CC BY
50
БИОЛОГИЧЕСКИЕ НАУКИ
УДК 574.522
ОСОБЕННОСТИ ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ МИКРОФЛОРЫ И МИКРОФАУНЫ В ГУБКАХ С РАЗЛИЧНЫМ ДИАМЕТРОМ ПОР
К. А. КОРЛЯКОВ, ФГБОУ ВПО ЧелГУ, г. Челябинск, Россия e-mail: korfish@mail.ru
Аннотация
Изучено заселение пористых синтетических губок гидробионтами (бактерии, ракообразные, личинки насекомых, моллюски) в природной среде и в экспериментальных условиях. В отношении заселяемых организмов выявлена следующая последовательность: увеличение численности - смертность - снижение численности. Установлено передвижение гидробионтов по ярусам и увеличение концентрации биохимических агентов в пределах искусственных биотопов.
Ключевые слова: синтетические губки, бактерии, водоросли, простейшие, ракообразные, личинки насекомых, моллюски, численность, обилие, смертность.
Актуальность. Искусственные материалы как субстраты для гидробионтов в водных экосистемах используются давно, причем используются как планово, так случайно. Различные конструкции искусственных рифов достаточно изучены в отношении макроорганизмов их заселяющих, микромир искусственных рифов различной
пространственной конфигурации практически не изучен. Синтетические губки -специфичный материал, отличающийся значительными удельными поверхностями и громадным удельным объемом (4-10%). Данные характеристики удельного объема в природе минеральных естественных субстратов почти не встречаются. Схожие характеристики удельного объема у растительных структур (цианобактерии, нитчатые водоросли, мхи и высшие растения) значительно отличаются, так как формируют вокруг себя специфическую среду, обусловленную их метаболизмом. Данные показатели удельной поверхности и объема создают специфические условия для микрофлоры и фауны в водной среде отличающейся дефицитом кислорода. Что в свою очередь влияет на метаболизм живых организмов, особенности их
хемокоммуникации и биохимической интеграции. Также данные материалы позволяют создавать значительные удельные поверхности.
Материал и методика. Для исследований были подобраны губки с диаметром пор 0,5 мм, 1 мм, 2 мм, 3 мм. Губки выставлялись в
водоемы для изучения заселения их гидробионтами зообентоса, зооперифитона и зоофитоса в различных временных и трофических условиях. Гидродинамические условия также были представлены набором условий от стоячих водоемов и чашек петри до речных экосистем и аэротенков. В отношении бактериальных сообществ заселяющих губки и выяснения соотношений живых и мертвых клеток использовали краситель акридиновый оранжевый. При определении количества экскретируемых бактериями полиаминов в губках использовались хроматографические методы выполненные ИЭиГМ УрО РАН (г. Пермь). Для используемых в исследованиях губках были найдены характеристики удельного объема. Для губок с порами 4-3 мм удельный объем составил 4%, для губок с порами 2 мм - 6%, для губок с порами 1 мм -8%, для губок с порами 0.5 мм - 10%.
Результаты. Искусственные губки заселяемые различными гидробионтами являются аналогами искусственных рифов. Только организмы их заселяющие, состоят из самых маленьких гидробионтов, начиная с бактерий и заканчивая организмами микробентоса и перифитона. Однако условия существования в этих организмов в губках существенно отличаются, например, от условий донных отложений, где удельный объем илов, песчаников, гравия и галечника характеризуется значительно большими величинами (50-70%). В отношении водных растений, как отмечено выше сказывается
специфика их метаболизма на условия существования гидробионтов заселяющих эти растения. Кроме того форма и размер пор строже ограничивает размерный спектр организмов поселенцев. Характер заселения губок с различным диаметром пор имел следующие особенности (табл. 1). Наибольшая численность гидробионтов отмечалась в различных по диаметру пор губках на различных биотопах. В целом кривые распределения наибольшей численности в губках с разным диаметром пор характеризовались кривой с одним пиком, с двумя пиками и нелинейным плавным снижением численности. Губки с самыми маленькими порами имели наименьшие показатели численности. Наибольшая численность отмечена в самых крупных порах (4-2,5 мм). Смертность наблюдалась в губках
3
общим объемом 50 см , где численность организмов (преимущественно хирономид) превышала 80-100 особей. Относительное увеличение доли мертвых хирономид наблюдалось вверх по высоте трех ярусов губок. В целом на некоторых биотопах наблюдалось увеличение численности в более низких ярусах, на других, наоборот, в более высоких ярусах. Как правило, донные организмы (инфауна и моллюски) тяготели к нижним ярусом губок. Зоофитос (личинки амфибиальных насекомых) наоборот тяготел к верхним ярусам губок. Однако в целом максимальные показатели численности и биомассы достигались преимущественно водными беспозвоночными - брюхоногими моллюсками и массовыми личинками хирономид.
Таблица 1
Заселение губок бентосными и бенто-пелагическими беспозвоночными в различных водоемах
Горизонт губок Диаметр пор
4 мм 2,5 мм 1,5 мм 1 мм
Залив р. Миасс
Верхний 18 7 5 1
Средний 10 7 - -
Нижний 12 4 3 3
Итого: 40 18 8 4
Река Миасс
Верхний 30 9 18 7
Средний - - - -
Нижний 17 5 11 7
Итого: 47 14 29 14
Оз. Табанкуль
Верхний 5 98 71 32
Средний 36 129 81 -
Нижний 52 275 89 106
Итого: 93 502 241 138
В экспериментальных условиях количество моллюсков заселяющих губки с порами 3-4 мм было ниже и составило в среднем 2 экз. на слой губки. В порах 2 мм количество моллюсков было выше и доходило до 6 экз. на горизонтальный слой. При этом в губках с маленькими порами численность моллюсков возрастала к верхним горизонтам, где и наблюдались максимальные значения численности. По всей видимости, это объясняется большим количеством перифитона на губках с маленькими порами, который служит кормом для моллюсков (рис. 1). Второй причиной может служить дефицит кислорода в
нижних слоях губок с мелкими порами. Заселение губок планктонными ракообразными О^^гаеоёа, которые характеризуются временным прикреплением к субстрату, показало следующие результаты (табл. 2). В нижних горизонтах выше численность как живых, так и мертвых остракод. С увеличением размеров пор численность организмов увеличивается. Число мертвых клеток увеличивается в маленьких порах размером 0,5 и 1 мм. Что обусловлено, как механическим застреванием ракообразных в порах, так и, возможно, смертностью, в связи накоплением токсичных метаболитов. В больших по размеру
3
губках (8-12 см) число мертвых клеток достигают значительной численности (табл. 3). значительно увеличивается, живые при этом не
Рис. 1. Поры губок покрытые цианобактериальными биопленками и нитчатыми водорослями
Таблица 2
Заселение губок с различным диаметром пор, объемом (2 см3)_
Горизонт губок Поры 0,5 мм Поры 1 мм Поры 2 мм
Живые Мертвые Живые Мертв. Живые Мертвые
Экспоз. 2 дня
Верхний 3 0 3 21 5 1
Средний 7 17 6 17 16 8
Нижний 17 14 24 40 54 33
Итого 27 31 33 78 75 42
Экспоз. 1 неделя
Верхний 0 2 2 4 9 3
Средний 0 5 2 6 23 7
Нижний 7 9 7 13 9 61
Итого 7 16 11 23 41 71
Экспоз. 2 нед.
Один слой 41 25 34 0 10 0
Таблица 3
3
Заселение губок с порами 1 мм и большим объемом (8-12 см )_
Горизонт губок 3 дня 1 неделя 4 недели
Жив. Мерт. Жив. Мерт. Жив. Мерт.
Верхний 15 92 16 3 11 6
Нижний 23 160 43 36 11 6
Итого 38 252 59 39 22 12
Экспозиция губок в аэротенках в отношении функционирования бактериальных сообществ показала следующие результаты. В самых крупных и самых маленьких порах диаметром 4 мм и 0,5 мм маленького размера с низкими показателями удельного объема и удельной поверхности полиамины не обнаружены. В больших губках с порами 2 мм концентрация путресцина составила 0,415 нмоль/мл, с порами 1 мм - 0,111 нмоль/мл, с порами 0.5 мм - 0,040 нмоль/мл. В питательной среде с золотистым стафилококком в порах 0,5 мм концентрация путресцина составила 0,543 нмоль/мл, в порах 1 мм - 1,353 нмоль/мл, в толще питательной среды вне губок - 1,028 нмоль/мл. Концентрация кадаверина в порах 0,5 мм составила 11,071 нмоль/мл, в порах 1 мм -15,975 нмоль/мл, в толще питательной среды -
10,604 нмоль/мл. По всей видимости, с уменьшением удельного объема губок и соответственно увеличением свободного пространства численность клеток
увеличивается и соответственно увеличивается концентрация секрета в виде кадаверина и путресцина. Особо это касается губок в аэротенках, где колонии серобактерий, хламидобактерий и цианобактерий
представлены флокками. Снижение
численности клеток на минералах с уменьшением размеров фракций и соответственно увеличением удельного объема субстрата, которые были искусственно внесены в среду, также нами наблюдалось ранее (Арсентьева, Скрябин, Корляков, 2010). Этот факт также подтверждает отсутствие полиаминов в самых крупных порах и
маленьких кусочках пор с низкими удельными поверхностями. Низкая концентрация
путресцина в питательной среде золотистого стафиллококка в губках с маленькими порами (0,5 мм), может объясняться отставанием роста численности клеток в маленьких порах, как по причине отставания проникновения
питательной среды в поры, так и по иным метаболическим причинам. То есть некачественным механическим удалением газовой фракции из губок с самыми маленькими порами при внесении их в питательную среду. Краситель акридиновый оранжевый не выявил наличие мертвых клеток золотистого стафиллококка в питательной среде. В то же время в аэротенках на хлопках были выявлены отдельные мертвые клетки. В губках аэротэнок с высокими концентрациями азота хлопки бактериальных клеток быстро
становились мертвыми с отдельными живыми клетками на их поверхности. Электронная микроскопия показала наличие клеток стафиллококка на боковых стенках пор в небольшом количестве и развитие грибных колоний при вытаскивании губок из среды по причине наличия спор (рис. 2, 3, 4). Более крупные клетки грибов (2-3 мкм) выстраивали уже сложные трехмерные колонии. Таким образом, можно констатировать некоторые плотностно-зависимые эффекты (кворум) связанные с накоплением азосодержащих соединений продуцируемых
микроорганизмами, которые в свою очередь развиваются в губках, как благодаря макроорганизмам, так и независимо от них. Причем продукты жизнедеятельности микроорганизмов влияют на смертность макроорганизмов.
Рис. 2. Пора губки покрытая пленкой питательной среды с бактериальными клетками на поверхности
Рис. 3. Колонии грибных организмов поселяющихся на губках
Рис. 4. Размеры грибных клеток и бактериальных клеток поселяющихся на губках
Выводы.
1. Губки выставленные в природных водоемах заселяются различными организмами зообентоса и перифитона, характер заселения которых определяется диаметром пор губок, их размером и месторасположением.
2. Численность гидробионтов доминантов при достижении определенных лимитов и превышении емкости среды переходит в стадию смертности, что во многом особенно в
отношении микроорганизмов обусловлено эффектом кворума.
3. Колонии, биопленки и флокки при заселении сложных поверхностей выделяют в окружающую среду метаболиты, концентрации которых превышают показатели таковых в рядом расположенных средах вне искусственных поверхностей. Данные надклеточные структуры при отмирании сохраняют свою форму.
Список литературы
1. Арсентьева Н.Ю., Скрябин Ю.П., Корляков К. А. Динамика заселения водными микроорганизмами горной породы различных размерных фракций // Тезисы докладов XIV школы-конференции молодых ученых «Биология внутренних вод», 26-30 октября, 2010 г, Борок, 2010. с. 4-5.
2. Никитина О.Г. Биоэстимация: контроль процесса биологической очистки и самоочищения воды. М.: МАКС Пресс, 2010. 288 с.
3. Протасов А.А. Пресноводный перифитон. Киев: Наукова думка, 1994. 307 с.
FEATURES OF VITAL ACTIVITY MICROFLORA AND MICROFAUNA IN THE SPONGE
WITH DIFFERENT PORE DIAMETERS
K.A. KORLYAKOV, ChelSU, Chelyabinsk, Russia e-mail: korfish@mail.ru
Abstract
Studied colonization of porous synthetic sponges hydrobionts (bacteria, crustaceans, insect larvae, molluscs) in the environment and in experimental conditions. Living organisms in respect of identified following sequence: increase in the number - mortality - decline. The movement of aquatic organisms has been established by levels and increased concentrations of biochemical agents within artificial habitats.
Keywords: synthetic sponges, bacteria, algae, protozoa, crustaceans, insect larvae, mollusks, abundance, abundance, mortality.
References
1. Arsenteva N.Y., Scriabin Y.P., Korlyakov K.A. The dynamics of aquatic organisms settling rock different size fractions // Abstracts XIV conference school of young scientists "Biology of Inland Waters", October 26-30, 2010, Borok, 2010. p. 4-5.
2. Nikitina O.G. Bioestimation: biological treatment process control and self-purification of water. M .: MAX Press, 2010. 288 pp.
3. Protasov A.A. Freshwater periphyton. Naukova Dumka, 1994. 307 pp.
