CC BY
26
УДК 577.475
зависимость структуры сообществ плАнктонных водорослей белого моря от освещенности и формы доступного АЗотА
л.в. Ильяш, т.А. Белевич
Зависимость структуры фитопланктона от источника азота и освещенности исследовали в обогатительных скляночных опытах с фитопланктоном Белого моря. Три эксперимента было проведено в июле-сентябре 2005, 2006 и 2007 гг. Фитопланктон экспонировали in situ 14-18 сут с добавками 0,18 ммоль/л азота в виде нитратов, мочевины, аммония и глицина при двух уровнях освещенности. Один уровень соответствовал освещенности на глубине 1 м, другой был примерно в два раза ниже. Видовой состав и обилие фитопланктона в трех экспериментах различался. В 2005 г. доминировали водоросли рода Chaetoceros, в 2006 г. преобладала Skeletonema costatum, в 2007 г. - Ditylum brightwellii. После внесения добавок азота обилие фитопланктона увеличилось, и изменилась его структура. Различия в структуре, обусловленные освещенностью, проявлялись раньше, чем различия, обусловленные тем, какой азотсодержащий субстрат ассимилировали водоросли. Группировка сообществ по сходству структуры в трех экспериментах различалась. Полученные результаты свидетельствуют о том, что структура сообществ, формирующихся после пульса азота, зависит от формы поступившего азота, освещенности, а также от исходной (до пульса) структуры сообщества.
ключевые слова: фитопланктон, освещенность, минеральный и органический азот.
В природных экосистемах обеспеченность фитопланктона минеральными и органическими ресурсами меняется как во времени, так и в пространстве. В водах с выраженной сезонной динамикой, в том числе и в Белом море, весеннее развитие фитопланктона ведет к практически полному исчерпанию минерального азота в фотическом слое (Ильяш и др., 2003). По мере снижения биомассы водорослей в результате азотного лимитирования и последующей ее деструкции увеличивается концентрация растворенного органического азота. В летний период при преобладании органического азота в общем объеме этого ресурса наблюдается интенсивное развитие фитопланктона. Многие планктонные водоросли характеризуются миксотрофным типом метаболизма, и динамика их популяций зависит не только от обеспеченности минеральными ресурсами и световой энергией, но также и от содержания в среде органических субстратов. В условиях лимитирования развития водорослей недостатком минеральных форм азота, растворенные азотсодержащие органические субстраты, в частности мочевина и аминокислоты, используются клетками в качестве источника азота (Апйа ег а1., 1991). Азот мочевины составляет от 20 до 50% в суммарном количестве азота, ассимилируемого морским фитопланкто-
ном, а доля азота аминокислот варьирует от 10 до 90% (МиШо11а^ ег а1., 2003; А^егаоп ег а1., 2006). Набор ассимилируемых водорослями азотсодержащих субстратов видоспецифичен, и их потребление зависит от освещенности (Апйа ег а1., 1991). При доступности азота в органической форме взаимодействие между популяциями водорослей соответствует эксплуатационной конкуренции. Конкурентные параметры водорослей видоспецифично зависят от источника азота и уровня освещенности (Ильяш, Запара, 2006; Запара и др., 2007). Соответственно, следует ожидать, что структура сообществ так же будет зависеть от формы доступного азота и уровня освещенности.
В настоящей работе представлены результаты сравнительного анализа структуры фитопланктона Белого моря при обогащении добавками мочевины, глицина, нитратов или аммония при двух уровнях освещенности.
Материал и методы исследований
Эксперименты проводили на Беломорской биологической станции Московского государственного университета (Карельский берег Кандалакшского залива Белого моря) в июле-сентябре 2005, 2006 и 2007 гг. (таблица). Концентрация минерального азота
Сравнительная характеристика экспериментальных сообществ, росших с добавками нитратов (№), мочевины (М), глицина аммония (А) и без добавок азота (контрольное сообщество) при уровнях освещенности Е1 и Е2. Вмакс - максимальная суммарная
биомасса, В0 - суммарная биомасса в исходном сообществе
Параметр 2005 г. 11-29 августа 2006 г. 29 июля-12 августа 2007 г. 23 августа-10 сентября
Ei E1 E2 E1 E2
Число видов 61 46 55
Доминирующие виды в исходном сообществе Chaetoceros spp. S. costatum D. brightwellii
(Вмакс-Во)/ Вмакс в К°Шр°ЛьНом сообществе 0,69 0,97 0,97 0,85 0,87
Скорость роста (0-6 сут), сут-1 в контрольном сообществе 0,184 0,519 0,530 0,316 0,335
Соотношение Вмакс сообществ с добавками G > N = A > M G > N > A G > N = A > M N > M > G > A A > G > N > M
в Кандалакшском заливе в этот период не превышает 3 мкмоль/л, и его недостаток лимитирует развитие фитопланктона (Ильяш и др., 2003).
Фитопланктон, послуживший исходным материалом для эксперимента, отбирали с помощью сети из планктонного газа J№ 78 в слое 2-5 м и пропускали через газ №2 40 для устранения зоопланктона. В 1,5-литровые пластиковые емкости добавляли отфильтрованную морскую воду, концентрированный фитопланктон (посевной титр составлял 870-1150 кл/мл) и все за исключением азота биогенные элементы, согласно прописи среды f/2 (Guillard, Ryther, 1962). Азот вносили в виде мочевины, глицина, нитратов или аммония в концентрации 0,18 ммоль/л. Соотношение содержания азота и фосфора в среде равнялось пяти, что обусловило ограничение развития водорослей недостатком азота (Ryther, Dunstan, 1971). Контролем служил фитопланктон, росший без добавок азота. Экспериментальные емкости экспонировали in situ на плотиках на глубине 1 м. Освещенность на этой глубине далее обозначена как Ej. При проведении эксперимента в 2007 г. Ex в полдень составляла 25-365 мкЕ/(м2 с). Более низкую освещенность (E2) создавали экранированием склянок тканью средней плотности. Величина E2 составляла в среднем 51% от Er В 2005 г. эксперимент проводили только при освещенности Er Все варианты эксперимента ставили в трех повторностях. Раз в трое суток из каждой емкости отбирали пробы объемом 20 мл и фиксировали их раствором Люголя. Пробы, представляющие повторности для каждого варианта добавки и контроля, сливали и микроскопическому анализу подвергали интегральную пробу. Численность водорослей определяли методом прямого счета в камере Нажотта (объемом 0,05 мл).
Объемы клеток определяли методом геометрического подобия (Hillebrand et al., 1999). Клеточное содержание органического углерода рассчитывали по аллометрическим уравнениям (Menden-Deuer, Lessard, 2000).
Статистическую обработку проводили с помощью пакета анализа экологических данных PRIMER Version 5.2.4. (Clarke, Warwick, 2001). В качестве характеристики структуры сообществ использовали относительные вклады популяций водорослей в суммарную биомассу. Сходство структуры экспериментальных сообществ оценивали по индексу Брея-Кертиса, чувствительного к изменению относительного обилия как доминирующих, так и редких видов. Затем проводили ординацию сообществ методом многомерного шкалирования (MDS). Достоверность влияния факторов (времени, добавок азота и освещенности) на структуру сообществ оценивали процедурой двухфакторного анализа матриц сходства (ANOSIM).
При дальнейшем изложении сообщества, росшие с использованием разных источников азота, обозначены следующим образом: сообщество, ассимилирующее мочевину - M, глицин - G, нитраты -N, аммоний - A.
Результаты
Общая характеристика экспериментальных сообществ
Фитопланктон, использовавшийся в качестве посевного материала в экспериментах 2005, 2006 и 2007 гг., различался по видовому составу, обилию и структуре. В 2005 г. в исходном фитопланктоне по численности и биомассе преобладали виды рода Chaetoceros. С учетом определяющей роли Chaetoceros spp. в ис-
ходном планктоне совокупность экспериментальных сообществ в 2005 г. далее будет называться фитоце-ном Chaetoceros spp. В 2006 r. в исходном фитопланктоне по численности преобладала водоросль Skel-etonema costatum, которая уже с третьих суток роста во всех сообществах заняла лидирующее положение и по биомассе. Поэтому совокупность экспериментальных сообществ в 2006 г. далее будет называться фитоценом S.costatum. В 2007 г в исходном фитопланктоне по численности и биомассе преобладала водоросль Ditylum brightwellii. Эта водоросль сохраняла доминирование во всех сообществах в течение всего эксперимента. Соответственно совокупность экспериментальных сообществ в 2007 г. названа фи-тоценом D. brightwellii.
Во всех трех экспериментах отмечался рост водорослей в сообществах без добавок азота (контрольных). Рост, по-видимому, происходил за счет внутриклеточных запасов азота. Способность накапливать азот показана для многих водорослей (Falkowski, Raven, 1997). Скорость роста и относительный прирост биомассы в отсутствие добавок были наименьшими в фитоцене Chaetoceros spp., наибольшими - в фи-тоцене S. costatum (таблица). Это свидетельствует о том, что водоросли в исходных сообществах трех фи-тоценов различались по клеточной обеспеченности азотом: наибольшая степень дефицита азота была у водорослей в исходном сообществе фитоцена Chaeto-ceros spp., наименьшая - в фитоцене S. costatum.
Во всех фитоценах в сообществах, росших с добавками, обилие водорослей возрастало в большей
степени, чем в отсутствие добавок. Величина Вмакс фитопланктона, росшего с добавками, зависела от источника азота и уровня освещенности (таблица).
Динамика структуры сообществ
В фитоцене Chaetoceros spp. в течение первых шести суток происходила синхронная сукцессия, не зависящая от типа добавок. На 9-е сутки сообщества с добавками стали достоверно отличаться от контроля. Структура сообщества N изменилась сходным образом со структурой сообщества М, а структура сообщества G - со структурой сообщества А. На 12-е сутки отмечено достоверное отличие пар сообществ N и M, а также G и A, которое сохраняется и на 1518-е сутки (рисунок). Дифференцирующими видами, определявшими различия структуры двух групп сообществ, были водоросли Licmophora oedipus, Melo-sira moniliformis, Nitzschia sp. и мелкие пеннатные диатомеи. После 12-х суток структурные изменения во времени не были выражены.
В фитоцене S. costatum синхронная сукцессия сообществ отмечалась по 6-е сутки включительно. При этом фактор времени проявлялся совместно с фактором освещенности, достоверное влияние которого отмечалось до конца эксперимента. С 9-х по 14-е сутки по мере снижения биомассы S. costatum стали проявляться различия в структуре сообществ, ассимилировавших разные субстраты. Структура всех сообществ с добавками достоверно отличалась от контроля. На 12-14-е сутки выделяются две группы сообществ с достоверно различающимися структурами. Диффе-
Схема влияния факторов времени (1), освещенности (2), ассимилируемого субстрата (3) на структуру сообществ, росших с добавками нитратов (Ы), мочевины (М), глицина и аммония (А) при освещенности Е1 и Е2 и группы
сходства сообществ
ренцирующими видами были Chaetoceros decipiens, C. compressus, Licmophora oedipus. Хотя на поздних стадиях развития сообществ эффект добавки перекрывал эффект освещенности, однако группа сообществ A(EX) и A(E2) оказалась довольно гетерогенной по структуре, и в ней эффект освещенности проявлялся в гораздо большей степени, чем в сообществах, ассимилировавших нитраты, глицин и мочевину при двух уровнях освещенности.
В фитоцене D. brightwellii синхронная сукцессия сообществ отмечалась по 9-е сутки включительно. С 9-х по 12-е сутки основным фактором, определяющим изменения структуры, стала освещенность, и сообщества, росшие при E1 и E2 (не зависимо от добавки), достоверно отличались друг от друга. На 15-18-е сутки выделяются три группы сообществ с достоверно различающимися структурами. Таким образом, на поздних стадиях развития сообществ эффект добавки перекрывал эффект освещенности. Группа сообществ A(E2), A(E1), G(E1), G(E2) была довольно гетерогенной по структуре, в ней эффект освещенности проявлялся в гораздо большей степени, чем в сообществах N и М при двух уровнях освещенности. В наибольшей степени различия в структуре сообществ A и G, росших при разной освещенности, были обусловлены неодинаковой степенью снижения вклада Ditylum brightwellii в суммарную биомассу. Помимо этого разница в структуре сообществ, росших при разной освещенности, определялась более интенсивным ростом водорослей Melosira moniliformis, Cylindrotheca closterium, Thalassiosira sp., Navicula sp. и их большим вкладом в суммарную биомассу в сообществах A(E1) и G(E1) по сравнению с этими показателями в сообществах A(E2) и G(E2). В период, когда основным фактором, определявшим изменения структуры, являлась освещенность (9-12-е сутки), эти водоросли входили в список дифференцирующих видов.
Сопоставление результатов трех экспериментов показывает, что к 12-18 суткам роста в трех фито-ценах сформировались сообщества с разной группировкой по сходству структуры (рисунок). Похожее разбиение сообществ по группам отмечалось при E1 в фитоценах Chaetoceros spp. и D. brightwellii, за исключением того, что сообщества N(E1) и М(Е1) в фитоцене D. brightwellii попали в разные группы. В фитоценах Chaetoceros spp. и D. brightwellii сообщество А(Е1) имело сходную структуру с G(E1), а вот в фитоценах S. costatum структура этих сообществ достоверно отличалась. В фитоцене S. costatum сообщества N(E2), G(E2) и М(Е2) входили в группу высокого сходства, а в фитоцене D. brightwellii эти сообщества попали в разные группы сходства. Сообщества, асси-
милировавшие нитраты при Е1 и Е2 как в фитоцене & costatum, так и в фитоцене D. brightwellii характеризовались высоким сходством. Аналогично высокое сходство было у сообществ М(Е1) и М(Е2) в фитоцене D. brightwellii. А вот сообщества, росшие с использованием аммония и глицина при Е1 и Е2, хотя и входили в одну группу сходства, однако влияние освещенности на структуру этих сообществ проявляется в гораздо большей степени, чем на структуру сообществ, ассимилировавших нитраты и мочевину.
Обсуждение результатов
Фитопланктон, использовавшийся в качестве посевного материала для экспериментов, проведенных в летний и летне-осенний периоды, по видовому составу, обилию, структуре и по клеточной обеспеченности азотом различался в экспериментах 2005, 2006 и 2007 гг. Различия могут быть обусловлены следующими причинами.
1. Эксперименты проводили в разные календарные сроки. Для фитопланктона Кандалакшского залива характерна выраженная сезонная динамика обилия и состава доминирующих форм, обусловленная в первую очередь изменением концентрации неорганического азота и освещенности (Ильяш и др., 2003).
2. В целом для летнего периода характерно низкое содержание неорганического азота в слое над термоклином (Максимова, 1991). Однако биогенные элементы могут поступать в результате действия локальных (в пространстве и времени) гидрофизических явлений - ветрового вертикального перемешивания, интенсивного приливного перемешивания, топографически инициированных течений и др. (Пан-тюлин, 2004). Такое локальное обогащение верхней части водного столба обусловливает значительную пространственно-временную вариабельность видового состава и биомассы фитопланктона.
Наибольшая степень дефицита азота отмечалась в исходном сообществе фитоцена Chaetoceros spp., наименьшая - в фитоцене & costatum. После пульса азота (внесение добавок азота в любой форме) обилие водорослей возрастало, и изменялась структура сообществ. Сопоставление результатов трех экспериментов дает основание заключить, что структура сообществ, формирующихся после пульса азота, зависит от формы поступившего азота, освещенности, а также от исходной (до пульса) структуры сообщества и обеспеченности водорослей азотом. На начальных этапах, после того как азот стал доступен водорослям, сукцессия сообществ протекала синхронно. Различия в структуре, обусловленные освещенностью, проявлялись раньше, чем различия, обусловленные
тем, какой азотсодержащий субстрат ассимилировали водоросли. Эффект добавки проявлялся на 9-15-е сутки, при этом в трех исходных фитоценах сформировались сообщества с разной группировкой по сходству структуры.
Зависимость структуры фитопланктона от источника азота, по-видимому, обусловлена тем, что разные формы этого незаменимого элемента используются отдельными водорослями на рост и другие ме-таболитные нужды с неодинаковой эффективностью (Fan et al., 2003), причем эффективность зависит от освещенности (Levasseur et al., 1993). Так покрытие клеточных потребностей в азоте за счет мочевины у водоросли Prorocentrum minimum в три раза выше такового за счет нитратов, тогда как у Thalassiosira weissflogii наоборот, потребности в азоте на порядок более эффективно покрывались при использовании нитратов (Fan et al., 2003). Видоспецифичная и зависящая от освещенности эффективность использования определенных азотсодержащих субстратов приводит к тому, что одни популяции растут с большей скоростью при обеспеченности минеральными ресурсами, другие - при обеспеченности органическими субстратами. Более того, видоспецифичность проявляется и в отношении разных азотсодержащих органических субстратов. Например, у D. brightwellii при более высокой освещенности отмечена более высокая скорость роста при использовании мочеви-
ны, а при низкой освещенности скорость роста D. brightwellii выше при использовании глицина. У мелких пеннатных диатомей, наоборот, скорость роста была выше при ассимиляции глицина при Ех, а при Е2 - при ассимиляции мочевины. К тому же, спектры органических субстратов, которые способны потреблять морские планктонные водоросли, видоспеци-фичны (Antia et al., 1991). Соответственно, изменение относительного содержания тех или иных субстратов в общем пуле растворенного органического азота на фоне флуктуаций освещенности может приводить к изменению структуры фитопланктона.
В ряде работ показано, что поступление в экосистему азота в виде нитратов ведет к преимущественному развитию диатомовых водорослей (Collos et al., 1997; Berg et al., 2003), тогда как с пульсами азота в форме растворенного органического вещества коррелируют вспышки цианобактерий, эукариотного пико-фитопланктона и миксотрофных жгутиковых (Paerl, 1991; Berg et al., 1997, 2003; Berman, Chava, 1999). Результаты экспериментов с фитопланктоном Белого моря свидетельствуют о том, что диатомеи также могут занимать лидирующее положение в фитопланктоне при преобладании в пуле азота органических субстратов.
Авторы выражают искреннюю благодарность докт. биол. наук А.И. Азовскому за помощь в расчетах показателей сходства структуры сообществ.
Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (проект № 08-04-00932).
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Запара Е.В., Белевич Т.А., Ильяш Л.В. Конкурентные отношения между планктонными водорослями Белого моря при разных источниках азота // Журн. общ. биол. 2007. Т. 68. № 3. С. 195-204.
Ильяш Л.В., Запара Е.В. Конкуренция двух морских диатомовых водорослей за азот мочевины и нитратов при трех уровнях освещенности // Журн. общ. биол. 2006. Т. 67. № 6. С. 464-475.
Ильяш Л.В., Житина Л.С., Федоров В.Д. Фитопланктон Белого моря. М., 2003. 168 с.
Максимова М.П. Гидрохимия Белого моря // Гидрометеорология и гидрохимия морей СССР. Т. II. Белое море. Вып. 2. Л., 1991. С. 8-152.
Пантюлин А.Н. Гидрологические и экологические особенности Белого моря // География, общество и окружающая среда. Т. 6. Динамика и взаимодействие атмосферы и гидросферы. М., 2004. С. 265-281.
Andersson M.G.I., van Rijswijk P., Middelburg J.J. Uptake of dissolved inorganic nitrogen, urea and amino acids in the Scheldt estuary: comparison of organic carbon and nitrogen uptake // Aquatic Microbial Ecology. 2006. Vol. 44. P. 303-315.
Antia N.J., Harrison J.P., Oliveira L. The role of dissolved organic nitrogen in phytoplankton nutrition, cell biology and ecology // Phycologia. 1991. Vol. 30. P. 1-89.
Berg G.M., Balode M., Purina I., Bekere S., Bechemin C., Maestrini S.Y. Plankton community composition in relation to availability and uptake of oxidized and reduced nitrogen // Aquatic Microbial Ecology. 2003. Vol. 30. P. 263-274.
Berg G.M., GlibertP.M., LomasM.W., BufordM.A. Organic nitrogen uptake and growth by the chrysophyte Aureococcus anophagefferens during a brown tide event // Marine Biology. 1997. Vol. 129. P. 377-387.
Berman T., Chava S. Algal growth on organic compounds as nitrogen sources // Journal of Plankton Research. 1999. Vol. 21. P. 1423-1437.
Clarke K R, Warwick R M. Change in Marine Communities: An Approach to Statistical Analysis and Interpretation. 2nd edition: PRIMER-E. Plymouth, 2001. 172 p.
Collos Y., Vaquer A., Bibent B., Slawyk G., Garcia N., Souchu P. Variability in nitrate uptake kinetics of phytoplankton communities in a Mediterranean coastal lagoon // Estuarine, Coastal and Shelf Science. 1997. Vol. 44. P. 369-375.
Falkowski P.G., Raven J.A. Aquatic photosynthesis. Maiden, 1997. 375 p.
Fan C., GlibertP.M., LomasM.W. Characterization of urease activity in three marine phytoplankton species, Aureococcus anophagefferens, Prorocentrum minimum, and Thalassiosira weissflogii // Marine Biology. 2003. Vol. 142. P. 949-958.
GuillardR.R.L., Ryther J.H. Studies on marine diatoms. I. Cy-clotella nana Hustedt and Detonula confervacea (Cleve) Gran. // Canadian Journal of Microbiology. 1962. Vol. 8. P. 229-239.
Hillebrand H., Durselen C.D., Kirschtel D., Pollingher U., Zohary T. Biovolume calculation for pelagic and benthic mi-croalgae // J. of Phycology. 1999. Vol. 35. P. 403-424.
Levasseue M., Thompson P.A., Harrison P.J. Physiological acclimation of marine phytoplankton to different nitrogen sources // J. of Phycology. 1993. Vol. 29. P. 587-595.
Menden-Deuer S., Lessard D.J. Carbon to volume relationships for dinoflagellates, diatoms, and other protist plankton // Limnology and Oceanography. 2000. Vol. 45. P. 569-579.
Mulholland M.R., Lee C., Glibert P.M. Extracellular enzyme activity and uptake of carbon and nitrogen along an estuarine salinity and nutrient gradient // Marine Ecology Progress Series. 2003. Vol. 258. P. 3-17.
Paerl H.W. Ecophysiological and trophic implications of light-stimulated amino acid utilization in marine picoplankton // Applied and Environmental Microbiology. 1991. Vol. 57. P. 473-479.
Ryther J., Dunstan W.M. Nitrogen, phosphorus and eutrophi-cation in the coastal marine environment // Science. 1971. Vol. 171. P. 1008-1013.
Поступила в редакцию 31.05.2010
THE DEPENDANCE OF COMMUNITY STRUCTURE OF THE WHITE SEA PLANCTON ALGAE ON IRRADIANCE AND ON FORM OF AVAILABLE NITROGEN
L.V. Ilyash, T.A. Belevich
The response of phytoplankton structure to addition of different nitrogen sources and irradiance was assayed in enriched bottle experiments with the White Sea phytoplankton. Three experiments were conducted in July - September 2005, 2006 and 2007. Phytoplankton were exposed in situ 14 - 18 days with the additions of 0,18 mM/L of nitrogen as nitrate, urea, ammonium and glycine under two levels of irradiance. One level of irradiance was that at 1 m depth, another was approximately two times lower. Species composition and biomass of phytoplankton differed in three experiments, with Chaetoceros spp. dominant in 2005, Skeletonema costatum in 2006, and Ditylum brightwellii in 2007. After enrichment abundance of phytoplankton increased, and its structure changed. The differences of assembles structure caused by irradiance became apparent earlier than differences caused by nitrogen substrate. Grouping of assembles according to structure similarity was different among the three experiments. Our results revealed that phytoplankton structure depended on nitrogen source, irradiance and initial (before nitrogen pulse) phytoplankton structure.
Key words: phytoplankton, inorganic and organic nitrogen, irradiance.
Сведения об авторах: Ильяш Людмила Васильевна - вед. науч. сотр. кафедры гидробиологии биологического факультета МГУ, докт. биол. наук (ilyashl@mail.ru); Белевич Татьяна Алексеевна - ст. науч. сотр. кафедры гидробиологии биологического факультета МГУ, канд. биол. наук (3438083@list.ru).
