря на обилие рыб. Летом
кладоцеры распределялись достаточно равномерно по всем биотопам.
В малорыбном мелком (максимальная
глубина 2 м) патагонском пруду численность
циклопа A.robustus, предпочитавшего заросли полупогружённой растительности (Juncus
pallescens Lam.), была выше в ночное время.
В дневное время циклопы концентрировались в придонном слое водоема (Trochine et
al., 2009).
При проведении исследований миграционного поведения в пяти тропических
уругвайских озерах было установлено, что,
в отличие от умеренной зоны, эупланктонные кладоцеры в основном совершают DVM.
Только в одном озере отмечено поведение
особей, характерное для DHM (Meerhoff et al.,
2007b).
Идеальное свободное распределение
с затратами
Ключевым фактором, вызывающим DVM
зоопланктона, является избегание мирным
зоопланктоном хищников (Lampert, 1993).
При классических DVM в стратифицированных глубоких озерах зоопланктон, избегая
визуальных хищников, днем мигрирует в менее освещенный гиполимнион, ночью, когда
пресс хищников снижается, в эпилимнион. В
то же время на вертикальное распределение
зоопланктона оказывают влияние доступность пищи (Huntley, Brooks 1982; Dagg 1985;
Johnsen, Jakobsen 1987; Leibold 1990; Dini,
Carpenter 1992) и температура (Kerfoot 1985;
Gliwicz, Pijanowska 1988). Верхние слои озер,
как правило, более прогреты и имеют большее
количество пищи, чем слои ниже термоклина. Именно этим обстоятельством объясняют
возвращение зоопланктона в эпилимнион в
ночное время. В олиготрофных и мезотрофных глубоких озерах часто максимум хлорофилла «а» располагается на горизонтах,
– 195 –
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
В.П. Семенченко, В.И. Разлуцкий. Факторы, определяющие суточное распределение…
лежащих под термоклином (Fee 1976; Padisak
et al., 1997; Barbiero, Tuchman 2001; Winder,
Spaak 2001). Тем не менее, зоопланктон в ночное время поднимается в прогретые верхние
слои, несмотря на меньшее количество пищи,
по сравнению с гиполимнионом (Williamson
et al., 1996; Winder, Spaak 2001).
Исследования, проведенные в экспериментальных установках, имитирующих стратифицированный столб воды с максимумом
пищи несколько ниже термоклина, показали,
что дафнии (Daphnia hyalina х galeata clone)
установлено, что в гомогенной среде с низкой
концентрацией пищи дафнии распределялись
случайно, а в градиенте пищи 88 % времени
оставались в условиях наивысшей или повышенных концентраций пищи.
В естественных водоемах Daphnia и
Diaptomus демонстрировали похожее поведение; в ночное время часть рачков поднималась
в эпилимнион, но большая часть популяции
оставалась в металимнионе, где наблюдался
максимум хлорофилла «а» (Williamson et al.,
1996).
распределялись в столбе воды в зависимости
от разницы температур между эпилимнионом и гиполимнионом (Lampert et al., 2003).
Эти различия составляли 2, 5 и 10 °С. Чем
больше были различия, тем меньший процент дафний (56, 74 и 81 % соответственно)
скапливался ниже термоклина и тем больше
они концентрировались в узком переходном слое, где было достаточно много пищи,
а температура несколько выше, чем в нижних слоях. Характер распределения дафний
не зависел от времени суток. В дальнейших
экспериментах было установлено, что с увеличением плотности популяции на характер
распределения дафний влияют также и конкурентные отношения (Lampert, 2005). При
термоклине в 10 °С и высокой численности
дафнии в меньшей степени концентрировались в переходном температурном слое (металимнионе) и более 80 % популяции смещалось в сторону холодных, но более кормных
нижних слоев. Молодь дафний в больших
количествах присутствовала в верхних слоях
экспериментальной емкости, что говорит о
разных конкурентных способностях крупных
и мелких особей.
Проводились также экспериментальные
исследования горизонтального распределения Daphnia pulex в градиенте пищи при постоянной температуре (Larsson, 1997). Было
Результаты экспериментов являются
иллюстрацией активного выбора пространства дафниями как в вертикальном, так и
в горизонтальном направлениях и хорошо
согласуются с моделью идеального свободного распределения с затратами («Ideal
Free Distribution (IFD) with Costs») для достижения оптимальной приспособленности
(Lampert et al., 2003; Lampert, 2005). Модель
IFD была предложена для описания распределения животных в неоднородных местообитаниях, когда пригодность местообитаний
определяется только биотическими факторами (доступностью пищи, конкуренцией)
(Fretwell, Lucas, 1970). Если животные были
свободны в своем выборе без ограничений,
они бы выбирали местообитания, наиболее выгодные для добывания пищи. В то
же время такие местообитания привлекают
других животных со сходными пищевыми
потребностями. При скоплении большого
количества ценность местообитания снижается из-за конкуренции и часть особей
вынуждена перемещаться в местообитания
с худшими трофическими условиями, но с
меньшим числом конкурентов. Если все особи примерно одинаковы по конкурентоспособности, они распределятся в соответствии
с наличием ресурсов в местообитании таким
образом, что все особи будут иметь одина-
– 196 –
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
В.П. Семенченко, В.И. Разлуцкий. Факторы, определяющие суточное распределение…
ковое количество пищи. Если известны скорости потребления и восстановления ресурсов, то можно предсказать, каким должно
быть распределение при идеальных условиях. Модель IFD дополнительно включает в
себя воздействие абиотических факторов и
первоначально была предложена для речных
рыб, где в качестве абиотического фактора
выступала скорость течения (Tyler, Gilliam,
1995). Эта модель позволяет более адекватно описывать результаты представленных
выше экспериментов, в которых платой за
зована и для объяснения горизонтальных миграций зоопланктона.
доступ к пище была низкая температура.
В озерах с максимумом хлорофилла ниже
термоклина зоопланктон вынужден искать
компромисс между доступностью пищи, что
подразумевает высокий репродуктивный потенциал, но в связи с низкой температурой –
медленное развитие, или высокой температурой и меньшим количеством пищи. Таким
образом, в отсутствие визуальных хищников
(рыб) зоопланктон в ночное время распределяется в пространстве так, чтобы добиться
максимальной выгоды для себя в зависимости от температуры и обилия пищи (Lampert
et al., 2003; Lampert, 2005).
Полученные результаты, с одной стороны, являются подтверждением того, что
трофические и температурные условия оказывают значительное влияние на распределение зоопланктона, а с другой – веским
аргументом в пользу того, что пресс хищников оказывает более сильное воздействие
на его распределение. Хищники вынуждают
зоопланктон мигрировать в дневное время
из теплого и обычно богатого качественной
пищей эпилимниона в холодный, с меньшим
количеством пищи гиполимнион. Поскольку
градиенты температурных и трофических
факторов наблюдаются в водоемах и в горизонтальном направлении, можно полагать,
что модель IFD может быть успешно исполь-
(Gulati, DeMott, 1997; Sterner, Schulz, 1998).
В экспериментах, проведенных с использованием проточной системы, установлено
влияние элементного и биохимического состава естественного сестона из эвтрофного
водоема на популяционный рост Daphnia
(группы longispina). В результате регрессионного анализа было выявлено, что лучшим
комплексным показателем для оценки качества пищи, которое определяло соматический
рост, репродуктивные показатели и, в конечном итоге, рост биомассы популяции, служит
содержание незаменимой ω3 ПНЖК и азота
(Gladyshev et al., 2006).
Сравнение количества и состава сестона
по содержанию хлорофилла «а», взвешенного углерода, фосфора, суммарных липидов,
жирных кислот и основных групп фитопланктона в прибрежной и пелагической части
озера Эри показало следующее (Smith et al.,
2007). Концентрации хлорофилла и липидов
были меньше в литоральной зоне, что противоречит классической схеме распределения
этих веществ в больших озерах и объясняется
вселением мощных фильтраторов – дрейссен
(Dreissena polymorpha and D. bugensis). При
этом известно, что до вселения дрейссенид
биомасса фитопланктона, концентрация хлорофилла «a» и концентрация общего фосфора были выше в прибрежной части Великих
Сравнительный анализ
трофических условий литорали
и пелагиали
Исследования последних лет показывают, что стехиометрический состав углерода:
азота : фосфора (C:N:P) и содержание незаменимых полиненасыщенных жирных кислот (ПНЖК) семейства ω3 в фитопланктоне
лимитируют рост и репродукцию Daphnia
– 197 –
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
В.П. Семенченко, В.И. Разлуцкий. Факторы, определяющие суточное распределение…
Озер, чем в пелагиали (Depew et al., 2006).
Поскольку дрейссениды расселились практически повсеместно, подобное воздействие
они могут оказывать во множестве водоемов.
Количество фитопланктона в прибрежном сестоне оказалось незначительно меньше, чем в
пелагическом, а таксономический и биохимический составы мало отличались, что говорит
о слабом различии в качестве фитопланктона
как пищи в разных зонах.
В зарослях телореза (Stratiotes aloides L.)
концентрация сестона также не снижалась
по сравнению с открытой водой старичного
озера, но снижалось отношение N:P, концентрация минерального азота и содержание
хлорофилла «а». Биомасса фитопланктона
была ниже, чем в пелагиали, в результате затенения или аллелопатии (Strzałek, Koperski,
2009).
Исследования показывают, что биомасса
фитопланктона в разных озерах может быть
больше в центральной части, чем в литорали, и наоборот (Pełechaty, Owsianny, 2003).
Так, согласно нашим данным, биомасса фитопланктона в озере Обстерно, как правило,
увеличивалась от литоральной зоны озера к
пелагической. Однако, в некоторые периоды
вегетационного сезона наблюдалась обратная
тенденция.
Видовой состав макрофитов зачастую
определяет видовой состав сообществ микроводорослей в литоральных биотопах. Так, в
зарослях тростника (Phragmitetum communis)
сине-зеленые водоросли развивались слабо, напротив, в больших количествах были
представлены диатомовые, что объясняется
пониженным током воды в густых зарослях
(Ostendorp, 1993). В зарослях кубышки и кувшинки (Nupharo-Nymphaeetum albae), растительности с плавающими листьями, обильно развивается Scenedesmus ecornis (Bucka,
1989).
В мезотрофном озере Эркен пелагические фильтраторы в летние месяцы лимитировались количеством пищи, а бентические –
ее качеством (Ahlgren et al., 1997). Качество
пищи зообентоса было высоким только весной и осенью, при доминировании диатомовых водорослей. Сравнительный анализ
стехиометрического состава и содержания
жирных кислот как факторов качества пищи
показал, что наибольшие различия наблюдаются в планктонных пробах, особенно по
содержанию ω3 ПНЖК. Содержание жирных
кислот коррелировало с содержанием фосфора в планктонных пробах, но не в бентических. Таким образом, содержание фосфора
служит хорошим показателем качества пищи
в живом фитопланктоне, но не в детрите.
В то же время оценка годовой продукции
погружённых макрофитов и их эпифитных
водорослей в мелководном озере умеренной
зоны показала, что последние могут производить до 31,3 % общей продукции литорали и
21,4 % от общей годовой продукции всего озера (Allen, 1971). Количество углерода, фиксированного эпифитными водорослями, составило 75 % годовой продукции пелагического
фитопланктона. Эти оценки показывают, что
эпифитные водоросли являются одними из
основных первичных продуцентов в мелководных экосистемах и вполне сопоставимы
с фитопланктоном. Кроме того, метаболизм
макрофитов-эпифитов – важный источник
растворенных органических веществ и внеклеточных метаболитов, способствующих
поддержанию высокой первичной продуктивности и хемоорганотрофии в озерах.
Исследование роли бентических и пелагических водорослей в первичной продукции целого ряда гренландских, американских и датских озер выявило, что продукция
фитопланктона положительно связана с концентрацией общего фосфора (2-430 мг/м3), а
– 198 –
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
В.П. Семенченко, В.И. Разлуцкий. Факторы, определяющие суточное распределение…
бентоса, напротив, снижается (Vadeboncoeur
et al., 2003). В мелких олиготрофных озерах
Гренландии со средней концентрацией фосфора перифитон производит 80-98 % первичной продукции, а в эвтрофных озерах
Бельгии, напротив, на долю фитопланктона
приходится до 100 % первичной продукции.
В результате эвтрофирования происходит
снижение доли первичной продукции перифитона и возрастает продуктивность фитопланктона. Использование радиоуглеродного
метода установило, что различные трофические группы бентосных беспозвоночных и
рыб, включая хищников, вовлечены в энергетический обмен с перифитоном в той же
степени, что и с фитопланктоном (Vander
Zanden, Vadeboncoeur, 2002; Vadeboncoeur et
al., 2003), и даже в большей (Hecky, Hesslein,
1995).
Экспериментально показано, что такой типичный вид-фильтратор, как Daphnia
magna, способен переключаться на питание перифитоном при низкой (0,05 мг С л-1)
концентрации фитопланктона (Siehoff et al.,
2009). При питании только перифитоном дафния образовывала устойчивую популяцию с
небольшой биомассой. В более ранних исследованиях изложено, что D. magna и D. pulex,
питавшиеся Scenedesmus spp., переключались
на питание осадками при снижении концентрации водорослей до величин 107 – 108 кл. л-1
(Horton et al., 1979).
Таким образом, наблюдаются существенные различия в градиенте трофических условий в разных водоемах. Этот градиент может
наблюдаться как в направлении берег – пелагиаль, так и наоборот, или же практически
отсутствовать. Различия трофических условий между литоральными, пелагическими
и различными прибрежными биотопами во
многом зависят от наличия и вида водной растительности.
Макрофиты
Воздействие макрофитов
на развитие фитопланктона
Водная растительность может различными путями воздействовать на циклы биогенных веществ в водоемах и опосредованно
влиять на биомассу, видовой состав и конкурентные отношения фитопланктона. Например, макрофиты и ассоциированные с ними
эпифиты накапливают и связывают биогенные элементы в формы, недоступные фитопланктону (Kufel, Ozimek, 1994; O’Dell et al.,
1995).
Экспериментальные исследования выявили, что различные виды сосудистых растений, их экстракты и продукты жизнедеятельности оказывают отрицательный эффект
на различные таксономические группы фитопланктона (Wium-Andersen et al., 1982; Jasser
1995; Gross et al., 1996; Mulderij et al., 2003,
Mulderij et al., 2005). В некоторых исследованиях отмечено отсутствие такого эффекта в
естественных условиях (Forsberg et al., 1990),
в других снижение интенсивности цветения
днепровских водохранилищ связывают именно с зарастанием мелководий высшими водными растениями (Романенко, 2004).
В недавнем обзоре (Burks, Lodge, 2002)
говорится, что большое значение для экологических взаимодействий в пресноводных
экосистемах имеют следующие вещества:
специфические глюкозиды, ароматические
соединения и лигнины, которые выделяются
макрофитами для защиты от выедания травоядными животными. Абиотические факторы,
такие как гидродинамика, существенно воздействуют на распространение химических
сигналов и опосредованно сказываются на
взаимоотношениях гидробионтов. Большое
значение в реакции на химические сигналы имеет генетическая вариабельность гидробионтов. Все эти факторы обеспечивают
– 199 –
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
В.П. Семенченко, В.И. Разлуцкий. Факторы, определяющие суточное распределение…
сложное и слабо предсказуемое воздействие
химических сигналов на взаимоотношения
гидробионтов в пресноводных экосистемах.
Среди активных аллелопатических веществ растений наибольший интерес представляют полифенольные соединения, которые выделяются в воду как прижизненно,
так и после отмирания макрофитов. Сосудистые растения содержат различное количество фенольных соединений, но значительно большее, чем сине-зеленые водоросли
(Усенко и др., 2003). В 1 г сухого вещества
смена доминирующих видов фитопланктона
из естественного водоема под влиянием полифенолов, выделенных из Glyceria maxima,
наблюдалась и в экспериментах (Романенко и
др., 2005).
Еще одна группа аллелопатических веществ, выделяемых большим числом обычных видов высшей водной растительности, –
алкалоиды. Например, содержание солей и
свободных алкалоидов у N.lutea составляет
1,76 и 0,845 сухого веса соответственно, у
Elodea canadensis – 1,09 и 0,33, Nymphaea
Iris pseudocorus содержится 37,12 мг фенолов, в Typha latifolia – 36,37, в Nuphar lutea
(L) Smith – 31,56 и 25,80 (черешки и листья
соответственно), в Glyceria maxima – 19,38, в
Patomogeton criptus – 6,29. В различных штаммах водоросли Aphanizomenon flos-aquae их
содержание составляет от 1,17 до 1,98 мг/г, в
Anabaena variabilis и Anabaena sp. – 0,72 и 0,47
мг/г. В составе общих полифенолов растений
0,8 – 8,8 % приходится на долю биологически
активных фенолкарбоновых кислот.
Таким образом, макрофиты являются
основным источником полифенолов в водоемах. Наибольшие концентрации полифенолов (от 610 до 1480 мкг/л в разные годы) в
Киевском водохранилище наблюдаются в его
верхней части, где 70 % его акватории покрыты водной растительностью (Романенко и
др., 2005). При концентрации фенолкарбоновых кислот более 434 мкг/л (Сакевич, Усенко,
2003) и общих полифенолов 500-800 мкг/л (Романенко и др., 2005) развитие сине-зеленых
водорослей подавляется, а других таксономических групп может стимулироваться. На
участках Киевского водохранилища с хорошо
развитой высшей водной растительностью,
где наблюдались высокие концентрации полифенолов, биомасса сине-зеленых водорослей не превышала 4-5 %, а доминировали диатомовые и зеленые водоросли. Аналогичная
candida – 0,62 и 0,28, P. australis – 0,15 и 0,07,
Potamogrton perfoliatus – 0,27 и 0,09, у Typha
latifolia – 0,15 и 0,05, у Acorus calamus – 0,13
и 0,06. Концентрация алкалоидов, растворенных в воде, в местах с зарослями водных растений может достигать 1 мг/л (Усенко, Сакевич,
2008). Введение алкалоидов кубышки желтой
в культуры Microcystis aeruginosa и Anabaena
sp. в концентрации 0,25 мг/л приводило к гибели 20-30 % клеток, а в концентрации 1,5
мг/л вызывало гибель практически всех клеток. В то же время рост зеленых водорослей
Chlorella vulgaris и Desmodesmus communis
угнетался только в начале эксперимента, а
затем мало отличался от контроля при обеих концентрациях алкалоида (Баланда, 2005).
Относительная скорость роста D.communis
несколько снижалась при концентрациях алкалоида кубышки 0,5 и 1,0 мг/л, а Ch.vulgaris,
M. aeruginosa и anabaena sp. полностью угнетались. При внесении в воду из залива Оболонь Киевского водохранилища, содержащую сообщество фитопланктона из 39 видов,
корневищ кубышки (5 и 10 г/л) наблюдалось
снижение биомассы фитопланктона (Баланда
и др., 2004). Оно происходило в основном за
счет сине-зеленых водорослей, а именно подавления видов M. aeruginosa и A.flos-aquae,
наиболее часто вызывающих цветение водоемов, показатели которых снизились в 2
– 200 –
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
В.П. Семенченко, В.И. Разлуцкий. Факторы, определяющие суточное распределение…
раза по сравнению с контролем. Алкалоиды
кувшинки белой, даже в больших концентрациях (1 и 3 мг/л), не оказывали какого–либо
влияния ни на зеленые, ни на сине-зеленые
водоросли. Исследования состава алкалоидов
показали, что кубышка содержит 30,1 % неотиобинуфаридина, в кувшинке же обнаруживаются только его следы (Усенко, Сакевич,
2008).
Добавление различных концентраций
эфирных масел (терпеновые соединения) из
корневищ аира приводило к снижению чис-
бирующий эффект на зеленые водоросли, но
не на сине-зеленые.
Таким образом, воздействие водной
растительности на разные систематические
группы и виды фитопланктона очень видоспецифично, что объясняется значительными различиями в биохимическом составе
выделяемых ими метаболитов. Полевые и
экспериментальные исследования показывают, что метаболиты макрофитов могут присутствовать в водной среде в достаточных
количествах, чтобы оказывать влияние на
ленности и биомассы фитопланктона, хотя состав доминирующих видов не изменялся (Баланда, 2005). Наиболее выраженный эффект
наблюдался при добавлении кусочков корневищ аира в количестве 5,0 мг/л, а именно происходило снижение общей биомассы фитопланктона в 1,5 раза, биомассы сине-зеленых
водорослей, в первую очередь M.aeruginosa,
в 2 раза. Установлено, что в присутствии кусочков корневищ аира в 5 раз по сравнению с
контролем (со 120 до 700 мкг/л) увеличилась
концентрация фенольных соединений, которые угнетали развитие сине-зеленых водорослей.
Низшая водная растительность также
оказывает влияние на фитопланктон. Культуральная среда Chara globularis стимулировала рост зеленой водоросли Ankistrodesmus,
но снижала рост другой зеленой водоросли –
Scenedesmus (Hootsmans, Blindow, 1994). Специфическое воздействие Chara на Scenedesmus
подтвердилось в экспериментах с естественным фитопланктоном (van Donk, van de Bund,
2002). При дополнительном внесении питательных веществ в отсутствие Chara наблюдалось цветение Scenedesmus, а в ее присутствии биомасса последнего осталась низкой.
При отсутствии Chara доля цианобактерий
оказалась выше. Следовательно, в отличие от
других макрофитов, Chara оказывала инги-
фитопланктон, и являются одним из важных
различий между условиями литорали и открытых участков водоемов. В свою очередь,
эти различия могут служить причиной горизонтальных перемещений зоопланктона в поисках наиболее оптимальных условий обитания.
Результаты экспериментов с добавлением экстрактов или частей растений также доказали, что воздействие макрофитов на фитопланктон может происходить именно за счет
аллелопатических свойств их метаболитов, а
не из-за конкуренции за питательные вещества.
Возникает вопрос: являются ли аллелопатические вещества неотъемлемой особенностью макрофитов, или они вырабатываются
как ответ на конкуренцию с фитопланктоном?
Для ответа на него было проведено исследование с экстрактом телореза (Stratiotes aloides)
(Kufel et al., 2007). Это растение весной плавает на поверхности воды, а летом опускается
на дно и дает длинные корни. Таким образом,
весной телорез может конкурировать с фитопланктоном за растворенные в воде вещества,
а летом получать дополнительное питание
из грунта, но лимитироваться светом. Для
того чтобы фитопланктон не лимитировался
биогенными элементами, их дополнительно вносили в экспериментальные емкости, а
– 201 –
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
В.П. Семенченко, В.И. Разлуцкий. Факторы, определяющие суточное распределение…
освещение было одинаковым для всех вариантов опыта. Оказалось, что экстракт свежих
листьев как весенней, так и летней форм телореза резко снижал биомассу фитопланктона.
Таким образом, продукция аллелопатических
веществ не провоцировалась конкуренцией с
фитопланктоном.
К выводу о том, что именно метаболиты
макрофитов, а не конкуренция за биогенные
элементы, подавляют развитие некоторых
видов фитопланктона, приводят и эксперименты с живыми харовыми водорослями, в
которых угнетение зеленых водорослей наблюдалось при дополнительном внесении
биогенных веществ (van Donk, van de Bund,
2002). В зарослях телореза в старичном озере
было достаточно высокое содержание биогенных веществ, которое теоретически могло
обеспечивать более интенсивное развитие фитопланктона, но интенсификации развития не
наблюдалось (Strzałek, Koperski, 2009). Таким
образом, и в естественных условиях имеет
место аллелопатическое, а не конкурентное
подавление фитопланктона макрофитами.
ного диапазона (0.001-10 мкг/л) не оказывали
статистически достоверного влияния (Баланда и др., 2004). Для дафний отмечено увеличение продолжительности ювенильного развития, промежутков между последовательными
отрождениями молоди, уменьшение количества пометов на одну самку (табл. 1) и снижение числа потомков (рис.1). Причем уменьшение числа отрождаемой молоди происходило
за счет ярко выраженной токсичности экстракта для эмбрионов. Эмбрионы рассасывались в выводковых камерах самок под воздействием препарата. Так, при концентрации
0,01 мкг/л число пометов было таким же, как
в контроле (табл. 1), но из-за гибели эмбрионов число потомков на одну самку оказалось
на 38 % меньше (рис. 1). Обнаружено воздействие метаболитов N.lutea и на другие группы гидробионтов: двустворчатых моллюсков
рода Dreissena и их симбионтов (Юришинец,
Баланда, 2004), а также рыб (Баланда и др.,
2004).
Воздействие метаболитов макрофитов
на зоопланктон
Проведенный нами анализ многолетних
данных (с 1993 по 2004) по распределению
кладоцер в одинаковых открытых и с моновидовыми зарослями биотопах двух разнотипных (Нобисто – дистрофное, Обстерно – слабоэвтрофное) озер на северо-западе Беларуси
позволил выделить комплекс видов, соотношение которых различается в разных биотопах (Разлуцкий, Бусева, 2007). Поскольку
численность может значительно варьировать
в разные годы и в течение одного сезона, для
анализа использовали процент данного вида в
определенном биотопе от его суммарной численности во всех биотопах. При кластерном
анализе биотопы пелагиали образовывали отдельные группы, а все прибрежные биотопы
группировались произвольно в один кластер.
Помимо опосредованного воздействия
на зоопланктон через фитопланктон, метаболиты макрофитов могут оказывать на него
и других гидробионтов прямое воздействие.
Исследования острой токсичности компонентов алкалоидов N.lutea и Nymphaea candida на
Daphnia magna показали, что согласно классификации ВОЗ у первого вида они относятся к высокотоксичным веществам (LC50< 1
мг/л), у второго – к сильно токсичным (LC50
1-10 мг/л) (Баланда, 2005; Сакевич, Усенко,
2008). Изучение влияния комплекса алкалоидов N.lutea на репродуктивные показатели
D.magna позволило установить, что только
минимальные концентрации из исследован-
Распределение зоопланктона в биотопах
с различными видами макрофитов
– 202 –
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
В.П. Семенченко, В.И. Разлуцкий. Факторы, определяющие суточное распределение…
Таблица 1. Влияние алкалоидов Numphar lutea на репродуктивные показатели Daphnia magna в
хроническом исследовании (n=10) (Баланда и др., 2004)
Продолжительность
Продолжительность
Концентрация ювенильного развития, сут эмбрионального развития, сут
алкалоидов, мг/л
среднее
ошибка
среднее
ошибка
контроль
5,7
0,5
2,43
0,16
0,001
5,8
0,4
2,45
0,17
0,010
6,2
0,6
2,66*
0,21
0,100
6,3*
0,5
2,72*
0,33
1,000
6,3*
0,5
2,70*
0,35
10,000
7,3*
1,2
-
Количество выметов
на одну самку
среднее
ошибка
5,2
0,4
5,0
0,0
3,2*
0,2
2,8*
0,6
1,3*
0,9
0,0
0,0
* Разница с контролем статистически достоверна
* Различия с контролем статистически достоверны.
Рис. 1. Влияние алкалоидов Numphar lutea на количество потомков, рожденных одной самкой за 21 сутки
экспозиции (n=10) (Баланда и др., 2004)
Предположив, что отдельные виды могут
предпочитать определенные биотопы, при
дальнейшем анализе мы пошагово исключали
виды, равномерно представленные во всех исследованных биотопах. В результате удалось
выделить комплекс из 8 видов, распределение
которых позволило получить дендрограмму,
объединяющую большинство сходных биотопов в отдельные кластеры. В него вошли:
D.brachyurum, Sida crystallina O.F.Muller,
Acroperus harpae Baird, Alona rectangula Sars,
A.nana, Pleuroxus aduncus Jurine, P. truncatus
O.F.Muller, Monospilus dispar Sars. Наиболее
отчетливо выделялись кластеры биотопов открытой литорали (без макрофитов) и тростника (P.australis). Большинство проб из биотопов с зарослями камыша (Scirpus lacustris
L.) и рдеста (Potamogeton natans L.) сформи-
ровало единые кластеры. Анализ сгруппированных после кластеризации данных выявил,
что наблюдаются существенные различия в
распределении отдельных видов кладоцер в
разных биотопах. Так, в открытой литорали
доля всех видов оказалась очень небольшой
(максимум 18 %), за исключением M. dispar,
доля которого в этом биотопе достигала
100 %. В зарослях камыша практически отсутствовал Pl. truncatus, основная доля этого
вида отмечена в рдесте и камыше. Напротив,
в зарослях рдеста отсутствовал Pl.aduncus,
вид, обычный в камыше. Доля D. braсhyurum
и A. rectangula была большей в тростнике, по
сравнению с другими биотопами. Таким образом, особенности распределения данного
комплекса видов кладоцер и определили результаты кластерного анализа.
– 203 –
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
В.П. Семенченко, В.И. Разлуцкий. Факторы, определяющие суточное распределение…
Таблица 2. Индексы сходства Чекановского-Съеренсена (Ics) для сообществ Cladocera в литоральных
биотопах разного типа
Сравниваемые биотопы
Величина индекса Ics
Число степеней свободы, df
0,85 ± 0,06
19
Биотопы с зарослями макрофитов
0,69 ± 0,19
41
Чистая литораль – заросли
0,58 ± 0,21
9
Биотопы без зарослей
Из результатов кластеризации также
следует, что плотность зарослей не влияла
на распределение видов. Плотность зарослей
оценивали как процент занимаемого макрофитами объема (PVI – percent plant volume
infested, Canfield et al., 1984). В одни и те же
кластеры попали биотопы с разным PVI. Тем
не менее, этот вопрос требует дальнейшего
изучения, поскольку он не являлся основным
в данном исследовании и градиент PVI был
небольшим.
Тот факт, что PVI макрофитов имеет большое значение для распределения кладоцер в
озерах, подтверждают новейшие исследования (Schou et al., 2009). В озере с высокой прозрачностью дафнии мигрировали в дневное
время в искусственные заросли макрофитов и
предпочитали наиболее густые с PVI 80 % и в
меньшей степени 40 %. Численность дафний
в зарослях днем составляла 1800–2600 экз. л-1,
а ночью снижалась до 300–500 экз. л-1.
Сравнительные исследования разных
биотопов макрофитов, а именно моновидовых
зарослей камыша озерного (S.lacustris), рдеста
плавающего (P. natans), рдеста блестящего
(P. lucens) и расположенных в непосредственной близости к ним участков без растительности (чистая литораль), были выполнены в
озере Обстерно (Разлуцкий и др., 2007). Для
каждого вида макрофитов было выбрано по
две станции, расположенных на расстоянии
около 1 км друг от друга. Обнаружено, что
сообщества кладоцер из биотопов без растительности, несмотря на достаточно большие
расстояния между ними, очень сходны между
собой (табл. 2). Различия между сообществами из зарослей разных видов макрофитов
были примерно такими же, как с прилегающими к ним участками открытой литорали.
При проведении дисперсионного анализа для оценки достоверности влияния типа
биотопа на видовой состав кладоцер, как и в
предыдущем исследовании (Разлуцкий, Бусева, 2007), исключили виды, равномерно распределенные в исследуемых биотопах. Оказалось, что в этот комплекс входили многие
из выделенных ранее с помощью кластерного анализа видов, предпочитающих тот или
иной тип биотопа: S. crystallina, A. harpae,
A. rectangula, A. nana, M. dispar. Предпочтение определенным биотопам отдавали следующие виды: A. harpae, Biapertura affinis
Leydig, D. cristata, D. cucullata, Pleuroxus
trigonellus O.F.Muller – тростнику, M. dispar,
D. cucullata – рдесту блестящему, B. affinis –
кубышке, A. rectangula, Pl. aduncus – камышу.
Некоторые виды не встречались или отмечены в минимальных количествах в отдельных
биотопах, например, A. harpae, D. cristata, D.
cucullata – в рдесте, B. affinis – в кубышке и
в камыше и т.д. Дисперсионный анализ подтвердил достоверное влияние типа биотопа
на распределение кладоцер.
Полученные результаты достаточно хорошо согласуются с данными исследований,
проведенных ранее (Разлуцкий, Бусева, 2007).
Следует отметить, что оз. Нобисто значительно отличается от оз.Обстерно по своим характеристикам и представляет собой довольно
большой (3,75 км2) мелкий (средняя глубина
– 204 –
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
В.П. Семенченко, В.И. Разлуцкий. Факторы, определяющие суточное распределение…
менее 2 м) дистрофный водоем макрофитного
типа. Данные, использованные для анализа,
были получены в течение достаточно длительного периода – с 1993 по 2004 гг. Таким
образом, результаты исследований, полученные для разнотипных водоемов и в разные
годы, хорошо согласуются между собой, что
говорит о предпочтении кладоцерами участков литоральной зоны, покрытых определенным видом водной растительности. Следует
отметить, что наиболее четко выраженное
предпочтение или избегание для многих из
обнаруженных видов наблюдалось в отношении зарослей тростника.
По данным Meerhoff et al. (2007b), средняя
численность свободноплавающего зоопланктона в искусственных зарослях макрофитов в пяти датских озерах была значительно
выше в дневное время. В погруженной растительности этот эффект был выражен в
значительно большей степени. Аналогичные
исследования в субтропических озерах не обнаружили таких различий ни для погруженной растительности, ни для растительности с
плавающими листьями.
В лабораторных экспериментах по выбору местообитания Daphnia obtusa Kurz
из субтропического озера Ривера (Уругвай)
установлено явное избегание трех видов: свободноплавающих Eichhornia crassipes Mart.
(Solms), Pistia stratiotes L. и Salvinia auriculata
Aubl и погруженного Ceratophyllum demersum
L. (Meerhoff et al., 2006). Аллелопатический
эффект растений различался и снижался в
том же порядке, как представлены растения
в списке, т.е. наименьшим он оказался у погруженной растительности. Для того чтобы
выяснить, влияют ли целые растения на поведение дафний или только их метаболиты,
использовали корни E.crassipes, имевшего
наибольший аллелопатический эффект. Оказалось, что химическое воздействие от кор-
ней обладает отпугивающим эффектом, но он
проявляется медленнее, чем от целого растения.
В то же время результаты исследований, проведенных с применением такого
же метода в малорыбных прудах аргентинской пампы, оказались противоположными
(Trochine et al., 2009). Какой-либо определенной реакции у циклопов A.robustus, каляноид
Boeckella gracilis и кладоцер Ceriodaphnia
dubia Richard на погруженную растительность Myriophyllum quitense Kunth выявлено
не было. B.gracilis предпочитала часть экспериментального сосуда, где присутствовали
химические вещества полупогруженной растительности Juncus pallescens Lam.
В субтропическом мелководном эвтрофном озере Бланка B.longirostris и D.birgei мигрировали в ночное время в заросли погруженной растительности (Egeria densa Planch.
и C.demersum), но такие миграции они совершали, только когда численность основного
хищника, мелкой рыбы Jenynsia multidentata
Jenyns (Anablepidae), была относительно невысокой (Iglesias et al., 2007).
Влияние архитектуры зарослей макрофитов
на поведение зоопланктона
Впервые избегание искусственных макрофитов, имитирующих заросли Meriophillum
verticullatum, было обнаружено в экспериментах с D.magna из водоемов умеренных широт
(Lauridsen, Lodge, 1996). Экспериментальные
исследования в субтропических широтах также показали, что D.obtusa избегала не только целых растений (в качестве модельного
использовался E.crassipes) или их частей
(корни – отростки длиной несколько миллиметров), но и их пластиковых копий. На пластиковые растения дафнии реагировали медленнее, чем на целые растения, но быстрее,
чем на корни (Meerhoff et al., 2006).
– 205 –
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
В.П. Семенченко, В.И. Разлуцкий. Факторы, определяющие суточное распределение…
Рис. 2. Динамика изменения числа видов зоопланктона в искусственном и естественных биотопах в оз.
Обстерно (Семенченко и др., 2008)
В искусственных макрофитах, установленных в естественных водоемах, наблюдались существенные различия в распределении зоопланктона для разных климатических
зон (Meerhoff et al., 2007). В умеренной зоне
средняя численность кладоцер была в несколько раз выше в зарослях погруженной и
плавающей растительности, чем в открытой
воде, причем в погруженных зарослях более
чем в 2 раза превышала численность в плавающей растительности. В субтропиках наибольшая численность наблюдалась также
в погруженной растительности, приблизительно в два раза меньше в открытой воде и
еще меньше в растительности с плавающими листьями. Бентические и ассоциированные с растениями кладоцеры были наиболее
многочисленны в погруженных макрофитах.
Cyclopoida распределялись по численности в
такой последовательности: погруженная растительность, плавающая растительность и
меньше всего в открытой воде в обеих зонах.
Напротив, Calanoida предпочитали открытые
местообитания.
Численность потенциальных хищников
также различалась в разных биотопах макрофитов. Chaoborus spp. достаточно равномерно распределялся в разных биотопах
обеих зон. Leptodora kindtii Focke в больших
количествах встречалась в открытой воде,
а Poliphemus pediculus L., наоборот, только
в растительности и в дневное время. В умеренной зоне рыбы в больших количествах
концентрировались в зарослях плавающей
растительности, а в субтропиках – в погруженной растительности. Хищные макробеспозвоночные обеих зон предпочитали плавающую растительность.
В умеренной зоне в озере Обстерно число видов в установленном искусственном
биотопе очень быстро увеличивалось (рис. 2)
(Семенченко и др., 2008).
К моменту окончания эксперимента общее число видов кладоцер, обнаруженных в
искусственных макрофитах, оказалось даже
несколько больше, чем в естественных зарослях камыша. Всего в литорали без зарослей, в
биотопе с зарослями камыша и в искусственных макрофитах за весь период наблюдений
было обнаружено соответственно 9, 13 и 11
видов копепод и 25, 25 и 30 видов кладоцер.
Число видов копепод в новом биотопе сравнялось с их числом в камыше уже на вторые
сутки, в то время как у кладоцер – на четвертые. Численность C.pulchella увеличилась
почти в 30 раз по сравнению с изначальной
– 206 –
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
В.П. Семенченко, В.И. Разлуцкий. Факторы, определяющие суточное распределение…
в день установки искусственных макрофитов, B. longispina – в 3,1, D. brachyurum – в
2,3 раза. Численность пелагических видов –
D. cucullata, B. crassicornis, L. kindtii – в искусственных макрофитах была ниже, чем в
чистой литорали, на протяжении всего периода эксперимента. С седьмых суток после
начала эксперимента общая численность кладоцер в искусственных и естественных макрофитах достоверно не отличалась и была
больше, чем в открытой литорали. Копеподы
достаточно равномерно распределялись по
ных особей своего вида, но не реагировала на
сигналы от рыб (Meerhoff et al., 2006). В присутствии плавающих видов макрофитов дафнии быстро уплывали прочь от растений при
поступлении сигналов от поврежденных особей. В присутствии погруженной растительности отпугивающий эффект был примерно
одинаковым от обоих сигналов.
Кладоцера C.dubia и циклоп A.robustus
из малорыбных патагонских прудов не реагировали на сигналы от погруженной растительности и беспозвоночного хищника
всем биотопам. Сравнение состава сообществ
с помощью индекса общности Чекановского–
Съеренсена показало, что между искусственными и естественными макрофитами наблюдается очень высокое сходство (Ics=0,946) уже
на третьи сутки. Это объясняется тем, что в
данных биотопах доминировала C.pulchella,
составлявшая до 91,6 % в общей численности
кладоцер, и ее доля оказывала определяющее
влияние на величины индексов сходства. В
свою очередь, виды с меньшей численностью
практически не влияли на коэффициент Ics.
Оценка сходства без C.pulchella показала, что
сообщество кладоцер в естественной и искусственной растительности различаются между
собой в той же степени, как и с открытой водой. Таким образом, в биотопе с новой архитектурой сложилось сообщество кладоцер со
своеобразной структурой.
(Mesostoma ehrenbergii Focke (Turbellaria)),
но отрицательно реагировали на сигналы от
поврежденных особей. Каляноида Boeckella
gracilis, напротив, двигалась в сторону сигналов от растений, а на другие не реагировала
(Trochine et al., 2009). Тем не менее, полевые
наблюдения показали, что циклопы и кладоцера предпочитали зарослевые биотопы. Исследования выявили, что M.ehrenbergii менее
эффективно охотится в сложноустроенных
местообитаниях (Trochine et al., 2006). К тому
же в зарослях макрофитов, в которых обитала C.dubia, концентрация хлорофилла «a»
в сестоне была выше (5,71 ±1,11) мкг/л, чем в
открытой воде (1,96 ± 0,36), и кладоцера получала, с одной стороны, защиту от хищника, а
с другой – более благоприятные трофические
условия.
Таким образом, в тропических мелководных водоемах кладоцеры нейтрально относятся к химическим сигналам, поступающим от
хищников. Более выражена реакция на сигналы непосредственной опасности – от поврежденных особей своего вида. Исследования,
проведенные на зоопланктоне из водоемов
умеренной зоны, показывают, что сигналы
как позвоночных, так и беспозвоночных хищников вызывают реакцию избегания (Burks et
al., 2002; Burks, Lodge, 2002). Дафнии избегают сигналов, поступающих от хищников, не
Влияние химических сигналов от хищников и
поврежденных особей на рефугиальную роль
макрофитов
В экспериментах с D.magna из водоемов
умеренных широт при добавлении кайромонов рыб животные двигались как в искусственные, так и естественные заросли
(Lauridsen, Lodge, 1996).
В субтропических условиях D.obtusa реагировала только на сигналы от поврежден-
– 207 –
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
В.П. Семенченко, В.И. Разлуцкий. Факторы, определяющие суточное распределение…
встречающихся в местах их обитания (Stabell
et al., 2002). Клоны, взятые из малорыбных водоемов, реагируют на сигналы рыб (Boersma,
et al., 1998; Michels, De Meester, 2004).
В водоемах умеренных широт макрофиты предоставляют крупному фильтрующему
зоопланктону убежище от хищничества рыб
(Burks et al., 2002), который эффективно фильтрует фитопланктон, и, тем самым, способствуют поддержанию высокой прозрачности
воды (Canfield et al., 1984). Пан-европейские
эксперименты с мезокосмами подтверждают
к поддержанию высокой прозрачности воды
(Meefhoff et al., 2006; 2007; Iglesias, 2007). В
зарослях широко распространенного в Южной Америке и расширяющего свою экспансию на других континентах свободноплавающего растения – водного гиацинта Eichhornia
crassipes Mart. – наблюдалась низкая, по
сравнению с погруженными макрофитами,
численность рыб, которая, тем не менее, сопровождалась низкими численностью и разнообразием таксонов, особенно крупных, видов зоопланктона (Meerhoff et al., 2003). Кроме
(см. например, Vakkilainen et al., 2004), что
погруженные макрофиты являлись рефугиумом для зоопланктона, а крупные кладоцеры
(Daphnia, Diaphanosoma, Sida и Simocephalus)
хорошо контролировали развитие фитопланктона при различных уровнях биогенных веществ, за исключением самого южного региона (Валенсия, Испания). Причиной этого был
тот факт, что при повышенных температурах
рыбы активно потребляли крупный зоопланктон, а оставшиеся мелкие ракообразные не
справлялись с развитием фитопланктона при
избытке биогенов.
Еще одним подтверждением того, что в
южных широтах макрофиты не предоставляют достаточного рефугиума от пресса рыб,
стали полевые исследования в средиземноморском озере Вела (Castro et al., 2007). Пресс
мелких планктоноядных рыб был настолько
велик в зарослях водной растительности, что
зоопланктон в дневное время вынужден был
концентрироваться в центральной части озера и мигрировать в придонные слои, несмотря
на глубину всего 1,6 м.
Приведенные выше данные показывают,
что в субтропиках южного полушария водная
растительность, особенно большие свободноплавающие растения, не предоставляет
убежища крупному зоопланктону и не способствует каскадному эффекту, приводящему
того, крупные свободноплавающие растения
оказывают отрицательный эффект на погруженную растительность, затеняя ее.
Эффект избегания зоопланктоном растительности в субтропиках объясняется исключительно высоким прессом рыб (а также
креветок) в зарослевых биотопах. Сравнительные исследования показали, что в субтропиках разнообразие рыб значительно больше,
размеры меньше, доля потенциально рыбоядных также меньше, поведение предпочтительно литоральное, численность в зарослях
макрофитов в 11 раз выше, чем в сходных по
параметрам озерах умеренной зоны (Meerhoff
et al., 2007a,b). В свою очередь, численность
зоопланктона в 5,5 раз, макробеспозвоночных в 8 раз и биомасса перифитона в 4 раза
меньше в субтропических зарослях, по сравнению с умеренной зоной. Среди зоопланктона доминируют мелкие виды и мало представителей рода Daphnia, что подтверждают
и другие исследования (Pinto-Coelho et al.,
2005). Напротив, разнообразие зоопланктона
и макробеспозвоночных выше в умеренной
зоне. В макрозообентосе больше представлены крупные виды. В умеренной зоне погруженная растительность служит хорошим
рефугиумом для зоопланктона, в отличие от
растительности с плавающими листьями. В
умеренной зоне горизонтальные перемеще-
– 208 –
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
В.П. Семенченко, В.И. Разлуцкий. Факторы, определяющие суточное распределение…
ния зоопланктона оправдываются, поскольку растительность позволяет укрываться от
хищников. В субтропиках горизонтальные
миграции наблюдаются в значительно меньшей степени (Meerhoff, 2007b).
Если рассматривать результаты сравнительного анализа структуры сообществ
разных климатических зон с точки зрения
глобального потепления, то основным фактором, который может оказать влияние на
экосистемы мелких озер, является усиление
пресса рыб на крупный зоопланктон, кото-
рыб, и двигались в растительность в их присутствии. Дальнейший анализ показал, что
клоны дафний, полученные из эфиппиальных яиц, соответствующих периоду с высоким прессом рыб, более активно совершали
DHM. Была обнаружена и корреляция между
реакцией различных клонов и площадью покрытия макрофитов, прессом рыб и прозрачностью. Полученные результаты говорят о
том, что существует микроэволюция DHM
дафний в ответ на изменение условий окружающей среды.
рый контролирует развитие фитопланктона,
что приведет к эвтрофированию, снижению
прозрачности и биоразнообразия.
В субтропической зоне дафнии слабо
реагировали на кайромоны рыб и даже в присутствии сигналов от рыб и от поврежденных
особей избегали свободноплавающей растительности. В другом исследовании (Trochine
et al., 2009) в малорыбных субтропических
прудах циклопида A.robustus и кладоцера
C.dubia нейтрально реагировали на кайромоны беспозвоночного хищника M.ehrenbergii
(Turbellaria) в погруженной растительности и
совершали типичные DHM.
Сравнение исследований различных зон,
с одной стороны, еще раз подтверждают, что
в умеренных широтах заросли макрофитов
служат рефугиумом для зоопланктона в отличие от субтропиков. С другой стороны, поведенческие реакции могут изменяться в зависимости от условий в водоеме.
Генетическая обусловленность поведения
избегания хищников и макрофитов
В лабораторных экспериментах обычно
используют культуры кладоцер, которые в течение многих поколений живут в лабораторных условиях. Например, при исследовании
реппелентного эффекта субтропических растений D.obtuza содержалась в лабораторных
условиях в течение 2 месяцев до начала экспериментов. Тем не менее, дафнии реагировали как на натуральные растения, так и на их
муляжи (Meerhoff et al., 2006).
Разные клоны D.magna, полученные из
покоящихся яиц с разных горизонтов донных осадков датского озера Ринг, совершали
DHM в присутствии кайромонов рыб. До 1970
г. озеро было сильно эвтрофным водоемом,
а затем подверглось восстановлению. Таким
образом, в его истории достаточно четко выделяются два периода: сильного (до 80-х гг.)
и слабого пресса рыб. Дафнии оставались в
центре экспериментального желоба, избегая
литоральной зоны (крайних участков с 11 натуральными с одной стороны и 11 искусственными растениями роголистника Ceratophylum
demersum с другой) в отсутствие сигналов от
Рыбы
Как уже подчеркивалось, рыбы служат
ключевым фактором, определяющим распределение зоопланктона в озерных экосистемах.
В большинстве равнинных европейских озер
в рыбных сообществах доминируют плотва и
окунь (Lewin et al., 2004), а основным хищником является щука (Irz et al., 2002). Еще один
широко распространенный вид, который обычен в литорали таких озер, – карась (Jeppesen
et al., 2006). Исследования, проведенные в ти-
– 209 –
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
В.П. Семенченко, В.И. Разлуцкий. Факторы, определяющие суточное распределение…
пичном европейском озере Парелу (Франция)
в течение всего сезона вегетации, выявили
следующие закономерности в распределении
рыб в литоральной зоне (Brosse, 2007). Среди 17 эковидов, включающих 9 видов рыб в
литорали, 98 % приходилось на 0+. В наибольших количествах встречались 3 вида:
плотва –67 %, карась – 26 %, окунь – 2 %. С
середины мая по середину июля взрослые
особи занимают открытую воду, в то время
как сеголетки (0+) – зарослевые биотопы.
Среди особей 0+ доминировала плотва (78 %)
бами различных биотопов также менялось
в зависимости от их вида и возраста. Такой
характер пространственного и временного
распределения рыб, вероятно, типичен для
многих озер умеренной зоны и может определять распределение и структуру зоопланктона.
Различные группы зоопланктона поразному ведут себя в присутствии рыб. Были
проведены наблюдения за распределением
рыб и зоопланктона в трех типах биотопов в
эвтрофном мелководном озере Ханебъерг: в
и в меньших количествах карась и окунь.
Большинство особей 0+ предпочитали заросли растительности. Сеголетки плотвы и окуня предпочитали глубины >0,4 м, а линь 0+
(Tinca tinca), карась 0+ и взрослые щуки <0,3
м. С середины июля по август часть особей
0+ сосуществовала со взрослыми, но большинство оставалось в зарослях растительности. Численность особей 0+ плотвы очень
снизилась (до 8,8 %), доминировал 0+ карась
(82 %). Сеголетки окуня, плотвы и пескаря
(Gobio gobio) предпочитали более глубокие
биотопы, а молодь карася и уклеи (Alburnus
alburnus) – более мелкие биотопы с густой
растительностью. Взрослые особи (0+ щука
и 0+ линь) занимали мелководные участки с
редкой растительностью. В последующий период до середины октября большинство рыб
покидало растительность, за исключением
видов, ассоциированных с растительностью.
Доля особей 0+ составила: карася – 55, плотвы – 16, леща – 11, уклеи – 5 и окуня – 4 %.
На взрослых особей приходилось 2 % от общей численности, из них на окуня – 75 %.
Распределение сеголетков и взрослых рыб
отличалось от двух предыдущих периодов,
поскольку и те и другие предпочитали открытую воду.
Таким образом, распределение рыб менялось в течение сезона, и предпочтение ры-
открытой воде, вблизи погруженной растительности и растительности с плавающими
листьями (Romare et al., 2003). Молодь окуня
и плотвы в дневное время концентрировалась
на краю зоны зарослей, преимущественно в
плотной погруженной растительности. Копеподы избегали погруженной растительности,
а для кладоцер не наблюдалось предпочтения
определенных биотопов. В ночное время и
мелкие рыбы, и кладоцеры в больших количествах встречались на краю зарослей и в открытой воде, чем в дневные часы, т.е. наблюдались горизонтальные миграции.
Для кладоцер, в отличие от копепод, получена статистически достоверная обратная
связь их численности с численностью рыб в
зарослях обоих типов, в то время как в открытой воде такой зависимости не обнаружено
(рис. 3). Таким образом, кладоцеры использовали оба типа растительности в качестве
укрытия от молоди рыб.
Хищничество планктоноядных рыб и
их суточные миграции – один из важнейших
факторов, определяющих горизонтальные
перемещения зоопланктона в умеренной зоне
(Burks et al., 2002; Lewin et al., 2004) и в меньшей степени в субтропиках, где из-за очень
сильного пресса рыб во всех биотопах мелководных озер преобладают вертикальные
миграции.
– 210 –
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
В.П. Семенченко, В.И. Разлуцкий. Факторы, определяющие суточное распределение…
Рис. 3. Корреляция между численностью рыб и численностью кладоцер и копепод в различных типах
высшей водной растительности и открытой воде в оз. Ханебъерг (Romare et al., 2003)
Пресс рыб в основном направлен на крупный зоопланктон, и он возрастает по мере продвижения в южные широты (Vakkilainen et al.,
2004; Meerhoff, 2007b). Исследования в литоральной зоне мелкого эвтрофного озера Литл
Миер в Англии с использованием 36 изолятов
показали, что обычные для водоемов умеренной зоны виды рыб по-разному воздействуют на зоо- и фитопланктон (Williams, Moss,
2003). В экспериментах использовали 4 вида
рыб: карп (Cyprinus carpio L.), лещ (Abramis
brama L.), линь (Tinca tinca L.) и плотва
(Rutilus rutilus L.) размером около 15 см. По
мере увеличения биомассы рыб (от 0 до 700
кг га−1) наблюдалось явное снижение средних
размеров и обилия зоопланктона. Крупные
виды замещались более многочисленными
мелкими, особенно в присутствии леща, ко-
торый хуже приспособлен потреблять мелкий зоопланктон, но лучше схватывает более крупный и подвижный, чем остальные
три вида. В присутствии карпа и плотвы в
больших количествах были представлены
Cyanophyta. Воздействие на фитопланктон
определялось как процессами сверху через
размерно-селективный пресс рыб на зоопланктон, так и снизу через регенерацию биогенных веществ, направление и интенсивность
которых зависели от вида рыб.
Именно уменьшением доли крупного
зоопланктона в результате повышенного потребления его рыбами при высоких температурах объясняется ослабление его способности контролировать развитие фитопланктона
в низких широтах (Vakkilainen et al., 2004;
Meerhoff, 2007b).
– 211 –
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
В.П. Семенченко, В.И. Разлуцкий. Факторы, определяющие суточное распределение…
Полевые эксперименты с мезокосмами
показали, что при слабом развитии растительности даже при низкой биомассе рыб (4 г
м-2) численность крупного зоопланктона была
недостаточной для контроля развития фитопланктона (Hietala et al., 2004). Эти результаты хорошо согласуются с данными других
исследований (Post, McQueen, 1987; Perrow et
al., 1999), в которых рыбы при биомассе 2-5 г
м-2 элиминировали дафний. При хорошем развитии макрофитов, особенно свободноплавающего вида Lemna trisulca L., зоопланктон
падении на крупные виды Daphnia. Тот факт,
что Mesocyclops sp. может потреблять крупные жертвы, подтверждают эксперименты с
L.kindti (Chang, Hanazato, 2005b). Циклопы в
основном эффективно и полностью потребляли мелких (<2,5 мм) особей, значительно менее эффективно более крупных, съедали у них
в основном вторые антенны.
В свою очередь, L.kindti является обычным хищником в эвтрофных обильных рыбой
озерах и оказывает значительное влияние на
зоопланктонные сообщества, что наблюда-
контролировал фитопланктон даже при уровне биомассы рыб в 20 г м-2 и дополнительном
внесении биогенных веществ (90 мкг P л-1,
0.9 мг N л-1). Таким образом, в умеренных
широтах макрофиты значительно повышают
пороговую биомассу рыб, при которой зоопланктон способен контролировать развитие
водорослей.
лось после ее случайного вселения в небольшое по размерам озеро (McNaught et al., 2004).
Уже на следующий год сезонный максимум L.
kindti достигал 85 экз. м-3, в результате мелкие
виды кладоцер (Ceriodaphnia, Bosmina) практически исчезли из озера. Произошел сдвиг в
доминирующем комплексе и кладоцер, и копепод и возросло разнообразие Daphnia.
Таким образом, вселение беспозвоночных хищников может привести к кардинальным изменениям в зоопланктонных сообществах даже в присутствии рыб. В озере Сува
(Япония) смена доминирования двух видов
Bosmina (B.longirostris и B.fatalis) определялась селективным хищничеством L. kindti
(Chang, Hanazato, 2004).
Попытки повысить прозрачность в озере
Киннерет снижением численности планктоноядного вида рыб – киннеретской сардины
Acanthobrama terraesanctae Steinitz, не оказали предполагаемого эффекта. Сравнение потенциального воздействия рыбы и хищных
копепод Mesocyclops ogunnus Onabamiro и
Thermocyclops dybowskii Lande установило,
что, несмотря на меньшую биомассу, циклопы могут оказывать большее влияние на
смертность мирного зоопланктона, чем сардина (Blumenshine, Hambright, 2003).
В мелководном водохранилище (Центральная Польша) миграции (DHM) крупного
Пресс беспозвоночных хищников
Помимо рыб, значительное влияние на
обилие, видовую и размерную структуру мирного зоопланктона оказывают беспозвоночные хищники, в том числе и зоопланктонные.
Широкий спектр жертв, от коловраток до кладоцер, активно потребляют различные виды
циклопов из родов Mesocyclops, Acanthocyclops
и Cyclops (Williamson, 1986; Gliwicz, Umana,
1994; Chang, Hanazato, 2003; 2005b,c). Экспериментально показано, что такой широко распространенный вид, как M. Leuckarti, успешно
потребляет D.brachyurum и молодь C.reticulata
и слабо – B.longirostris, Daphnia ambigua
Scourfield и D.pulex (Chang, Hanazato, 2003).
Защитными механизмами от потребления
служат выступающие структуры, скорость и
особенности плавания. Размер жертв также
имеет большое значение: более крупные особи
лучше избегали атак Mesocyclops, тем не менее, они часто были успешными даже при на-
– 212 –
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
В.П. Семенченко, В.И. Разлуцкий. Факторы, определяющие суточное распределение…
зоопланктона были значительно более выраженными в год с очень низкой (<1 экз. м-2)
численностью молоди рыб в прибрежных
зарослях и очень высокой (около 12 экз. л-1)
численностью хищной кладоцеры – L. kindti в
пелагиали (Wojtal et al., 2003). В следующем
году, в период низкой миграционной активности, молодь плотвы и окуня (>100 экз. м-2)
была очень многочисленной, а численность
L. kindti, напротив, меньше (3-4 экз.л-1), чем
в предыдущем сезоне. Таким образом, интенсивность миграций определялась, с одной
стороны, прессом позвоночных хищников
в прибрежных зарослях (молоди рыб), а с
другой – прессом беспозвоночного хищника
L. kindti в пелагической части водоема.
Эксперименты с огороженными участками озера, проведенные в литорали озера Лос
Радрес (Аргентина), показали, что личинки
различных таксонов насекомых очень эффективно потребляют зоопланктон, представленный D.brachyurum, Bosmina huaronensis
Delachaux, Moina micrura Kurz, и самцов
и самок Notodiaptomus incompositus Brian
(Sagrario et al., 2009). Эксперимент проводили
при низкой и высокой численностях и разнообразии беспозвоночных хищников, которые
соответствовали условиям озера. Оказалось,
что при высокой численности хищников численности популяций зоопланктонных видов
значительно снижались (приблизительно
на 80 %) по сравнению с контролем и низкими величинами численности хищников.
Такие хищники, как бокоплавы Buenoa sp.,
взрослые травяные креветки Palaemonetes
argentinus Nobili и личинки стрекоз-стрелок
Cyanallagma interruptum Selys, потребляли
от 75 до 100 % зоопланктона. Поскольку все
эти виды были ассоциированы с растительностью и имели очень высокую численность,
они представляли значительную угрозу для
зоопланктона, а роль макрофитов как рефу-
гиума зависела от соотношения пресса рыб и
беспозвоночных хищников.
Численность мелких зоопланктеров оказалась достаточно жестко связанной с обилием L. kindti (Семенченко, 2006). Следует отметить, что влияние беспозвоночных хищников
на динамику численности зоопланктона потенциально может быть большим, и упомянутые выше исследования это подтверждают, но
работ, в которых количественно сравнивается
их воздействие с прессом рыб, крайне мало.
Различия абиотических условий
литоральных биотопов
По сравнению с различиями в условиях
между эпи- и гиполимнионом в стратифицированных глубоких озерах, в мелких водоемах
суточные изменения различных параметров
при обычных погодных условиях выражены
в значительно меньшей степени. Подобным
примером является динамика некоторых параметров в различных литоральных биотопах
слабоэвтрофного, мелководного (средняя глубина 5 м) озера Обстерно: температуры, содержания растворенного кислорода, активной
реакции и электропроводности воды (табл. 3).
Так, различия в температуре в ночное и дневное время составляли 1 °С. В периоды резкого
изменения погоды, очевидно, градиент условий может быть больше, но устойчивого горизонтального градиента условий, подобного
вертикальному, в обычное время ожидать не
следует.
В большом стратифицированном озере
Киннерет различия в температуре и концентрации кислорода между прибрежной и пелагической частями эпилимниона были незначительными – 27,1-29,9 oC и 8,7-9,3 мг л-1, pH
варьировала от 7,6 до 8,7 (Pinel-Alloul, 2004).
Сравнение различных характеристик открытой части и биотопов с погруженной и полупогруженной растительностью эвтрофного
– 213 –
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
В.П. Семенченко, В.И. Разлуцкий. Факторы, определяющие суточное распределение…
Таблица 3. Данные однофакторного дисперсионного анализа видовой структуры сообществ Cladocera в
литоральных биотопах разного типа
Фактор
Случайный для всех биотопов
Критерий
Фишера, F
Число степеней
свободы, df
Ошибка df
Уровень
достоверности, p
5500,3
19
1,0
0,011
Топический (все биотопы)
15,9
76
6,3
0,00075
Случайный для биотопов
с зарослями
4302,8
10
1,0
0,012
15,1
30
3,6
0,012
Топический (биотопы с зарослями)
полимиктического озера в Уругвае показало,
что в погруженной растительности концентрация кислорода была ниже, чем в других
хищников. По мере продвижения в глубину
интенсивность освещения снижается, соответственно, ухудшаются условия для ви-
биотопах весной, летом и осенью. В погруженной растительности летом ночная насыщенность воды кислородом составляла 44 %
от дневной, а прозрачность по диску Секки была на 46 % выше, чем в открытой воде
(Iglesias et al., 2007).
В то же время в гиперэвтрофной части
озера Хииденвеси (Финляндия) в период
сильного цветения pH поднялась выше 10 и
фильтрующий зоопланктон концентрировался в биотопах с пониженными величинами pH
(Nurminen, Horppila, 2002).
зуальных хищников. Такие вертикальные
пространственные убежища с определенной интенсивностью освещения получили
название «окна антихищничества» (Clark,
Levy, 1988). В дальнейшем было предложено
распространить это понятие и на горизонтальные перемещения рыб, приуроченных
к прибрежной зоне водоемов (Gliwicz et al.,
2006). Они пользуются высокой плотностью
зоопланктона в открытой части озер в предрассветное и сумеречное время суток, когда
освещенность позволяет им укрываться от
собственных хищников, но остается достаточной для поиска жертв. В качестве убежища в дневное время выступает водная растительность. Исследования, проведенные в пяти
небольших озерах, в которых отсутствовали
пелагические планктоноядные рыбы, показали, что плотва не отплывает далеко от береговой линии даже в ночное время (Gliwicz et
al., 2006). В маленьких озерах с диаметром
до 600 м рыбы равномерно распределялись
по всей акватории, а в озерах большего (более 1000 м) размера в центральной части
встречались только отдельные экземпляры
рыб. Следует отметить, что наибольшая активность планктоноядных рыб наблюдалась
в сумеречный период. Эхограммы показали
массовое перемещение плотвы по направлению от береговой линии к центру водоемов.
Освещенность
Доступность пищи для животных обратно связана с их безопасностью. В укрытиях, где они скапливаются в больших количествах, имеет место дефицит пищи, а по
мере удаления от укрытий возрастает опасность быть съеденными (Lima, 1998; Tollrian,
Harvell, 1999; Gliwicz, 2003). В озерах градиент обилия пищи и степени защищенности
обычно существует в вертикальном и горизонтальном направлении (Werner, Gilliam,
1984; Clark, Levy, 1988). Во многом это зависит от интенсивности освещения, поскольку
хищные и планктоноядные рыбы при захвате
своих жертв ориентируются с помощью зрения. В верхних слоях водоемов наибольшее
количество пищи, но и наибольший пресс
– 214 –
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
В.П. Семенченко, В.И. Разлуцкий. Факторы, определяющие суточное распределение…
Причем возрастание численности рыб по
мере удаления от берега происходило очень
быстро – в течение получаса (с 2000 до 2030).
В дальнейшем (к 2200) во всех озерах наблюдалось агрегирование рыбы в поверхностных
слоях воды. В дневное время плотва и уклея
концентрировались возле дна у уреза пояса
растительности на глубинах 5-8 м в озерах с
узкой литоральной зоной и среди погруженной растительности в озере с более широкой
зоной прибрежного мелководья. Распределение рыб в водоемах соответственно влияло и
прибрежной части особей количество пищи
на порядки меньше.
В глубоких озерах зоопланктон находит убежище от хищников, мигрируя вертикально в глубокие слабо освещенные слои
(Gliwicz, 1986; Dini, Carpenter, 1988; Lampert,
1993). В мелких озерах без макрофитов, из-за
отсутствия стратификации и недостаточного
градиента глубины, единственным убежищем для зоопланктона может служить низкая
освещенность у дна, особенно в эвтрофных
озерах. Литоральный зоопланктон может со-
на распределение зоопланктона. Анализ содержимого желудков плотвы Rutilus rutilus
L. и уклеи Alburnus alburnus L. показал, что
у рыб возраста 1+, остававшихся в прибрежной части акватории, состав пищи был более
разнообразным, чем у рыб, пойманных дальше (более 50 м) от береговой линии. Однако
процент пустых желудков (до 63 %) у рыб из
прибрежья оказался значительно выше, а наполнение желудков – в десятки раз меньше.
Содержимое желудков рыб в прибрежной
части включало в себя любое сочетание всех
видов зоопланктона, отмеченных в этой части озер, или представителей бентоса. Рыбы,
пойманные в удаленных от берега участках,
отличались большей избирательностью в потреблении жертв. По количеству экземпляров в желудках рыб преобладали наиболее
многочисленные в зоопланктоне D. cuculata
и D. galeata, а по биомассе – L.kindti, численность которой составляла всего около 1 % от
общей, и Chaoborus sp. О избирательном выедании рыбами наиболее крупных и с большими кладками особей говорилось и ранее
(Gliwicz, Pijanowska, 1989). Таким образом,
анализ распределения рыб и содержимого
их желудков прямо показывает, что в сумеречное время рыбы специально мигрируют
в направлении центральной части водоемов
за дополнительной пищей. У остающихся в
вершать вертикальные миграции между дном
и толщей воды в результате воздействия хищничества рыб (Walls et al., 1990; Jeppesen et
al., 2002). В экспериментальных мезокосмах
(Hietala et al., 2004) в присутствии плотвы (5-10
см длиной) численность эупланктонных кладоцер (B.longispina, C.pulchella, D.brachyurum)
была выше в ночное время, чем в дневное. В
отсутствие рыб их численность в столбе воды
достоверно не отличалась в разное время суток, что свидетельствует об агрегации кладоцер в придонном слое в дневное время.
Исследования, проведенные в средиземноморском озере Вела, подтверждают, что
зоопланктон совершает вертикальные миграции и в естественных мелких водоемах вследствие изменений освещенности (Castro et al.,
2007). В весенний период при высокой прозрачности воды зоопланктон концентрировался в пелагической части озера независимо
от времени дня и совершал вертикальные миграции, несмотря на маленькую (1,6 м) глубину водоема. Численность циклопа A.robustus,
предпочитавшего заросли полупогруженной
растительности J.pallescens, в мелком (глубина до 2 м) эвтрофном пруду была выше в
ночное время, что также объясняется вертикальными миграциями.
Можно предполагать, что снижение пресса визуальных хищников может происходить в
– 215 –
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
В.П. Семенченко, В.И. Разлуцкий. Факторы, определяющие суточное распределение…
Таблица 4. Ослабление освещенности в зарослях различных видов растительности на поверхности воды
и глубине 0,5 м в мезоэвтрофном оз. Обстерно
Биотоп
Открытая вода
Освещенность (тыс. люкс/м2)
поверхность
полиэтилен
глубина 0,5 м
55,0
55,0
Камыш (70 экз./м )
45,0
55,0
Камыш (200 экз./м2)
11,0
2
Кубышка (под листом)
15,0
1,5-2,0
3,0-7,0
Кубышка (между листьев)
Рдест (под листьями)
33,0
15,0
10,0
Рдест (между листьев)
10,0
результате ухудшения освещенности в зарослях макрофитов. Наши наблюдения установили, что в зарослях различных видов водной
растительности происходит существенное
снижение освещенности по сравнению с открытыми участками воды (табл. 4). Снижение
идет как по мере продвижения в глубину, так
и в зависимости от вида растений, плотности
их зарослей. В то же время быстрое увеличение численности C.pulchella наблюдалось
в установке, имитирующей заросли макрофитов, сделанной из полиэтиленовых полос,
хотя, как показывают измерения (табл. 4),
полиэтиленовая пленка практически не снижает освещенности. Уже на следующие сутки
численность этого вида была выше в десятки
раз в искусственных макрофитах, чем в литорали без растительности, и вполне сопоставима с численностью этого вида в естественной
растительности (камыше). В целом, процесс
заселения искусственного биотопа сопровождался очень быстрым увеличением числа
видов. Таким образом, зоопланктон использовал искусственный и естественный биотопы сходным образом, несмотря на различные
условия освещенности.
В гипертрофном заливе озера Хииденвеси освещенность на дне (от поверхностной
радиации) составляла в зарослях макрофитов
менее 2 %, а в мезотрофном заливе – 7-11 %
((Nurminen, Horppila, 2002). Лабораторные
исследования вертикальных миграций выявляют, что достаточно низкая освещенность
от 1 до 10 люкс может служить рефугиумом
для дафний от пресса рыб (Burks et al., 2002).
Такие виды, как плотва (Rutilus rutilus) и лещ
(Abramis brama), одинаково эффективно охотятся в полной темноте и при ярком освещении, хотя окунь (Perca fluviatilis L.) при
снижении освещенности схватывает только
крупных дафний. В недавнем обзоре Burks et
al. (2002) показано, что в мелких озерах и в
зарослях водной растительности ослабление
освещенности недостаточно, чтобы служить
рефугиумом от рыб. По данным других авторов, даже при маленькой глубине и именно в
периоды высокой прозрачности воды в естественных водоемах ряд видов зоопланктона
мигрирует в придонные слои от пресса рыб
(Hietala et al., 2004; Castro et al., 2007; Trochine
et al., 2009).
Температура
Температура оказывает существенное
влияние на различные физиологические и популяционные характеристики зоопланктона,
и наблюдаются определенные различия в ее
величинах между литоральной и пелагической частями водоема, а также между различными литоральными биотопами (Burks
– 216 –
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
В.П. Семенченко, В.И. Разлуцкий. Факторы, определяющие суточное распределение…
et al., 2002). Наши наблюдения не выявили
существенных суточных различий в температуре между разными участками озер (табл. 3),
поэтому можно предполагать, что небольшой
градиент температуры в мелких водоемах не
оказывает заметного влияния на суточные
перемещения зоопланктона.
Тем не менее, ночная съемка в озере Киннерет показала, что зоопланктон распределялся в соответствии с градиентом температуры и концентрировался в литоральной зоне
(Pinel-Alloul et al., 2004).
денных полевых исследований позволило сделать вывод, что этот спад во многом определяется весенней температурой воды (Mehner
et al., 1998). Сравнение сценариев для холодной и теплой весны позволило заключить, что
при более высоких весенних температурах
сеголетки окуня растут быстрее и размер их
рта позволяет им раньше начинать питаться половозрелыми самками дафний. К тому
же, с ростом температуры размер дафний
при достижении половозрелости снижается.
Смертность сеголетков также снижается с ро-
В последнее время появились исследования, в которых рассматривается влияние
температуры на зоопланктон и озерные экосистемы в целом в различных климатических
зонах. Такие работы ориентированы также
на предсказание возможных последствий
глобального повышения температуры. Паневропейские эксперименты выявили, что в
самом южном из обследованных регионов
(Валенсия, Испания) зоопланктон в экспериментальных микрокосмах не мог контролировать биомассу фитопланктона, в отличие
от экспериментов в более высоких широтах
(Vakkilanen et al., 2004).
В результате сравнительных исследований было установлено, что ключевым фактором, отличающим озера умеренной и субтропической зон, является повышенный пресс
рыб, особенно усиливающийся при высоких
температурах (Liboriussen et al., 2005). Даже
если увеличение температуры не оказывает
непосредственного существенного влияния
на зоопланктон, оно может воздействовать
опосредованно через изменение трофической
структуры мелких озер или усиливать воздействие рыб.
Моделирование процессов, вызывающих летний спад численности доминирующей в биоманипуляционном водоеме Daphnia
galeata (Mehner, 2000), на основании прове-
стом температуры. В результате потребление
взрослых дафний сеголетками окуня резко
возрастает в годы с теплыми веснами. Полученные данные подтверждают предположение, что даже незначительное глобальное потепление может вызывать тонкие изменения
во взаимодействиях между трофическими
группами, которые могут привести к существенным изменениям в функционировании
озерных экосистем.
Заключение
Основными факторами, влияющими на
распределение, перемещения, размерную и
видовую структуры зоопланктона в литоральной зоне пресноводных водоемов, являются пресс позвоночных хищников и наличие
и структура макрофитов. В умеренной зоне
макрофиты, особенно погруженные, служат
хорошим рефугиумом для крупного фильтрующего зоопланктона от пресса хищников,
что позволяет ему контролировать развитие
фитопланктона. В тепловодных озерах макрофиты зачастую выступают как сигнальный фактор опасности. Связано это с очень
высокой численностью планктоноядных рыб
и беспозвоночных хищников, ассоциированных с растительностью. Беспозвоночные
хищники при их высокой численности могут
оказывать значительное влияние на структу-
– 217 –
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
В.П. Семенченко, В.И. Разлуцкий. Факторы, определяющие суточное распределение…
ру зоопланктона даже в богатых рыбой озерах. В умеренной зоне зоопланктон совершает
преимущественно горизонтальные миграции
в водную растительность, используя ее как
рефугиум. В субтропической и тропической
зонах миграции выражены слабее, среди них
преобладают вертикальные, в придонный
слой, даже при небольшой глубине водоемов.
Количество и качество пищевых ресурсов
в разных водоемах может возрастать как из
литоральной зоны в пелагиаль, так наоборот.
Метаболиты макрофитов могут оказывать
можности визуальных хищников (рыб) и, соответственно, на миграции зоопланктона.
Обзор литературных данных показывает,
что масштабы и расстояние суточных горизонтальных миграций зоопланктона и затраты на них практически не изучены. Представляется, что для такого рода оценок подходит
модель IFD. Мало что известно о конкурентных отношениях между эупланктонными и
ассоциированными с растительностью видами зоопланктона в зарослях макрофитов.
Слабо изучена роль макрофитов как фактора,
как стимулирующее, так и угнетающее влияние на фитопланктон, а также опосредованно
и прямым путем на зоопланктон. Зоопланктон реагирует не только на химические сигналы от макрофитов, но и на их архитектуру.
Освещенность является одним из основных
абиотических факторов, влияющих на воз-
оказывающего влияние на гидродинамику
водных масс в стоячих водоемах в результате
ветрового воздействия. Исследования выявили, что негибкие растения, к которым можно
отнести многие виды макрофитов в озерах,
могут оказывать существенный тормозящий
эффект на водные потоки (Sand-Jensen, 2003).
Работа выполнена в рамках совместного проекта Белорусского и Российского (СО РАН, Ур
РАН) фондов фундаментальных исследований (грант Б09СО-008).
Список литературы
Баланда О.В, Зиньковский О.Г., Потрохов А.И. (2004а). Влияние алкалоидов Numphar lutea (L)
Smith. на икру и сперматозоиды карпа и белого амура. Гидробиологический журнал 40(5): 71-77.
Баланда О.В, Медведь В.А., Сакевич А.И. (2004б). Алкалоиды Numphar lutea (L) Smith и
их влияние на жизнедеятельность цианобактерий и водорослей. Гидробиологический журнал
40(4): 106-118.
Разлуцкий В.И., Бусева Ж.Ф. (2007а) Биотопическое распределение кладоцер в озерах разного типа. Вес. Нац. Акад. навук Беларусi. Сер. бiял. навук. №2: 95-99.
Разлуцкий В.И., Бусева Ж.Ф. (2007б) Структура сообществ рачкового планктона в макрофитах разного типа литорали эвтрофного озера на севере Беларуси. Материалы международной школы-конференции «Актуальные вопросы изучения микро-, мейозообентоса и фауны зарослей пресноводных водоемов». С. 252-257.
Романенко В.Д. (2004) Основы гидроэкологии. Киев – Генеза. 664 с.
Романенко В.Д., Сакевич А.И., Усенко О.М. (2005) Метаболические механизмы взаимодействия высших водных растений и сине-зеленых водорослей-возбудителей «цветения» воды.
Гидробиологический журнал 41(3): 45-57.
Сакевич А.И., Усенко О.М. (2003) Экзометаболиты водных макрофитов фенольной природы и их влияние на жизнедеятельность планктонных водорослей. Гидробиологический журнал
39(3): 36-44.
– 218 –
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
В.П. Семенченко, В.И. Разлуцкий. Факторы, определяющие суточное распределение…
Семенченко В.П. (2006) Роль макрофитов в изменчивости структуры сообщества зоопланктона в литоральной зоне мелководных озер. Сибирский экологический журнал 1: 89-96.
Семенченко В.П., Разлуцкий В.И., Бусева Ж.Ф. (2008) Заселение искусственных макрофитов зоопланктоном. Доклады НАН Беларуси 52(2): 86-89.
Усенко О.М., Сакевич А.И., Паламарчук В.Д. (2003) Влияние фенольных кислот гидрофитов на развитие планктонных водорослей. Альгология 13(1): 26-33.
Усенко О.М., Сакевич А.И. (2008) Аллелопатiя в гiдроекосистемах. Киïв: Логос. 342 c.
Юришинец В.И., Баланда О.В. (2004) Влияние алкалоидов кубышки желтой Numphar lutea
(L) Smith на симбиотические системы некоторых видов двустворчатых моллюсков. В: Сборник
научных работ по эколого-функциональным и фаунистических аспектов исследования моллюсков, их роль в биоиндикации состояния окружающей среды. Житомир. Волынь. С. 251-254.
Ahlgren G., Goedkoop W., Markensten H., Sonesten L., Boberg M. (1997) Seasonal variations in
food quality for pelagic and benthic invertebrates in Lake Erken – the role of fatty acids. Freshwater
Biology 38: 555-570.
Allen H.L. (1971) Primary Productivity, Chemo-organotrophy, and Nutritional Interactions of
Epiphytic Algae and Bacteria on Macrophytes in the Littoral of a Lake. Ecological Monographs 41:
98-127.
Barbiero R.P., Tuchman M.L. (2001) Results from the U.S. EPA's biological open water surveillance
program of the Laurentian Great Lakes: II. Deep chlorophyll maxima. J Great Lakes Res. 27:155-166.
Bertolo A., Lacroix G., Lescher-Moutoue´ F., Sala S. (1999) Effects of physical refuges on fish–
plankton interactions. Freshwater Biology 41: 795-808.
Blumenshine SC, Hambright KD (2003) Top-down control in pelagic systems: a role for
invertebrate predation. Hydrobiologia 491: 347-356.
Brosse S., Grossman G.D., Lek S. (2007) Fish assemblage patterns in the littoral zone of a
European reservoir. Freshwater Biology 52: 448-458.
Bucka H. (1989) Ecology of selected planktonic algae causing water blooms. Acta Hydrobiologica
31: 207-258.
Burks R.L., Lodge D.M. (2002) Cued in: advances and opportunities in freshwater chemical
ecology. Journal of Chemical Ecology 28: 1901-1917.
Burks R.L., Lodge D.M., Jeppesen E., Lauridsen T. L. (2002) Dial horizontal migration of
zooplankton: costs and benefits of inhabiting the littoral. Freshwater Biology 47: 343-365.
Boersma M., Spaak P., De Meester L. (1998) Predator-mediated plasticity in morphology, life
history, and behavior of Daphnia: the uncoupling of responses. American Naturalist 152: 237-248.
Canfield D.E.Jr, Shireman J.V., Colle D.E., Haller W.T. (1984) Prediction of chlorophyll-a
concentrations in Florida lakes: importance of aquatic macrophytes. Canadian Journal of Fisheries
and Aquatic Sciences 41: 497-501.
Chang K.H., Hanazato T. (2005a). Heterogeneous distribution of zooplankton in a shallow
eutrophic lake: species composition and diversity of the zooplankton community associated with
habitat structure in a littoral area. Verh. Internat. Verein. Limnol. 29: 922-926.
Chang K.H., Hanazato T. (2003). Vulnerability of cladoceran species to predation by the copepod
Mesocyclops leuckarti: laboratory observations on the behavioral interactions between predator and
prey. Freshwater Biology 48: 476-484.
– 219 –
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
В.П. Семенченко, В.И. Разлуцкий. Факторы, определяющие суточное распределение…
Chang KH, Hanazato T (2004) Predation impact of Leptodora kindtii on population dynamics
and morphology of Bosmina fatalis and B.longirostris in mesocosms. Freshwater Biology 49: 253264.
Chang K.H., Hanazato T. (2005b) Impact of selective predation by Mesocyclops pehpeiensis on a
zooplankton community: experimental analysis using mesocosms. Ecol. Res. 20: 726-732.
Chang K.H., Hanazato T. (2005c) Pray handling time and ingestion for Mesocyclops sp. Predation
on small cladoceran species Bosmina longirostris, Bosminopsis deitersi, and Scapholeberis mucronata.
Limnology 6: 39-44.
Depew D.C., Guildford S.J., Smith R.E.H. (2006) Spatial organization of trophic status in large
lakes: chlorophyll and primary production in post-dreissenid Lake Erie (east basin). Canadian Journal
of Fisheries and Aquatic Sciences 63: 1115-1129.
Di Fonzo, C. D., and J. M. Cambell. (1988) Spatial partitioning of microhabitats in littoral
Cladoceran communities. J. Freshwat. Ecol. 4: 303-313.
Fee E.J. (1976) The vertical and seasonal distribution of chlorophyll in lakes of the Experimental
Lakes Area, northwestern Ontario: Implications for primary production estimates. Limnology and
Oceanography 21: 767-783.
Flössner D. (2000) Die Haplopoda und Cladocera Mitteleuropas. Leiden: Backhuys.
Fretwell S.D., Lucas H.J. (1970) On territorial behavior and other factors influencing habitat
distribution in birds. Acta Biotheor. 19: 16-36.
Fryer D.G. (1968) Evolution and adaptive radiation in the Chydoridae (Crustacea: Cladocera): A
study in comparative morphology and ecology. Phil. Trans. Roy. Soc. Ser. B. 254: 221-385.
Gladyshev M. I., Sushchik N. N., Dubovskaya O. P., Makhutova O. N., Kalachova G. (2006)
Influence of sestonic elemental and essential fatty acid contents in a eutrophic reservoir in Siberia on
population growth of Daphnia (longispina group). Journal of Plankton Research 28: 907-917.
González Sagrario M.A., Balseiro E., Ituarte R., Spivak E. (2009) Macrophytes as refuge or risky
area for zooplankton: a balance set by littoral predacious macroinvertebrates. Freshwater Biology 54:
1042-1053.
Gulati R.D, DeMott W. R. (1997) The role of food quality for zooplankton: remarks on the stateof-the-art, perspectives and priorities. Freshwater Biology 38: 753-768.
Hanazato T., Arakawa T., Sakuma M., Chang K.H., Okino T. (2001) Zooplankton community in
Lake Suwa: community structure and its role in the ecosystem. Japanese Journal of Limnology 62:
151-167.
Hecky R. E., Hesslein R. H. (1995) Contributions of benthic algae to lake food webs as revealed
by stable isotope analysis. J. N. Am. Benthol. Soc. 14: 631-653.
Hietala J., Vakkilainen K., Kairesalo T. (2004) Community resistance and change to nutrient
enrichment and fish manipulation in a vegetated lake littoral. Freshwater Biology 49: 1525-1537.
Hillbricht-Ilkowska A., Stańczykowska A. (1969) The production and standing crop of planktonic
larvae of Dreissena polymorpha Pall. in two Mazurian lakes. Pol. Arch. Hydrobiol. 16 (29): 193-203.
Horton P.A., Rowan M., Webster K.E., Peters R.H. (1979) Browsing and grazing by cladoceran
filter feeders. Canadian Journal of Zoology 57: 206-212.
Irz P., Laurent A., Messad S., Pronier O., Argillier C. (2002) Influence of site characteristics on
fish community patterns in French reservoirs. Ecology of Freshwater Fish 11: 123-136.
– 220 –
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
В.П. Семенченко, В.И. Разлуцкий. Факторы, определяющие суточное распределение…
Iglesias C., Goyenola G., Mazzeo N., Meerhoff M., Rodó E., Jeppesen E. (2007) Horizontal
dynamics of zooplankton in subtropical Lake Blanca (Uruguay) hosting multiple zooplankton predators
and aquatic 7 plant refuges. Hydrobiologia 584: 179-189.
Jeppesen E., Søndergaard Ma., Søndergaard Mo., Christoffersen K., TheilNielsen J., Jürgens K.
(2002) Cascading trophic interactions in the littoral zone: an enclosure experiment in shallow Lake
Stigsholm, Denmark. Arch. Hydrobiol. 153: 533-555.
Jeppesen E., Pekcan-Hekim Z., Lauridsen T.L., Sondergaard M., Jensen J.P. (2006) Habitat
distribution of fish in late summer: changes along a nutrient gradient in Danish lakes. Ecology of
Freshwater Fish 15: 180-190.
Kufel L., Pasztaleniec A., Czapla G., Strzałek M. (2007) Constitutive allelochemicals from
Stratiotes aloides L. affect both biomass and community structure of phytoplankton. Pol. J. Ecol. 55:
387-393.
Lampert W., McCauley E., Manly B. (2003) Trade-offs in the vertical distribution of zooplankton:
ideal free distribution with costs? Proceedings of the Royal Society of London 270: 765-773.
Lampert W. (1993) Ultimate causes of diel vertical migration of zooplankton: new evidence for
the predator-avoidance hypothesis. Archiv fur Hydrobiologie Ergebnisse der Limnologie, 39: 79-88.
Lampert W., McCauley E., Manly B.F.J. (2003) Trade-offs in the vertical distribution of
zooplankton: ideal free distribution with costs? Proceedings of the Royal Society of London, Series
Biological Sciences 270: 765-773.
Larsson P. (1997) Ideal free distribution in Daphnia? Are daphnids able to consider both the food
patch quality and the position of competitors? Hydrobiologia 360: 143-152.
Lauridsen T.L., Buenk I. (1996) Dial changes in the horizontal distribution of zooplankton in the
littoral zone of two shallow eutrophic lakes. Arch. Hydrobiol. 137: 161-176.
Lauridsen T.L., Lodge D.M. (1996) Avoidance byDaphnia magna of fish and macrophytes:
chemical cues and predator-mediated use of macrophyte habitat. Limnology and Oceanography 41:
794-798.
Lauridsen T., Pedersen L.J., Jeppesen E., Søndergaard M. (1996) The importance of macrophyte
bed size for cladoceran composition and horizontal migration in a shallow lake. Journal of Plankton
Research 18: 2283-2294.
Lewin W-Ch., Okun N., Mehner T. (2004) Determinants of the distribution of juvenile fish in the
littoral area of a shallow lake. Freshwater Biology 49(4): 410-424.
Liboriussen L., Landkildehus F., Meerhoff M., Bramm M.E., Søndergaard Mo., Christoff ersen K.,
Richardson K., Søndergaard Ma., Lauridsen T.L., Jeppesen E. (2005) Global warming: Design of a flowthrough shallow lake mesocosm climate experiment. Limnology and Oceanography: Methods 3: 1-9.
McNaught AS, Kiesling RL, Ghadouani A (2004) Changes to zooplankton community structure
following colonization of a small lake by Leptodora kindti. Limnology and Oceanography 49: 12391249.
Meerhoff, M., Fosalba, C., Bruzzone, C., Mazzeo, N., Noordoven, W., Jeppesen, E. (2006) An
experimental study of habitat choice by Daphnia: plants signal danger more than refuge in subtropical
lakes. Freshwater Biology 51: 1320-1330.
Mehner, T. (2000) Influence of spring warming on the predation rate of underyearling fish on
Daphnia -a deterministic simulation approach. Freshwater Biology 45:253-263.
– 221 –
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
В.П. Семенченко, В.И. Разлуцкий. Факторы, определяющие суточное распределение…
Mehner T., Hülsmann S., Worischka S., Plewa M., Benndorf J. (1998) Is the midsummer decline
of Daphnia really induced by age-0 fish predation? Comparison of fish consumption and Daphnia
mortality and life history parameters in a biomanipulated reservoir. Journal of Plankton Research 20:
1797-1811.
Meerhoff M., Clemente J.M., Teixeira de Mello F., Iglesias C., Pedersen A.R., Jeppesen E. (2007a)
Can warm climate-related structure of littoral predator assemblies weaken the clear water state in
shallow lakes? Global Change Biology 13: 1888-1897.
Meerhoff M., Iglesias C., Teixeira De Mello F., Clemente J.M., Jensen E., Lauridsen T.L., Jeppesen
E. (2007b) Effects of habitat complexity on community structure and predator avoidance behaviour
of littoral zooplankton in temperate versus subtropical shallow lakes. Freshwater Biology 52(6): 10091021.
Michels E., De Meester L. (2004) Inter-clonal variation in phototactic behaviour and key lifehistory traits in a metapopulation of the cyclical parthenogen Daphnia ambigua: the effect of fish
kairomones. Hydrobiologia 522: 221-233.
Nurminen L.K.L., Horppila J.A. (2002) A diurnal study on the distribution of filter feeding
zooplankton: Effect of emergent macrophytes, pH and lake trophy. Aquat. Sci. 64: 198-206.
Stabell O., Ogbebo F., Primicerio R. (2003) Inducible defenses in Daphnia depend on latent alarm
signals from conspecific prey activated in predators. Chemical Senses 28: 141-153.
Ostendorp W. (1993) Reed bed characteristics and significance of reeds in landscape ecology.
Aktuelle Limnologie 5: 149-161.
Paterson M. (1993) The distribution of microcrustacea in the littoral zone of a freshwater lake.
Hydrobiologia 263: 173-183.
Pełechaty M., Owsianny P.M. (2003) Horizontal distribution of phytoplankton as related to the
spatial heterogeneity of a lake – a case study from two lakes of the Wielkopolski National Park (Western
Poland). Hydrobiologia 510: 195-205.
Pennak, R. W. (1966) Structure of zooplankton populations in the littoral macrophyte zone of
some Colorado lakes. Trans. Am. Microsc. Soc. 85: 329-349.
Perrow M.R., Jowitt A.J.D., Stansfield J.H., Phillips G.L. (1999) The practical importance of the
interactions between fish, zooplankton and macrophytes in shallow lake restoration. Hydrobiologia
395/396: 199-210.
Pinel-Alloul B., Meґthot G., Malinsky-Rushansky N.Z. (2004) A short-term study of vertical
and horizontal distribution of zooplankton during thermal stratification in Lake Kinneret, Israel.
Hydrobiologia 526: 85–98
Pinto-Coelho R., Pinel-Alloul B., Methot G., Havens K.E. (2005) Crustacean zooplankton in
lakes and reservoirs of temperate and tropical regions: variation with trophic status. Canadian Journal
of Fisheries and Aquatic Sciences, 62: 348-361.
Post J.R., McQueen D.J. (1987) Impact of planktivorous fish on the structure of a plankton
community. Journal of Freshwater Biology 21: 79-89.
Raspopov I.M., Adamec L., Husák Š. (2002) Influence of aquatic macrophytes on the littoral zone
habitats of the Lake Ladoga, NW Russia. Preslia, Praha, 74: 315-321.
– 222 –
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
В.П. Семенченко, В.И. Разлуцкий. Факторы, определяющие суточное распределение…
Sagrario G., de los Ángeles M., Balseiro E., Ituarte R., Spivak E. (2009) Macrophytes as refuge or
risky area for zooplankton: a balance set by littoral predacious macroinvertebrates Freshwater Biology
54: 1042-1053.
Schou M.O., Risholt C., Lauridsen T.L., Søndergaard M., Grønkjaer P., Jacobsen L., Berg S, Skov
C., Brucet S., Jeppesen E. (2009) Restoring lakes by using artificial plant beds: habitat selection of
zooplankton in a clear and a turbid shallow lake. Freshwater Biology 54: 1520-1531.
Siehoff S., Hammers-Wirtz M., Strauss T., Toni H. (2009) Periphyton as alternative food source
for the filter-feeding cladoceran Daphnia magna. Freshwater Biology 54: 15-23.
Smith R.E.H., Parrish C.C., Depew D.C., Ghadouani A. (2007) Spatial patterns of seston
concentration and biochemical composition between nearshore and offshore waters of a Great Lake.
Freshwater Biology 52: 2196-2210.
Sterner, R. W. and Schulz, K. L. (1998) Zooplankton nutrition: recent progress and a reality check.
Aquat. Ecol. 32: 261-279.
Strzałek M., Koperski P. 2009. The Stratiotes aloides L. stand as a habitat in oxbow lake Bużysko.
Aquatic Botany 90: 1-6.
Trochine C., Modenutti B.E.& Balseiro E.G. (2009) Chemical signals and habitat selection by
three zooplankters in Andean Patagonian ponds. Freshwater Biology 54: 480-494.
Trochine C., Modenutti B. & Balseiro E. (2006) Influence of spatial heterogeneity on the predation
of Mesostoma ehrenbergii (Focke) on calanoid and cyclopoid copepods. Journal of Plankton Research
28: 267-274.
Tyler J. A., Gilliam J. F. (1995) Ideal free distributions of stream fish: a model and test with
minnows, Rhinicthys atratulus. Ecology 76: 580-592.
Vadeboncoeur Y., Jeppesen E., Vander Zanden M. J., Schierup H.-H., Christoffersen K., Lodge
D.M. (2003) From Greenland to green lakes: Cultural eutrophication and the loss of benthic pathways
in lakes. Limnology and Oceanography 48(4): 1408-1411.
Van Donk E., van de Bund W.J. (2002) Impact of submerged macrophytes including charophytes
on phyto- and zooplankton communities: allelopathy versus other mechanisms Aquatic Botany 72:
261-274.
Vakkilainen K., Kairesalo T., Hietala J., Balayla D., Bécares E., Van de Bund W., Van Donk E.,
Fernández-Aláez M., Gyllström M., Hansson L.A., Miracle M.R., Moss B., Romo S., Rueda J., Stephen
D. (2004) Response of zooplankton to nutrient enrichment and fish in shallow lakes: a pan-European
mesocosm experiment. Freshwater Biology 49: 1619-1632.
Van de Meutter F., Stoks R., De Meester L. (2005) Spatial avoidance of littoral and pelagic
invertebrate predators by Daphnia. Oecologia 142: 489-499.
Vander Zanden M. J., Vadeboncoeur Y. (2002) Fishes as integrators of benthic and pelagic food
webs in lakes. Ecology 83: 2152-2161.
Walls M., Rajasilta M., Sarvala J., Salo J. (1990) Diel changes in horizontal microdistribution of
littoral Cladocera. Limnologica 20: 253-258.
Walseng B., Hessen D.O., Halvorsen G., Schartau A. K. (2006) Major contribution from littoral
crustaceans to zooplankton species richness in lakes. Limnology and Oceanography 51(6): 2600-2606.
Wetzel R.G. (2001) Limnology: Lake and River Ecosystems. W. B. Saunders. P. 151-167.
– 223 –
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
В.П. Семенченко, В.И. Разлуцкий. Факторы, определяющие суточное распределение…
Williams A.E., Moss B. (2003) Effects of different fish species and biomass on plankton interactions
in a shallow lake. Hydrobiologia 491: 331-346.
Williamson C.E. (1986) The swimming and feeding behavior of Mesocyclops. Hydrobiologia 134:
11-19.
Williamson C.E., Sanders R.W., Moeller R.E., Stutzman P.L. (1996) Utilization of subsurface food
resources for zooplankton reproduction: Implications for diel vertical migration theory. Limnology
and Oceanography 41: 224-233.
Winder M., Spaak P., Mooij W.M. (2004) Trade-offs in Daphnia habitat selection. Ecology 85:
2027-2036.
Wium-Andersen S., Christophersen C., Houen G. (1982) Allelopathic effects on phytoplankton by
substances isolated from aquatic macrophytes (Charales). Oikos 39: 187-190.
Wojtal A., Frankiewicz P., Izidorczyk K., Zalewski M. (2003) Horizontal migration of
zooplankton in a littoral zone of the lowland Sulejow Reservoir (Central Poland). Hydrobiologia
506-509: 339-346.
Factors Controlling Diurnal Distribution
and Migation of Zooplankton
in the Littoral Zone of Freshwater Lakes
Vitaliy P. Semenchenko and Vladimir I. Razlutskij
State Scientific and Production Amalgamation
Scientific-practical center of the National Academy
of Sciences of Belarus for biological resources
SPS NANB for bioresouses
27 Akademicheskaya st., Minsk, 220072 Belarus
Species diversity of zooplankton in the littoral zone of lakes is higher than pelagic zone due to presence
of the genus Chydoridae и Macrotricidae. The most of cladoceran species which are considered as
pelagic are typical in the littoral zone. Higher diversity is determined by heterogeneity of littoral
habitats. Fish and invertebrate predator pressure are the main factor influencing on diurnal distribution
and migration of zooplankton. In the different lakes phytoplankton abundance may increase as in a
direction to the pelagic of water-body and wise versa. The influence of macrophyte metabolites on
development of the different phytoplankton species may be both negative and positive. Metabolite
concentrations in the natural condition are sufficient to effect directly on zooplankton and other
animals. Experiments show that cladocerans avoid macrophyte beds in the absence other signals. In
the temperate zone zooplankton migrate in the daytime toward macrophyte beds in the presence of fish
kairomones and wise versa in subtropical lakes. Daphnia avoids macrophytes even in the presence of
predator cues. Its may be explained by the higher abundance of planktivorous fish and invertebrate
predators especially in macrophyte beds of subtropical lakes. macrophyte beds are a good refuge
for zooplankton which may control phytoplankton bloom in temperate lakes even under nutrient
enrichment. In the low latitudes only submerged vegetation give a weak refuge for zooplankton under
strong pressure of predators which have high density in the all habitats. Fish graze preferably of largebody species and small zooplankton cannot provide clear-water control. Furthermore, the differences
in fish pressure leads mainly to horizontal zooplankton migrations in the temperate lakes and vertical
– 224 –
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
В.П. Семенченко, В.И. Разлуцкий. Факторы, определяющие суточное распределение…
migrations in the subtropical shallow lakes. Cardinal distinctions in functioning water communities in
lakes of different climatic zones may be a basis for the prognosis of possible consequences of global
warming.
Keywords: zooplankton, Cladocera, migrations, food quality, macrophytes, predators.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Journal of Siberian Federal University. Biology 2 (2009 2) 226-236
~~~
УДК 581.2.002
Оценка токсичности тяжелых металлов
для водного растения Elodea canadensis
a
Т.А. Зотинаa,b, *, Н.А. Гаевскийb, Е.А. Радионоваb
Институт биофизики Сибирского отделения Российской академии наук,
Россия 660036, Красноярск, Академгородок
b
Сибирский федеральный университет,
Россия 660041, Красноярск, пр. Свободный, 79 1
Received 1.06.2009, received in revised form 8.06.2009, accepted 15.06.2009
В лабораторных экспериментах оценивали действие тяжелых металлов (Сu, Mn, Co, Ni, Zn)
на физиологические показатели погруженного водного растения Elodea сanadensis: состояние
фотосинтетического аппарата по изменению сигнала эпифлуоресценции хлорофилла;
фототаксис хлоропластов; катионную проницаемость клеточных мембран, по выходу ионов
калия из клеток. Эксперименты показали, что по чувствительности к тяжелым металлам
(скорости проявления токсического эффекта) тест-реакции можно ранжировать следующим
образом: флуоресценция хлорофилла > фототаксис хлоропластов > выход К+ из клеток. По
чувствительности фототаксиса хлоропластов, как наиболее интегральной реакции из трех
исследованных, металлы можно ранжировать следующим образом: Mn<Ni<Co<Cu≤Zn.
Ключевые слова: катионная проницаемость клеточных мембран; тяжелые металлы;
фототаксис хлоропластов; эпифлуоресценция хлорофилла, Elodea сanadensis.
Введение
Водные экосистемы подвергаются загрязнению тяжелыми металлами в результате природных и техногенных процессов.
Источником поступления тяжелых металлов
в экосистему реки Енисей является крупный промышленно-коммунальный комплекс
г. Красноярска. Многие тяжелые металлы
относятся к жизненно важным элементам,
которые выполняют структурную и регуляторную функции. Водные растения, как
и большинство других биологических объектов различного уровня организации, проявляют избирательную чувствительность к
тяжелым металлам. Для оценки токсично*
1
сти вод широко используется ряска Lemna
spp. (Moody, Miller, 2005; Horvat et al., 2007)
и значительно реже погруженные макрофиты
(Elodea canadensis, Myriophyllym spicatum и
др.) (Малёва и др., 2004; Sanchez et al., 2007;
Knauer et al., 2008). E. canadensis Michx относится к числу наиболее чувствительных к тяжелым металлам погруженных макрофитов
(Küpper et al., 1996). Перечень тест-функций
и тест-параметров, применяемых для оценки токсичности поллютантов, включает показатели роста, интенсивность фотосинтеза
и состояние фотосинтетического аппарата,
морфологические характеристики, цитогенетические показатели, а также различные
Corresponding author E-mail address: t_zotina@ibp.ru
© Siberian Federal University. All rights reserved
– 226 –
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Т.А. Зотина, Н.А. Гаевский… Оценка токсичности тяжелых металлов для водного растения Elodea canadensis
специфические реакции водных растений
(Цаценко, Малюга, 1998; Болсуновский и др.,
2007; Küpper et al., 1998; Moody, Miller, 2005;
Esposit et al., 2007; Horvat et al., 2007; Arts et
al., 2008). К числу наиболее экспрессных и
интегральных показателей оценки физиологического состояния растений можно отнести
фототаксис хлоропластов в листьях, флуоресценцию хлорофилла и проницаемость клеточных мембран. Элодея относится к видам,
морфология которых позволяет наблюдать и
количественно оценивать реакцию фототаксиса хлоропластов под световым микроскопом. Это растение является типичным представителем флоры реки Енисей (Zotina, 2008)
и космополитом в водоемах северного полушария нашей планеты.
Цель данной работы – сравнить чувствительность физиологических реакций у Elodea
canadensis к тяжелым металлам и оценить
перспективы дальнейшего использования
этого вида для оценки качества вод.
Материалы и методы
Образцы Elodea canadensis собирали
в прибрежной зоне реки Енисей в пределах
г. Красноярска, выше сброса коммунальных
стоков. До проведения экспериментов растения адаптировали в аквариуме с отстоянной
водопроводной водой в течение 4-5 дней при
температуре 19-20 оС и освещении люминесцентными лампами (2 кЛк на поверхности
воды) с фотопериодом 14 часов свет, 10 часов
темнота.
Для экспериментов использовали апикальные побеги длиной 3 см. Экспозицию в
среде с тяжелыми металлами проводили при
естественном освещении и фотопериоде при
11-часовом световом дне у северного окна.
Температура воды составляла 18-20 оС.
Растения подвергали воздействию металлов в растворах: марганца сернокислого
(MnSO4·5H2O),никеля хлористого(NiCl2·6H2O),
кобальта азотнокислого (Со(NO3)2·6H2O), меди
сернокислой (CuSO4·5H2O) и цинка сернокислого (ZnSO4·7H2O), приготовленных на дистиллированной воде в концентрациях 0,001;
0,01; 0,1; 1; 10 и 100 мг/л. В стакан с 50 мл исследуемого раствора помещали по 3 апикальных побега.
Перед исследованием фототаксиса хлоропластов стаканы с побегами элодеи выдерживали в темноте в течение 15-30 минут.
Фототаксис наблюдали на клетках верхней
поверхности листьев под световым микроскопом МИКМЕД-2 (Ломо, Россия) при увеличении в 600 раз. Лист отделяли от побега, помещали под покровное стекло и выдерживали на
предметном столике микроскопа при включенной лампе нижней подсветки в течение 3-5
минут. В норме при интенсивном освещении
хлоропласты принимали парастрофное положение (перпендикулярное лучам падающего
света), отходили к краям клетки и совершали
циклическое движение по периметру клетки.
Долю активных хлоропластов рассчитывали
как отношение числа хлоропластов, принявших парастрофное положение и отошедших к
краям клетки, к общему числу хлоропластов
в клетке. Для каждой концентрации просматривали по 10 произвольно выбранных клеток на одном листе, в одной или трех повторностях.
Для измерения эпифлуоресценции хлорофилла лист элодеи помещали под покровное стекло и вносили каплю гербицида симазина (C7H12ClN5, 10 -5 М), блокирующего
нециклический транспорт электронов между
двумя фотосистемами. Эпифлуоресценцию
измеряли с помощью микроскопа Люмам-И и
ФМЭЛ (ЛОМО, Россия) при возбуждении светом с длиной волны 410 нм в круге диаметром
45 мкм при среднем размере клеток 60 х 70
мкм. На каждом листе измеряли по 10 полей
– 227 –
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Т.А. Зотина, Н.А. Гаевский… Оценка токсичности тяжелых металлов для водного растения Elodea canadensis
при произвольном перемещении препарата, в
одной или трех повторностях.
Нарушение проницаемости клеточных
мембран оценивали по выходу ионов калия
в окружающий раствор. Концентрацию калия в воде измеряли на пламенном фотометре
FLAPHO-4 (Karl Zeiss, Jena) в двух повторностях для каждой концентрации металла. Измерения содержания калия в воде выполнены
аналитической лабораторией Института биофизики СО РАН.
Результаты представлены как средние
или средневзвешенные значения. Достоверность различий средних сравнивали по
t-критерию Стьюдента.
Результаты
Влияние металлов
на фототаксис хлоропластов
На рис. 1 (а-д) отражена доля способных
к фототаксису (активных) хлоропластов в
клетках листьев элодеи при различных концентрациях ионов тяжелых металлов в окружающем растворе. Через 1 час после начала
воздействия полное ингибирование фототаксиса наблюдалось в присутствии всех металлов в концентрациях 10 и 100 мг/л, кроме марганца. При концентрациях марганца 100 и 10
мг/л доля активных хлоропластов снижалась
на 63 и 34 % соответственно. При концентрации металлов 1 мг/л через 1 час наблюдалось
снижение числа активных хлоропластов на
20-40 % в присутствии никеля, кобальта и
цинка. При более низких концентрациях металлов ингибирования фототаксиса не зарегистрировано.
Через 24 часа было ингибирование фототаксиса у 40 – 80 % хлоропластов при самой
низкой из изученных концентраций металлов (0,001 мг/л) в присутствии всех металлов,
кроме марганца. Через 48 часов полное ингибирование фототаксиса зарегистрировано в
присутствии меди, кобальта, никеля и цинка
при концентрации 0,001 мг/л.
Влияние металлов на эпифлуоресценцию
хлорофилла «а»
Исследование динамики флуоресценции
хлорофилла показало, что уже через одну минуту после начала воздействия ионов меди в
концентрации 100 мг/л сигнал эпифлуоресценции снижается на 30 % по сравнению с
контролем, через 10 минут - на 80 % до стационарного значения, которое не изменяется
в течение следующего часа (рис. 2).
Достоверное снижение флуоресценции
хлорофилла под действием всех протестированных металлов регистрировалось раньше,
чем ингибирование фототаксиса. Так, при
концентрациях металлов 0,001-0,01 мг/л через
час не было достоверного ингибирования фототаксиса (рис. 1), но отмечено достоверное
(Р < 0,05) снижение сигнала флуоресценции
в присутствии всех металлов (рис. 3). При более высоких концентрациях металлов (за исключением марганца) сигнал эпифлуоресценции снижался до минимальных значений, на
уровне порога детектирования, эти значения
не приведены на рисунке. Через 24 и 48 часов
наблюдалось дальнейшее снижение сигнала
эпифлуоресценции хлорофилла «а» в присутствии всех металлов (рис. 3).
Выход ионов калия из клеток
Концентрация калия в воде в контроле
через 1 час была ниже предела обнаружения
(рис. 4). В некоторых экспериментальных
вариантах измерений концентраций калия в
растворе проведено не было, соответствующие столбики отсутствуют на рис. 4. Через
час после начала воздействия тяжелых металлов наиболее значительный выход калия в
воду из клеток элодеи зарегистрирован только
при самой высокой концентрации металлов
– 228 –
Ⱦɨɥɹ ɚɤɬɢɜɧɵɯ
ɯɥɨɪɨɩɥɚɫɬɨɜ, %
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
120
100
80
60
40
20
0
100
98
100
99
ɚ
100
1 ɱɚɫ
51
24 ɱɚɫɚ
48 ɱɚɫɨɜ
6
0
Ʉɨɧɬɪɨɥɶ
0.001
0
0
0.01
2
0
0.1
1
0
0 0
10
100
2+
Ʉɨɧɰɟɧɬɪɚɰɢɹ Cu , ɦɝ/ɥ
Ⱦɨɥɹ ɚɤɬɢɜɧɵɯ
ɯɥɨɪɨɩɥɚɫɬɨɜ, %
120
100
100
95
ɛ
86
80
60
40
20
0
0
Ʉɨɧɬɪɨɥɶ
0.001
0.01
0
0.1
0
1
0
10
100
2+
Ⱦɨɥɹ ɚɤɬɢɜɧɵɯ
ɯɥɨɪɨɩɥɚɫɬɨɜ, %
Ʉɨɧɰɟɧɬɪɚɰɢɹ Zn , ɦɝ/ɥ
120
100
80
60
40
20
0
100
100
98
54
18
0
Ʉɨɧɬɪɨɥɶ
0
0.001
0
0.01
Ⱦɨɥɹ ɚɤɬɢɜɧɵɯ
ɯɥɨɪɨɩɥɚɫɬɨɜ, %
100
100
99
57
Ʉɨɧɬɪɨɥɶ
0.001
0 0
1
10
0 0
100
2+
, ɦɝ/ɥ
ɝ
99
63
55
36
49
0
0.1
Ʉɨɧɰɟɧɬɪɚɰɢɹ Co
120
100
80
60
40
20
0
ɜ
77
98
0.01
60
0.1
0
0 0
1
10
0 0
100
2+
Ⱦɨɥɹ ɚɤɬɢɜɧɵɯ
ɯɥɨɪɨɩɥɚɫɬɨɜ, %
Ʉɨɧɰɟɧɬɪɚɰɢɹ Ni , ɦɝ/ɥ
120
100
80
60
40
20
0
100
100 91
100
0.01
75
99
66
97
ɞ
37
26
Ʉɨɧɬɪɨɥɶ
100
75
15
0.1
1
10
100
2+
Ʉɨɧɰɟɧɬɪɚɰɢɹ Mn , ɦɝ/ɥ
Рис. 1. Доля активных хлоропластов в клетках при различных концентрациях металлов в воде через 1,
24 и 48 часов экспонирования (на столбиках нанесены значения стандартных отклонений средних, SD,
n=30)
Ɏɥɭɨɪɟɫɰɟɧɰɢɹ ɯɥ."ɚ", ɭɫɥ.ɟɞ.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
3500
3000
2500
2000
1500
1000
500
0
0
1
10
15
20
30
60
ȼɪɟɦɹ, ɦɢɧ
Рис. 2. Динамика эпифлуоресценции хлорофилла «а» листьев (усл. ед.) при концентрации ионов меди (100
мг/л), приводящей к полному ингибированию фототаксиса через 1 час (на столбиках нанесены значения
стандартных отклонений средних, SD, n=10)
ɗɩɢɮɥɭɨɪɟɫɰɟɧɰɢɹ
ɯɥ. "ɚ", ɭɫɥ. ɟɞ.
1 ɱɚɫ
Mn
Ni
Co
Cu
Zn
1200
1000
800
600
400
200
0
Ʉɨɧɬɪɨɥɶ
0.001
0.01
0.1
Ʉɨɧɰɟɧɬɪɚɰɢɹ ɦɟɬɚɥɥɚ, ɦɝ/ɥ
ɗɩɢɮɥɭɨɪɟɫɰɟɧɰɢɹ
ɯɥ. "ɚ", ɭɫɥ. ɟɞ.
24 ɱɚɫɚ
1200
1000
800
600
400
200
0
Ʉɨɧɬɪɨɥɶ
0.001
0.01
0.1
ɗɩɢɮɥɭɨɪɟɫɰɣɟɧɰɢɹ
ɯɥ. "ɚ", ɭɫɥ. ɟɞ.
Ʉɨɧɰɟɧɬɪɚɰɢɹ ɦɟɬɚɥɥɚ, ɦɝ/ɥ
48 ɱɚɫɨɜ
1200
1000
800
600
400
200
0
Ʉɨɧɬɪɨɥɶ
0.001
0.01
0.1
Ʉɨɧɰɟɧɬɪɚɰɢɹ ɦɟɬɚɥɥɚ, ɦɝ/ɥ
Рис. 3. Эпифлуоресценция хлорофилла «а» листьев (усл. ед.) в присутствии ионов металлов в воде через 1, 24
и 48 часов экспонирования (на столбиках нанесены значения стандартных отклонений средних, SD, n=10)
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Ʉɨɧɰɟɧɬɪɚɰɢɹ Ʉ+ ɜ ɜɨɞɟ,
ɦɝ/ɥ
1 ɱɚɫ
10
20
8
ɋu
6
Mn
Ni
4
ɋɨ
2
Zn
0
Ʉɨɧɬɪɨɥɶ
0.001
0.01
0.1
1
10
100
Ʉɨɧɰɟɧɬɪɚɰɢɹ Ʉ+ ɜ ɜɨɞɟ,
ɦɝ/ɥ
Ʉɨɧɰɟɧɬɪɚɰɢɹ ɦɟɬɚɥɥɚ, ɦɝ/ɥ
24 ɱɚɫɚ
14
30
12
10
8
6
4
2
0
Ʉɨɧɬɪɨɥɶ
0.001
0.01
0.1
1
10
100
10
100
Ʉɨɧɰɟɧɬɪɚɰɢɹ ɦɟɬɚɥɥɚ, ɦɝ/ɥ
Ʉɨɧɰɟɧɬɪɚɰɢɹ Ʉ+ ɜ ɜɨɞɟ,
ɦɝ/ɥ
48 ɱɚɫɨɜ
8
6
4
2
0
Ʉɨɧɬɪɨɥɶ
0.001
0.01
0.1
1
Ʉɨɧɰɟɧɬɪɚɰɢɹ ɦɟɬɚɥɥɚ, ɦɝ/ɥ
Рис. 4. Концентрация ионов калия в воде при различных концентрациях ионов металлов через 1 час,
24 часа и 48 часов воздействия на элодею. Концентрация калия в контроле через один час была ниже
предела обнаружения (пояснения см. в тексте)
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Т.А. Зотина, Н.А. Гаевский… Оценка токсичности тяжелых металлов для водного растения Elodea canadensis
(100 мг/л), кроме марганца и цинка. Через 24
часа наблюдался значительный выход калия
в воду при концентрациях металлов (Ni, Co,
Zn) 0,1-10 мг/л. Через 48 часов существенный
выход калия из клеток зарегистрирован при
концентрации ионов кобальта, меди и цинка
0,01 мг/л. Таким образом, выход калия из клеток регистрировался позже, чем полное ингибирование фототаксиса (рис. 1) в присутствии
всех протестированных металлов.
Обсуждение
под действием тяжелых металлов происходит
быстрее, чем ингибирование фототаксиса
хлоропластов. Однако при летальных концентрациях металлов сигнал эпифлуоресценции
снижается не до нулевого значения (рис. 2),
в отличие от реакции фототаксиса (рис. 1).
Одним из основных достоинств реакции фототаксиса с точки зрения биотестирования
является, на наш взгляд, отсутствие необходимости контроля. Как известно, при благоприятных условиях фототаксис хлоропластов
должен быть стопроцентным. И наоборот,
Флуоресценция хлорофилла широко используется для биотестирования как показатель активности фотосинтетического аппарата
водных растений (Küpper et al., 1996; Drinovec
et al., 2004), эпифлуоресцентная микроскопия
нашла применение для детектирования комплексов хлорофилла с тяжелыми металлами
in vivo (Küpper at al., 1998). Экспериментально
доказано, что снижение флуоресценции хлорофилла под действием тяжелых металлов происходит в результате замещения ионов магния
в молекуле хлорофилла «а» с образованием
комплексов «тяжелый металл-хлорофилл»
(ТМ-chl) (Küpper et al., 1998).
В отличие от флуоресценции, реакция
фототаксиса хлоропластов используется для
биотестирования редко и в основном для ряски (Цаценко, Малюга, 1988). Экспериментально показано, что перемещение хлоропластов в клетках ряски под действием света
происходит в результате не только влияния
света на фотосинтез и дыхание (Witztum et
al., 1979). Движение хлоропластов в клетках
включает участие актин-миозиновых белков,
АТФ, фотосинтеза и других процессов (von
Braun, Schleiff, 2007). Поэтому, по сравнению
с эпифлуоресценцией, фототаксис более интегральная реакция.
Наши эксперименты показали, что достоверное снижение сигнала эпифлуоресценции
летальный эффект сопровождается полным
прекращением фототаксиса.
В табл. 1 приведены пороговые концентрации металлов, при которых наблюдалось
полное ингибирование фототаксиса через
разные временные интервалы. На основе
полученных данных можно ранжировать
металлы по степени их токсичности для
элодеи. Так, через 1 час после начала воздействия цинк оказывает наиболее сильный
токсический эффект (Mn<Ni<Co<Cu<Zn),
через 24 часа эффекты цинка и меди сравнимы Mn<Ni<Co<Cu=Zn; через 48 часов
становятся сравнимыми эффекты кобальта,
меди и цинка (Mn<Ni<Co=Cu=Zn). Вероятно,
токсический эффект от действия разных металлов достигал своего максимума с разной
скоростью. На всем интервале воздействия
марганец был наименее токсичным для элодеи. Интенсивность ингибирования эпифлуоресценции согласуется с результатами для
фототаксиса. Однако для сигнала эпифлуоресценции не удается получить достоверных
отличий из-за большого диапазона значений
в пределах одного препарата. Другие исследователи также отмечают значительную
разницу сигнала эпифлуоресценции у клеток элодеи на одном и том же препарате, что
объясняется неравномерным распределением ионов металлов по поверхности растений
– 232 –
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Т.А. Зотина, Н.А. Гаевский… Оценка токсичности тяжелых металлов для водного растения Elodea canadensis
Таблица 1. Пороговые концентрации металлов, при которых наблюдается полное ингибирование
фототаксиса хлоропластов элодеи через разные временные интервалы.
Время воздействия
металла, час
Концентрация металла, мг/л
Mn
Ni
Co
Сu
Zn
1
>100
10
10
10
0,1
24
>100
1
0,1
0,01
0,01
1
0,1
<0,001
<0,001
<0,001
0,01
0,01
0,001
0,001
0,01
48
ПДК (Перечень…, 1999)
и, соответственно, разной реакцией клеток
(Küpper et al., 1998).
Сравнение показывает (табл. 1), что при
центными методами. В наших экспериментах
ингибирование фототаксиса в присутствии
ионов цинка происходило быстрее, чем в при-
концентрациях металлов, равных ПДК для
водоемов, имеющих рыбохозяйственное значение (Перечень…., 1999), полное ингибирование фототаксиса зарегистрировано для
меди, кобальта и цинка. Концентрации тяжелых металлов, сравнимые с величинами ПДК
(меди, цинка и марганца) и превышающие
ПДК (никеля и кобальта), регистрируются в
воде реки Енисей вблизи Красноярска (Анищенко и др., 2009).
Медь считается одним из наиболее токсичных металлов для водных растений. В
экспериментах (Малёва и др., 2004) ионы
меди вызывали более сильное снижение концентрации пигментов в листьях элодеи, чем
ионы никеля. Однако в целом влияние этих
металлов на фотосинтез было сравнимым.
Ингибирование фотосинтеза элодеи под
действием меди происходило быстрее и при
меньших концентрациях, чем в присутствии
цинка (Küpper et al., 1996). Однако позднее
теми же авторами было экспериментально
показано, что в клетках, погибших в присутствии меди, сигнал флуоресценции прекращается быстрее, чем в случае гибели клеток
в присутствии цинка, т.к. комплекс Cu-сhl не
флуоресцирует, а комплекс Zn-chl сохраняет
слабую флуоресценцию (Küpper et al., 1998).
Отсюда могут происходить артефакты при
оценке интенсивности фотосинтеза флуорес-
сутствии меди. Возможно, здесь также существует опосредованная связь с регуляторной
ролью цинка в движении клеточных органелл
(von Braun, Schleiff, 2007).
В наших экспериментах при концентрациях меди 10 мг/л наблюдалось полное
ингибирование фототаксиса через один час.
В экспериментах с элодеей канадской, проведенных Р.А. Мухамадияровым (1991), при
концентрациях ионов меди того же порядка
наблюдалось накопление малонового диальдегида – продукта перекисного окисления
липидов в тканях растения, содержание которого в тканях через 1 час стабилизировалось на уровне в 5 раз большем, чем в контроле.
Перекисное окисление липидов приводит к нарушению проницаемости клеточных
мембран. Одним из показателей нарушения
целостности клеточных мембран является
выход электролитов из клеток (ионов натрия
и калия) (Brown, Wells, 1990). В экспериментах Р.А.Мухамадиярова (1991) при концентрации меди 50 мг/л достоверно регистрировался выход электролитов из клеток элодеи.
При более низких концентрациях эффект
был нестабильным. Аналогичный эффект
наблюдался и в наших экспериментах. Существенный выход калия в воду у нас был
через 1 час только при самой высокой кон-
– 233 –
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Т.А. Зотина, Н.А. Гаевский… Оценка токсичности тяжелых металлов для водного растения Elodea canadensis
центрации металлов (100 мг/л). При этом фототаксис был полностью ингибирован. При
более низких концентрациях, приводящих к
снижению флуоресценции и ингибированию
фототаксиса, выход ионов калия происходил
с существенным запаздыванием, по сравнению с двумя другими реакциями (рис. 4), что
снижает информативность такого параметра, как выход калия, при относительно низких концентрациях металлов, приводящих
к ингибированию фототаксиса и снижению
сигнала флуоресценции. Результаты, полученные с помощью регистрации эпифлуоресценции, согласуются с реакцией фототаксиса хлоропластов на относительно коротком
временном интервале. Поэтому обе реакции
могут быть использованы для экспрессной
оценки физиологического состояния элодеи
и оценки отклика растения на присутствие
тяжелых металлов в воде. Эксперименты
показали, что снижение эпифлуоресценции хлорофилла происходит раньше, чем
ингибирование фототаксиса хлоропластов
(рис. 1, 3). Следовательно, эпифлуоресцен-
ция наиболее чувствительная тест-реакция
из трех исследованных по скорости проявления эффекта.
Заключение
По чувствительности к тяжелым металлам исследованные тест-реакции можно
ранжировать в порядке убывания скорости
реакции: эпифлуоресценция хлорофилла >
фототаксис хлоропластов > выход К+ из клеток.
Фототаксис хлоропластов наряду с эпифлуоресценцией хлорофилла «а» листьев является приемлемой тест-реакцией для оценки
токсичности тяжелых металлов для элодеи
в силу своей интегральности и возможности
выполнения экспресс-оценки.
По токсичности для фототаксиса хлоропластов в листьях элодеи, как наиболее интегральной реакции из трех исследованных,
для используемых экспериментальных условий металлы можно ранжировать следующим образом в порядке усиления эффекта:
Mn<Ni<Co<Cu≤Zn.
Список литературы
Анищенко О.В., Гладышев М.И., Кравчук Е.С. и др. (2009) Распределение и миграция металлов в трофических цепях экосистемы реки Енисей в районе г. Красноярска. Водные ресурсы. 36(5): 623-632
Болсуновский А.Я., Муратова Е.Н., Суковатый А.Г. и др. (2007) Радиоэкологический мониторинг реки Енисей и цитогенетические характеристики водного растения Elodea canadensis //
Радиационная биология. Радиоэкология. 47: 63-73
Малёва М.Г., Некрасова Г.Ф., Безель В.С. (2004) Реакция гидрофитов на загрязнение среды
тяжелыми металлами // Экология. 4: 266-272
Мухамадияров Р.А. (1991) Влияние солей тяжелых металлов на клетки пресноводных растений: Дисс. … канд. биол. наук. Томск, 174 с.
Перечень рыбохозяйственных нормативов: предельно допустимых концентраций (ПДК) и
ориентировочно безопасных уровней воздействия (ОБУВ) вредных веществ для воды водных
объектов, имеющих рыбохозяйственное значение. (1999) Изд-во ВНИРО, М., 304 с.
Цаценко Л.В., Малюга Н.Г. (1998) Чувствительность различных тестов на загрязнение
воды тяжелыми металлами и пестицидами с использованием ряски малой Lemna minor L //
Экология. 5: 407-409.
– 234 –
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Т.А. Зотина, Н.А. Гаевский… Оценка токсичности тяжелых металлов для водного растения Elodea canadensis
Arts G.H.P., Belgers J.D.M., Hoekzema C.H., Thissen J.T.N.M. (2008) Sensitivity of submerged
freshwater macrophytes and endpoints in laboratory toxicity tests. Environ. Pollut. 153 (1): 199-206.
Brown D.Y., Wells J.M. (1990) Physiological effects of heavy metals on the moss Rhytidiadelphys
squarrosus. Ann. Bot. 66: 641-647.
Drinovec L., Drobne D., Jerman I., Zrimec A. (2004) Delayed fluorescence of Lemna minor: a
biomarker of the effects of copper, cadmium, and zinc. Bull. Environ. Contam. Toxicol. 72 : 896-902.
Esposit S., Cobianchi R.C., Sorbo S., Conte B., Basile A. (2007) Ultrastructural alterations and
HSP 70 induction in Elodea canadensis Michx. еxposed to heavy metals. Caryologia 60 (1-2): 115120.
Horvat T., Vidakovic-Cifrek Z., Orescanin V., Tkalec M., Pevalek-Kozlina B. (2007) Toxicity
assessment of heavy metal mixtures by Lemna minor L. Sci. Тotal. Еnviron. 384 (1-3): 229-238.
Kahkonen M., Pantsar-Kallio M., Manninen P.G.K. (1997) Analyzing heavy metal concentration
in the different parts of Elodea сanadensis and surface sediment with PCA in two boreal Lakes in
Southern Finland. Chemosphere 35: 2645-2656.
Knauer K., Mohr S., Feiler U. (2008) Comparing growth development of Myriophyllum spp. in
laboratory and field experiments for ecotoxicological testing. Environ. Sci. Pollut. R. 15 (4): 322-331.
Küpper H., Küpper F., Spiller V. (1996) Environmental relevance of heavy metal-substituted
chlorophylls using the example of water plants. J. Exp. Bot. 47: 259-266.
Küpper H., Küpper F., Spiller V. (1998) In situ detection of heavy metal substituted chlorophylls
in water plants. Photosynth. Res. 58: 123-133.
Moody M., Miller J. (2005) Lemna minor growth inhibition test. In: Blaise C., Ferard J.-F. (eds.)
Small-scale freshwater toxicity investigations, vol. 1. Springer, Netherlands, p. 271-298
von Braun S.S., Schleiff E. (2007) Movement of endosymbiotic organelles. Curr. Protein Pept. Sc.
8 (5): 426-438.
Witztum A., Posner H.B., Gower R.A. (1979) Phototactic chloroplast displacement in the
photosynthetic mutant, Lemna paucicostata strain 1073. Ann. Bot. 44: 1-4.
Zotina T.A. (2008) The biomass of macrophytes at several sites of the upper reaches of the Yenisei
River. Journal of Siberian Federal University. Biology. 1 (1): 102-108.
The Estimation of Toxicity of Heavy Metals for Aquatic Plant
Elodea Canadensis
Tatiana A. Zotinaa,b,
Nicolai A. Gaevskyb and Elena A. Radionovab
a
Institute of Biophysics of Siberian Branch of Russian Academy of Science,
Akademgorodok, Krasnoyarsk, 660036, Russia
b
Siberian Federal University, Svobodny av., 79, Krasnoyarsk, 660041 Russia
The effect of heavy metals (Сu, Mn, Co, Ni, Zn) of physiology of submerged aquatic plant Elodea
сanadensis: photosynthesis (chlorophyll epifluorescense); phototactic chloroplast displacement;
plasmalemma permeability (K+ - leakage), was estimated in laboratory experiments. On the sensitivity
– 235 –
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Т.А. Зотина, Н.А. Гаевский… Оценка токсичности тяжелых металлов для водного растения Elodea canadensis
to heavy metals the tested parameters could be ranged as follows: chlorophyll epifluorescens >
phototaxis of chloroplasts > K+ - leakage from cells. According to the total inhibition for phototaxis of
chloroplasts (as most integral and express parameter) the heavy metals could be ranged as follows:
Mn<Ni<Co<Cu≤Zn.
Keywords: chlorophyll epifluorescence, Elodea canadensis, heavy metals, K+ leakage, phototaxis of
chloroplasts, toxicity
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Journal of Siberian Federal University. Biology 2 (2009 2) 237-247
~~~
УДК 574.2
Spatial and Temporal Dynamics of Anabaena flos-aquae Akinetes
in Bottom Sediments of a Small Siberian Reservoir
a
Elena S. Kravchuka* and Elena A. Ivanovaa,b
Institute of Biophysics of Siberian Branch of Russian Academy of Sciences,
Akademgorodok, Krasnoyarsk, 660036 Russia
b
Siberian Federal University,
79 Svobodny, Krasnoyarsk, 660041 Russia 1
Received 1.06.2009, received in revised form 8.06.2009, accepted 15.06.2009
Spatial distribution of akinetes of Anabaena flos-aquae (cyanobacteria) in littoral bottom sediments
of a small Siberian reservoir was studied. Akinete abundance in bottom sediments is found to be
related with type of sediments and presence of higher water plants. The highest abundance of akinetes
was observed in silty sediments at stations located in higher plants bed (mainly emerged plants
Typha latifolia L. and Phragmites australis (Cav.) Trin. ex Steud.). These results demonstrate that
macrophyte beds could increase the size of the potential cyanobacterial inoculum by accumulation
of akinetes in shallow bottom sediments and, as a result, favour cyanobacterial bloom development.
In addition, seasonal dynamics of Anabaena flos-aquae, including vegetative cells and akinetes, in
bottom sediments and water column in open water and littoral of the reservoir was studied. Dynamics
of Anabaena abundance in the water column at the central station and littoral stations were very
similar, but the number of cells in the littoral achieved higher year maximum than that at the central
station. The highest seasonal peak of vegetative cells and akinetes in the water column was observed at
the littoral station, located in emerged higher plants bed. However, at this part of the reservoir lowest
intensity of akinete production was recorded. Deposition of akinetes to bottom sediments occurred
both in open water and littoral. Nevertheless, seasonal dynamics of akinetes in bottom sediments
differed between these sites. At the central station accumulation of akinetes in bottom sediments
occurred throughout the summer, but in the littoral abundance of akinetes decreased just after their
sedimentation. Hence, abundance of akinetes in the littoral sediments of the reservoir is markedly
lower than that in the deeper central part.
Keywords: Cyanobacteria, akinetes, resting stages, water bloom
Introduction
Harmful freshwater cyanobacterial blooms
is an increasing problem that impact human and
animal health, water quality and recreation (Paerl
et al., 2001). Many bloom-forming cyanobacteria
during unfavorable growth conditions persist
in bottom sediments as resting stages (akinetes
*
1
or dormant colonies). Importance of migration
of the resting stages from the sediments for
development of planktonic populations is still
debatable. However, in some cases resting
stages in bottom sediments represent potentially
significant inocula for subsequent development
of pelagic populations (Baker, 1999; Head et al.,
Corresponding author E-mail address: kravchuk@ibp.krasn.ru
© Siberian Federal University. All rights reserved
– 237 –
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Elena S. Kravchuk, Elena A. Ivanova. Spatial and Temporal Dynamics of Anabaena flos-aquae Akinetes…
1999). It was found (Sirenko, 1978; Tsujimura et
al., 2000), that the time of bloom formation is
related to the quantity of Microcystis colonies in
the sediment, i.e. if the quantity of new inoculum
from the sediment is very large, the bloom will be
formed earlier. Tsujimura and Okubo (2003) also
presumed that the probability of bloom formation
will be enhanced by the extent of sediment
inoculations, since in the water column species
which have benthic (resting) stage may have a
competitive advantage over those species which
do not. It was shown that there is relation between
number of resting stages in bottom sediments and
extent of Anabaena flos-aquae (Lyngb.) Breb.
predominance in phytoplankton community
(Kravchuk et al., 2007).
The littoral was found to be the main site
for recruitment of cyanobacteria, probably due
to higher temperature, more light, and more
sediment mixing than at profundal sites (Head
et al., 1999; Karlsson-Elfgren and Brunberg,
2004; Rengefors et al., 2004). Hence, it seems
important to obtain more information on the
spatial distribution of the resting stages in littoral
bottom sediments, as well as the possible factors
influencing the distribution. However, limited
studies have attempted to quantify the resting
stages in littoral sediments and to find the sites
where resting stages accumulate constituting a
«seed bank» for later bloom development. The
purpose of the present study was to investigate
the spatial distribution and seasonal dynamics
of akinetes of cyanobacteria Anabaena flosaquae in a small Siberian reservoir to elucidate
the process of akinete accumulation in littoral
bottom sediments.
The study site
Bugach reservoir (locally called as Bugach
pond) is situated 56°03’N and 92°43’E in the
vicinity of the Krasnoyarsk city (Siberia,
Russia) (Fig. 1). It is located in the Bugach river
(secondary tributary of the Yenisei River). The
reservoir has a surface area of about 0.32 km 2, its
maximum depth of 7 m and mean depth of about
2 m. Water retention time in the reservoir is about
160 days. The reservoir is used for recreation and
fishing. Detailed descriptions of the reservoir
ecosystem are given elsewhere (Sushchik et al.,
2004; Dubovskaya et al., 2003; Kalachova et al.,
2004).
Methods
In order to investigate the distribution of
akinetes in the littoral zone of the reservoir,
samples of bottom sediments were taken in May
and June 2002 (Fig. 1, stations denoted a) and
on 16 October 2002 (Fig. 1, stations denoted b).
Stations 1ab, 4a-6a and 7b-11b were located at the
higher plant bed (see Table 1, 2). In April 2003 an
additional sample was taken at a littoral station
3a (Fig. 1).
Four stations were sampled to study the
seasonal dynamics of akinetes of A. flos-aquae in
the reservoir (Fig. 1). Samples were taken weekly
from May to September 2001-2004 at a site near
the middle (central station 1; depth, ca. 4 m) and
in 2003-2004 in the littoral at the western shore
(littoral station 2; depth, ca. 0.1-0.5 m). The site
at western shore was chosen for regular sampling
because it is located in open windward place
and has no surface scums of bloom-forming
cyanobacteria. In May-September 2004 samples
were collected twice per month at a stream mouth
at the west shore of the reservoir (littoral station
3; depth, ca. 0.5 m) and at the east shore of the
reservoir (station 4; depth, ca. 1.5 m) (Fig. 1).
Station 4 was at the leeward shore of the reservoir
and accumulation of buoyant cyanobacterial
populations might be expected from the prevailing
north-westerly winds. Littoral stations 2 and 3
were located in a higher plant bed (Polygonium
amphibium L. at station 2 and Typha latifolia L.
at station 3). It must be stressed that some part of
– 238 –
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Elena S. Kravchuk, Elena A. Ivanova. Spatial and Temporal Dynamics of Anabaena flos-aquae Akinetes…
9b
6ɚ
5a
8b
3
10b
4ɚ
5b
6b 7b
11b
4b
2
4
2ɚb
1
3b
1ɚb
3ɚ
1 km
Fig. 1. Map of Bugach reservoir (Siberia, Russia) with the sampling sites. Letter a denotes spring sampling (MayJune) of 2002 and letter b denotes autumn sampling (16 October) of 2002
akinetes which is found in the water column of
littoral stations were not produced at these sites
but can be transported from the open part of the
reservoir.
At the central station 1, water was sampled
with an Ruttner-like sampler at 1-m intervals
from the whole water column and pooled; in
littoral stations 2-4 water was sampled with a
bottle, which was dipped under water. Bottom
sediments were sampled using a core sampler of
5 cm diameter. At stations 1-4 sediments were
sampled in triplicate. At littoral stations 1ab-11b
from one to three samples of bottom sediments
were taken in May- June 2002 (see Table 1) and
one sample on 16 October 2002.
Phytoplankton was concentrated by
filtering 0.1 L of sample through cellulose filters
«Vladipor» (Mytischi, Russia) (pore size 0.750.85 μm). The filters were placed in filtered
reservoir water with Lugol’s solution. Prior to
enumeration in counting chamber cells were
scraped from filters with scalpel. Then filter
was carefully rinsed with distilled water. The
abundances of vegetative cells of Anabaena flosaquae, akinetes (both attached to trichomes and
free) in the water samples were determined using
a Fuchs-Rosenthal counting chamber (0.0032
ml volume) under a light microscope at 400×
magnification.
We sampled only the upper 1 cm of the
sediments, that is, the top 1-cm layer of each
sediment core was placed in a 4-cm diameter
Petri dish and transported to the laboratory within
an hour. Namely the upper layer of sediments
is generally used for investigation of seasonal
dynamics of resting stages (Baker, 1999; Kim
et al., 2005; Kovacs et al., 2003). The changes
in akinete abundance in the surface sediments
reflect loss of germlings to the water column
from germination and gain to the sediments from
sporulation of the planktonic populaton. It has
been shown, that equivalent changes in akinete
abundance are generally not observed in the
deeper layers of sediments (Baker, 1999).
All samples were stored in the dark at 4
0
C until analysed within 2-3 days. Sub-samples
– 239 –
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Elena S. Kravchuk, Elena A. Ivanova. Spatial and Temporal Dynamics of Anabaena flos-aquae Akinetes…
Table 1. Abundance of akinetes of Anabaena flos-aquae in bottom sediments at littoral stations of the Bugach
reservoir (Siberia, Russia) in May-June of 2002
Date
Station Replicates
15.05.02
4a
3
22.05.02
1ab
5a
2
1
6a
6a
2ab
3a
2
3
2
2
29.05.02
5.06.02
11.06.02
Predominant
Predominant higher plants
bottom sediments
silt
Potamogeton perfoliatus L.
Potamogeton pectinatus L.
silt
Typha latifolia L.
silt
Phragmites australis (Cav.) Trin. ex
Steud
Potamogeton perfoliatus L.
Potamogeton pectinatus L.
silt
Typha latifolia L.
silt
Typha latifolia L.
sand
sand
-
Akinete abundance,
103 cells / cm 2
20.711 ± 7.858
19.240 ± 1.593
25.735
9.681 ± 3.554
10.417 ± 1.621
n.f.
n.f.
n.f. – not found
Table 2. Abundance of akinetes of Anabaena flos-aquae in bottom sediments at littoral stations of the Bugach
reservoir (Siberia, Russia) on 16 October 2002
1ab
2ab
3b
4b
Predominant
bottom sediments
silt
sand
sand
sand
5b
6b
7b
sand
sand
sand
8b
9b
10b
silt
silt
silt
11b
silt
Station
Predominant higher plants
Typha latifolia L.
Potamogeton perfoliatus L.
Potamogeton pectinatus L.
Phragmites australis (Cav.) Trin. ex
Steud
Typha latifolia L.
Typha latifolia L.
Potamogeton perfoliatus L.
Potamogeton pectinatus L.
Typha latifolia L.
Akinete abundance,
103 cells / cm 2
23.24
n.f.
2.45
1.84
n.f.
3.68
n.f.
n.f.
61.00
20.33
17.43
n.f. – not found
of 1.47 cm2 were cut with a tube corer from the
samples and then suspended in 20 ml of distilled
water. This method is a modification of the
techniques of number of authors (Head et al.,
1998; Kovacs et al., 2003; Rasanen et al., 2006;
Tsujimura and Okubo, 2003). A suitable dilution
of the sediment is important for this technique,
because in a concentrated sample the sediment
particles often adhere to the akinetes, making them
extremely difficult to identify. Prior to counting,
the suspensions were shaken well in order to
separate the sediment particles and the akinetes.
The suspension was examined microscopically to
identify and enumerate akinetes of A. flos-aquae,
in the same way as in the phytoplankton samples.
From one to eleven entire counting chambers
were examined for samples from the central
station 1 to count at least 50 akinetes. Five entire
– 240 –
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Elena S. Kravchuk, Elena A. Ivanova. Spatial and Temporal Dynamics of Anabaena flos-aquae Akinetes…
Abundance,
10 6cells/L
220
Anabaena
165
110
55
Abundance,
6
10 cells/L
0
0.6
akinetes in filaments
0.4
0.2
Abundance,
10 6 cells/L
0.0
1.0
0.8
akinetes
0.5
0.3
0.0
Abundance,
10 6 cells/cm 2
0.6
akinetes in bottom sediments
0.4
0.2
Sep-04
Aug-04
Jul-04
Jun-04
Sep-03
May-04
Jul-03
Aug-03
Jun-03
May-03
Oct-02
Apr-03
Sep-02
Jul-02
Aug-02
Jun-02
May-02
Sep-01
Aug-01
Jul-01
Jun-01
May-01
0.0
Fig. 2. Seasonal dynamics of abundance of Anabaena flos-aquae, akinetes (both attached and unattached to
filaments) in water column and bottom sediments at the central station 1 of Bugach reservoir (Siberia, Russia) in
April-October of 2001-2004. Error bars denote SE. Note different scales in y-axis
counting chambers were examined for samples
from the stations 2-4 and from three to ten entire
counting chambers were examined for samples
from the littoral stations 1ab-11b. The results
were expressed as number per cm 2 in the upper
1 cm layer of sediments.
Standard errors (SE) and Student’s t-test were
calculated conventionally (Campbell, 1967).
Results
Akinete abundance in the upper layer of
littoral bottom sediments in May – June and
October 2002 is given in Tables 1 and 2. High
abundance of akinetes (10-60 thousands per cm 2)
was observed at stations 1ab, 4a-6a and 9b-11b. In
bottom sediments of other stations akinetes were
absent or their abundance was markedly lower
(2-4 thousands per cm 2) (Tables 1, 2).
Dynamics of A. flos-aquae at the stations 1-4
in 2001-2004 is given in Fig. 2 and 3. In all four
studied seasons at the station 1 abundance of A.
flos-aquae in water started to increase at the end
of May – beginning of June. In 2001 and 2004
abundance of the population was at the same
level during whole summer, while in 2002 and
2003 in the second half of summer it decreased
significantly. Dynamics of Anabaena abundance
at the littoral stations 2-4 and the central station 1
were similar in 2003 and 2004, but number of cells
at the littoral stations achieved a higher seasonal
maximum than that at the station 1 (Fig. 2, 3).
In 2001-2003 akinetes in filaments appeared
at the station 1 in the middle of June, while in
2004 – in the middle of July only (Fig. 2). In
2001, 2003 and 2004 they were observed in the
water column during all the summer, but in 2001
– 241 –
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Elena S. Kravchuk, Elena A. Ivanova. Spatial and Temporal Dynamics of Anabaena flos-aquae Akinetes…
Station 3
Station 2
120
Abundance,
10 6 cells/L
90
Station 4
Anabaena
60
30
0
Abundance,
10 6 cells/L
Abundance,
10 6 cells/L
2.0
1.5
akinetes in filaments
1.0
0.5
0.0
2.0
1.5
akinetes
1.0
0.5
Abundance,
106 cells/cm 2
0.0
0.20
0.15
akinetes in bottom sediments
0.10
0.05
Sep-04
Aug-04
Jul-04
Jun-04
Sep-04
May-04
Aug-04
Jul-04
Jun-04
Sep-04
May-04
Aug-04
Jul-04
Jun-04
Aug-03
May-04
Jul-03
Jun-03
May-03
Apr-03
0.00
Fig. 3. Seasonal dynamics of abundance of Anabaena flos-aquae, akinetes (both attached and unattached to
filaments) in water column and bottom sediments at littoral stations 2-4 of the Bugach reservoir (Siberia, Russia)
in April-September of 2003-2004. Error bars denote SE. Note different scales in y-axis
their abundance periodically decreased down
to zero. In these years maximum of abundance
of akinetes in filaments occurred in August.
In 2002 they had a seasonal peak in June and
then they were absent in the water column
until September. At the littoral stations 2-4 the
dynamics of abundance of akinetes in filaments
were similar to that at the central station in 2003
and 2004, but their maximum abundance at
the littoral stations was higher than that at the
central station (Fig. 2, 3).
During all three seasons akinetes were
absent in the water column at the station 1 until
the end of May – beginning of June (Fig. 2). In
stations in 2003 and 2004 akinetes also reached a
seasonal maximum in the second half of summer,
but at the station 3 it was much higher than that at
the other stations (Fig. 2, 3).
Abundance of akinetes in bottom sediments
at the station 1 increased during the seasons of
2001, 2003 and 2004 (Fig. 2). In 2002 number
of akinetes in the bottom sediments tended to
decrease to the end of season. Abundance of
akinetes in sediments at the littoral stations was
significantly lower than that at the central station
(Fig. 2, 3). In littoral sediments peaks of akinete
abundance took place in July of 2003 and in
August of 2003 and 2004, but in both periods
2002 maximum abundance of akinetes at the
station 1 occurred in June, while in 2001, 2003
and 2004 abundance of akinetes increased
significantly in July and August. At the littoral
abundance of akinetes decreased just after
increasing (Fig. 3).
During winter abundance of akinetes in
bottom sediments at the central station 1 and at
– 242 –
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Elena S. Kravchuk, Elena A. Ivanova. Spatial and Temporal Dynamics of Anabaena flos-aquae Akinetes…
the littoral station 2 tended to decrease (Fig. 2, 3),
but statistically significant (t = 7.38, p< 0.05 at
d.f. = 4) difference was found only at the station
1 between the average values on 16 October 2002
and 21 May 2003. Additional samples, taken in
littoral at the station 3a (Fig. 1), also demonstrated
the winter decrease: in October 16, 2002 there
were 23.24 thousands akinetes per cm 2, while
in April 2, 2003 there were only 1.23 thousands
akinetes per cm 2.
Discussion
Resuspension of resting stages is likely more
pronounced in sandy sediments than in silt.
On the other hand, high abundance of akinetes
in bottom sediments was observed at stations
located in a macrophyte bed, consisting mainly
of emerged higher plants Typha latifolia L. and
Phragmites australis (Cav.) Trin. ex Steud (Table
1, 2). It could be that the planktonic Anabaena
population accumulates in the higher plants
bed, and, therefore a higher number of akinetes
deposits to sediments in this part of the reservoir
in comparison with open littoral. Moreover, plants
Results of littoral sediment survey in
May-June and October 2002 indicate that the
abundance of akinetes was generally high in
silty sediments (Table 1, 2; stations 1ab, 4a-6a,
9b-11b). In sandy sediments (stations 2ab, 3a,
3b-7b) akinetes were absent or their abundance
was very low. This finding is similar to that
of Tchernousova et al. (1968) who found that
in bottom sediments of Dnieper reservoirs
the highest abundance of cyanobacteria was
observed in silt and minimal abundance – in
sandy sediments. In the Murray River densities
of Anabaena circinalis akinetes were also
significantly higher in fine clay sediments in
deeper water (11-15m) and lower in sediments of
variable texture in water of 3-6 m depth (Baker,
1999). The lowest mean akinete densities were
found in sandy substratum in shallow water
(3m). Akinete densities in the lagoons of the
Murray River were also generally higher in
the deeper depressions of bottom characterized
by fine-textured sediments. There is evidence
that in sandy sediments akinetes may sink to
deeper layers. Tchernousova et al. (1968) has
shown that in silty sediments cyanobacterial
maximum was observed in 2-3-cm layer, while
in sandy sediments cyanobacteria was observed
up to 12-18-cm layer, due to of large mobility
and filtration ability. Besides, akinetes can be
lifted off the sediments by natural turbulence.
can prevent resuspension of resting stages from
sediments. Generally, growth of macrophytes
in a water body is considered as one of the
measures to control bloom development because
of their direct and indirect negative effects on
cyanobacteria that include shading, zooplankton
refuges and competition for nutrients (McQueen,
1990). There is evidence that some higher plants
release allelopathic matters inhibiting growth
of cyanobacteria (Nakai et al., 2000; Nakai et
al., 2005). However, our results demonstrate
that macrophytes beds could increase the size
of the potential cyanobacterial inoculum by
accumulation of akinetes in shallow bottom
sediments and in this way favour cyanobacterial
bloom development in deep water objects where
recruitment of cyanobacteria can occur only from
littoral sediments.
In autumn the akinete abundance in littoral
sediments of the reservoir was at the same level
as in the spring (Table 1, 2), suggesting that there
was no accumulation of resting stages during the
vegetation season.
Comparison of the akinete densities in
bottom sediments of different water bodies seems
to be difficult due to the various method employed
by researchers for quantification. The results are
expressed as akinetes per gram of sediment (dry
weight or wet weight), akinetes per milliliter of
sediment, akinetes per cm3 of sediment. However,
– 243 –
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Elena S. Kravchuk, Elena A. Ivanova. Spatial and Temporal Dynamics of Anabaena flos-aquae Akinetes…
the order of 104 akinetes cm-3 in the top layer
of sediments has been considered to be typical
for Anabaena akinete densities in water bodies
where dense blooms have occurred (Tsujimura
and Okubo, 2003; Faithfull and Burns, 2006;
Head et al., 1998; Kim et al., 2005; Baker, 1999).
Akinete densities in bottom sediments of Bugach
reservoir are comparable with this value (Table 1,
2; Fig. 2, 3).
The abundance of akinetes in littoral
sediments of the reservoir is much lower than that
in the deeper (4 m) central part (Table 1, 2; Fig. 2,
3). It has been shown that resting stages accumulate
in the sediment of mainly the profundal zone. For
example, in Cauldshiels Loch (Scotland) total
numbers of A. solitaria akinetes were generally
lower in the shallow water sediments and higher
in the deeper samples (Head et al., 1998). In
bottom sediments of Dnieper reservoirs the
highest abundance of cyanobacteria was observed
at a depth of more than three meters and minimal
abundance – at the shallow part of the reservoir
(Vladimirova, 1968).
Dynamics of Anabaena abundance in the
water at the central station and littoral stations
were very similar, but number of cells at the
littoral stations in the beginning of summer
increased more rapidly and achieved higher year
maximum than those at the central station (Fig. 2,
3). High abundance of Anabaena in the water
column at littoral stations can be due to transport
of cells from the open part of the reservoir. The
highest abundance of akinetes in filaments in
all stations was observed at the time when the
planktonic population was decreasing, a week or
more later after the population peak. The highest
rate of akinete production during the late phase
of the bloom often occurs in natural waters
(Kondratyeva, 1975; Olli et al., 2005). In contrast,
maximum akinete density of A. fos-aquae in the
Murray River (Australia) and Seokchon reservoir
(Korea) coincided with the population peak (Kim
et al., 2005; Baker, 1999), as well akinetes of
A. lemmermannii were produced, as the bloom
progressed (Olli et al., 2005).
Percent proportion of the attached akinetes to
vegetative cells (i.e. A*100/C where A is attached
akinetes and C is vegetative cells) can be used as
an indicator of intensity of sporulation. In Bugach
reservoir early in the season (June-July), when
the population was increasing, the proportion
was low and never exceeded 2.5 %. A few
laboratory (van Dok and Hart, 1996), mesocosm
(Olli et al., 2005) and field (Baker, 1999) studies
have reported proportion of attached aknetes
to vegetative cells or percentage of akinetes in
total cells. The highest values in these studies
(0.6-1.25 %) are comparable with that recorded
in Bugach reservoir. Maximum proportion in
the reservoir occurred by the end of the growth
season (August- September) and comprised from
4 % (2001) to 18 % (2004) in open water. At the
littoral stations 2 and 4 maximum proportion was
of the same order and comprised 7 % and 11 %.
However the highest proportions coincided with
the population decline and rather referred to the
death of vegetative cells than akinete production
intensity. Note that at the station 3 the proportion
was only 1-2 % during all the season, suggesting
low intensity of akinete production at this site.
Abundance of vegetative cells and unattached
akinetes in water column at the central station 1
and the littoral stations 2 and 4 had comparable
values (Fig. 2, 3). However, seasonal peak of
abundance at the station 3, located in a Typha
bed, was much higher than that at other stations,
and confirms our suggestion on accumulation of
akinetes in this part of the reservoir.
The dynamics of vegetative cells and
akinetes in the water column was generally
very similar in the open water and the littoral.
Deposition of akinetes to bottom sediments also
occurred both in open water and littoral (Fig. 2,
3). Nevertheless, akinete dynamics in bottom
– 244 –
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Elena S. Kravchuk, Elena A. Ivanova. Spatial and Temporal Dynamics of Anabaena flos-aquae Akinetes…
sediments differed between these two sites. At
the central station accumulation of akinetes
in bottom sediments occurred throughout the
summer until September in all years except 2002
(Fig. 2). In littoral sediments akinete densities
increased significantly in July of 2003 and in
August of 2003 and 2004, and in both periods
abundance of akinetes decreased just after their
sedimentation (Fig. 3). P.D. Baker (1999) also has
observed decrease in the akinete density of A.
flos-aquae and A. circinalis in bottom sediments
of the Murray River after their sedimentation.
Since the decrease occurred at about the time of
a second peak in the planktonic population, he
has suggested that germination of akinetes took
place at that period to maintain of planktonic
population. In Bugach reservoir this explanation
appears unlikely, however, because decrease
of akinete abundance in bottom sediments
was observed at the end of the growth season
and Anabaena abundance in the water column
significantly decreased. In Bugach reservoir
decreases of akinete abundance just after their
sedimentation in the littoral may be explained in
two ways. On the one hand, it has been shown
that accumulation of particles in littoral sediment
may occur from the early till mid summer, then
the cooling erodes the layer of accumulated
materials and the particles are transported along
the slope to deeper sediment (Verdouw et al.,
1987). Thus, in Bugach reservoir akinetes could
be transported from littoral to the sediments of
deeper open water, as other particulate materials.
On the other hand, akinetes may have smaller
size than sediment particles and sink to deeper
layers within sediments. As mentioned above,
there is evidence that this process depends on
sediment texture and it is more pronounced in
sandy sediments than in silt (Tchernousova et al.,
1968). The open water sediment of the Bugach
reservoir is black silt, but there is sandy sediment
in the considerable part of littoral. Therefore,
decrease of akinete abundance in the littoral may
be explained by their sinking to deeper layers of
sediments.
It was found, that during winter abundance
of akinetes decreased in bottom sediments both
in littoral and deeper central parts of the reservoir
(Fig. 2, 3). A similar decrease in akinete density
has also been reported by Kim et al. (2005) in
March-April in bottom sediments of Seokchon
reservoir (Korea). These workers attribute this
decrease to the akinetes germination in this
period, even though development of planktonic
population in the reservoir was delayed until in
August. Causes of this phenomenon in Bugach
reservoir are unknown. It may be supposed,
that akinetes during winter can sink to deeper
layers within sediments. Grazing by benthic
invertebrates or (and) microbial attack may also
decrease akinete density in bottom sediments.
Conclusions
Abundance of vegetative cells and akinetes
of Anabaena flos-aquae in water column of
the central deeper part of the reservoir was
significantly lower than that in littoral. In
contrast, akinetes densities in bottom sediments
of open water were significantly higher than that
in littoral. This discrepancy could be explained
by different seasonal dynamics of akinetes in
bottom sediments. Whereas the abundance of
akinetes in open water sediments increased
permanently during the growth season, in
littoral akinete abundance decreased just after
their sedimentation. The highest abundance of
akinetes in littoral of the reservoir both in water
and in bottom sediments were observed in a
higher plant bed at sites with silty sediments.
With regard to importance of akinetes as a seed
bank for development of planktonic populations,
such sites in a deep water bodies seem to be the
main potential source of inoculum for the next
season’s bloom.
– 245 –
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Elena S. Kravchuk, Elena A. Ivanova. Spatial and Temporal Dynamics of Anabaena flos-aquae Akinetes…
Acknowledgements
The work was supported by grant No.
RUX0-002-KR-06 of the U.S. Civilian Research
& Development Foundation for the Independent
States of the Former Soviet Union (CRDF) and
the Ministry of Education and Sciences of Russian
Federation, and at the stage of generalization –by
«Thematic plans program» from the Ministry of
Education and Sciences of Russian Federation
(Theme B-4 of Siberian Federal University).
References
Baker P.D. (1999) Role of akinetes in the development of cyanobacterial populations in the lower
Murray River, Australia. Mar. Freshwater Res. 50: 265-279
Campbell RC (1967) Statistics for Biologists. Cambridge University Press, Cambridge, UK
Dubovskaya O.P., Gladyshev M.I., Gubanov V.G., Makhutova O.N. (2003) Study of nonconsumptive mortality of Crustacean zooplankton in a Siberian reservoir using staining for live/dead
sorting and sediment traps. Hydrobiologia 504: 223–227
Faithfull C.L., Burns C.W. (2006). Effects of salinity and source of inocula on germination of
Anabaena akinetes from a tidally influenced lake. Freshwater Biology 51: 705-716
Head R.M., Jones R.I., Bailey-Watts A.E. (1998) Akinete germination and recruitment of
planktonic cyanobacteria from lake sediments. Verch. Internat. Verein. Limnol. 26: 1711-1715
Head R.M., Jones R.I., Bailey-Watts A.E. (1999) An assessment of the influence of recruitment
from the sediment on the development of planktonic populations of cyanobacteria in a temperate
mesotrophic lake. Freshwater Biology 41: 759-769
Kalachova G.S., Kolmakova A.A., Gladyshev M.I., Kravchuk E.S., Ivanova E.A. (2004) Seasonal
dynamics of amino acids in two small Siberian reservoirs dominated by prokaryotic and eukaryotic
phytoplankton. Aquatic. Ecol. 38: 3–15
Karlsson-Elfgren I., Brunberg A.-K. (2004) The importance of shallow sediments in the
recruitment of Anabaena and Aphanizomenon (Cyanophyceae). J. Phycol. 40: 831–836
Kim B.H., Lee W.S., Kim Y.O., Lee H.O., Han M.S. (2005) Relationship between akinete
germination and vegetative population of Anabaena flos-aquae (Nostocales, Cyanobacteria) in
Seokchon reservoir (Seoul, Korea). Arch. Hydrobiol. 163: 49-64
Kondratyeva N.V. (1975) Morphogenesis and main ways of evolution of the Hormogoniophyceae.
Naukova dumka, Kiev, 150 p.
Kovacs A.W., Koncz E., Voros L. (2003) Akinete abundance of N2-fixing cyanobacteria in
sediment of Lake Balaton (Hungary). Hydrobiologia 506-509: 181-188
Kravchuk E.S., Gladyshev M.I., Ivanova E.A. (2007) Dependence of the domination of Anabaena
flos-aquae (Lyngb.) Breb. in the phytoplankton community on the initial abundance of akinetes. Doklady
Biological Sciences 416: 377-378
McQueen D.J. (1990) Manipulating lake community structure: where do we go from here?
Freshwater Biol. 23: 613-620
Nakai S., Inoue Y., Masaaki H., Murakami A. (2000) Myriophyllum spicatum – released
allelopathic polyphenols inhibiting growth of blue-green algae Microcystis aeruginosa. Wat. Res.
34: 3026-3032
Nakai S., Yamada S., Hosomi M. (2005) Anti-cyanobacterial fatty acids released from
Myriophyllum spicatum. Hydrobiologia 543: 71-78
– 246 –
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Elena S. Kravchuk, Elena A. Ivanova. Spatial and Temporal Dynamics of Anabaena flos-aquae Akinetes…
Olli K., Kangro K., Kabel M. (2005). Akinete production of Anabaena lemmermannii and A.
cylindrica (Cyanophyceae) in natural populations of N- and P-limited coastal mesocosms. J. Phycol.
41: 1094-1098
Paerl H.W., Fulton R.S., III, Moisander P.H., Dyble J. (2001) Harmful freshwater algal blooms,
with an emphasis on cyanobacteria. The Scientific World 1: 76-113
Rasanen J., Kauppila T., Vuorio K. (2006) Sediment and phytoplankton records of the cyanobacterial
genus Anabaena in boreal Lake Pyhajarvi. Hydrobiologia 568: 455-465
Rengefors K., Gustafsson S., Ståhl-Delbanco A. (2004) Factors regulating the recruitment of
cyanobacterial and eukaryotic phytoplankton from littoral and profundal sediments. Aquatic Microbial
Ecology 36: 213-226
Sirenko L.A. (1978) Some results of algophysiological researches at the Institute of Hydrobiology
AS USSR. In: Problems of hydrobiology and algology. Naukova dumka, Kiev, p. 98-115
Sushchik N.N., Gladyshev M.I., Makhutova O.N., Kalachova G.S., Kravchuk E.S., Ivanova E.A.
(2004) Associating particulate essential fatty acids of the ω3 family with phytoplankton species
composition in a Siberian reservoir. Freshwat. Biol. 49: 1206–1219
Tchernousova V.M., Sirenko L.A., Arendarchuk V.V. (1968) Localization and physiological state
of mass species of blue-greens algae in late autumn and spring periods. In: Topachevsky A.V. (ed.)
Water bloom. Naukova dumka, Kiev, p. 81-91
Tsujimura S., Tsukada H., Nakahara H., Nakajima T., Nishino M. (2000) Seasonal variations of
Microcystis populations in sediments of Lake Biwa, Japan. Hydrobiologia 431: 183-192
Tsujimura S., Okubo T. (2003) Development of Anabaena blooms in a small reservoir with dense
sediment akinete population, with special reference to temperature and irradiance. Journal of Plankton
Research 25: 1059-1067
van Dok W., Hart B.T. (1996) Akinete differentiation in Anabaena circinalis (Cyanophyta). J.
Phycol. 32: 557-565
Verdouw H., Gons H.G., Steenbergen C.L.M. (1987) Distribution of particulate matter in relation
to the thermal cycle in Lake Vechten (The Netherlands): the significance of transportation along the
bottom. Water Research 21: 345-351
Vladimirova K.S. (1968) Interrelation between phytoplankton and phytomicrobenthos of
reservoirs. In: Topachevsky A.V. (ed.) Water bloom. Naukova dumka, Kiev, p. 67-81
Документ
Категория
Научные
Просмотров
71
Размер файла
12 524 Кб
Теги
журнал, университета, 2009, биологии, сер, сибирской, 316, федеральное
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа