Использование радиоуглеродного метода в химико-биотических взаимодействиях

Использование радиоуглеродного метода в химико-биотических взаимодействиях

Опубликовано в категориях: Научные публикции Просмотров: 619

УДК 574.5  

Использование радиоуглеродного метода для изучения участия альгобактериального сообщества, детрита и растворенного органического вещества в химико-биотических взаимодействиях, на примере исследований в МГУ.

 С.А.Остроумов*,  А.П.Садчиков **, Криксунов Е.А. ***

*Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова, биологический факультет, доктор биологических наук, ведущий научный сотрудник лаборатории физико-химии биомембран (Россия)

**Международный биотехнологический центр, Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова, доктор биологических наук, профессор (Россия)

***Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова, биологический факультет, доктор биологических наук, член-корреспондент РАН, профессор (Россия)

Резюме. Для понимания самоочищения воды в водной экосистеме имеют существенное значение процессы трансформации  растворенного органического вещества (РОВ) и детрита. При отмирании водорослей основная масса их содержимого поступает в среду в течение одной недели. В данной статье изложены некоторые результаты экспериментального изучения  некоторых количественных аспектов трансформации и метаболизма РОВ с использованием образцов природной воды сразу после их взятия из мезотрофной пресноводной экосистемы.  Изучали гетеротрофную активность различных фракций планктона природной воды. Новые результаты детализируют понимание химико-биотических взаимодействий в водных экосистемах, что важно для анализа процессов самоочищения воды.

Ключевые слова. качество воды, водоросли, бактерии, цианобактерии, растворенное органическое вещество (РОВ), гетеротрофная активность, взвешенное органическое вещество (ВОВ), детрит, пресноводная экосистема, мембранные фильтры, радиоуглеродный метод,

S.A. Ostroumov*, A.P. Sadchikov **, E.A.Kriksunov***

*Moscow State University named after M.V. Lomonosov, Faculty of Biology, Doctor of Biological Sciences, Leading Researcher, Laboratory of Physical Chemistry of Biomembranes (Russia)

**International Biotechnology Center, Moscow State University named after M.V. Lomonosov, Doctor of Biological Sciences, Professor (Russia)

***Moscow State University named after M.V. Lomonosov, Faculty of Biology, Professor, Corresponding Member of Russian Academy of Sciences;

KEYWORDS: water quality, algae, bacteria, cyanobacteria, dissolved organic matter (DOM), heterotrophic activity, particulate organic matter, detritus, freshwater ecosystem, membrane filters, radiocarbon method.

1.Введение

Для оценки состояния водоемов и прогнозирования состояния, для устойчивого использования водно-биологических ресурсов большое значение имеет качество воды в водоемах. Качество воды определяется многими параметрами, в том числе количеством и составом растворенного в воде органического вещества.

Основная масса природного органического вещества (ОВ) в водоемах формируется за счет прижизненных и посмертных выделений организмов, в первую очередь фитопланктона. Водоросли прижизненно выделяют в среду до 30-50% синтезированного органического вещества, временами значительно больше [1].

Водоросли, в том числе отмершие, вносят существенный вклад в формирование взвешенного органического вещества (ВОВ) и растворенного органического вещества (РОВ). ВОВ и РОВ являются важными параметрами качества воды.

При отмирании фитопланктона его клетки лизируются, а их содержимое поступает в среду и утилизируется микроорганизмами. Скорость разрушения водорослей имеет большое значение для жизнедеятельности гидробионтов. С одной стороны, поступление в среду  легкоусвояемого  ОВ приводит к увеличению численности микроорганизмов,  с другой – при низкой скорости лизиса происходит захоронение отмерших клеток вместе с их содержимым в донных отложениях.  Наиболее ярко это проявляется в неглубоких  водоемах.

Показано, что скорость оседания детрита составляет около одного метра в сутки и зависит от размера частиц. За одну неделю он успевает опуститься до отметки 7-10 м [1].

Цель данной статьи – установить в экспериментальных исследованиях судьбу углерода из биогенных частиц детрита в пресноводной экосистеме на примере мезотрофного Можайского водохранилища (Московская область).

2.Материалы и методы

Работу  проводили в мезотрофном  Можайском водохранилище;  пробы отбирали с глубины 0.5 м в склянки объемом по 250 мл. В них добавляли  NаН14СО3 с таким расчетом, чтобы в 1 мл было около 100 тыс. имп./мин и экспонировали в люминостате в течение одних суток. Затем содержимое склянок фильтровали  (по 50 мл) через мембранные фильтры (диаметр пор 1.5 мкм). То есть, отфильтровывали имеющиеся там водоросли (и иные частицы) и готовили из них меченый по углероду детрит (далее в данной статье его называли «экспериментальный детрит»).

            Часть фильтров с мечеными водорослями помещали в сцинтилляционный счетчик «Rackbeta 1271» (Швеция) для определения исходной радиоактивности. Другую серию –  нагревали до 50оС (в течение 3 ч) и затем замораживали (6 ч). Получали, таким образом, убитые водоросли, которые условно назвали «экспериментальным детритом» [2-5].

            Затем к фильтру с меченым «экспериментальным детритом» приклеивали тонкую капроновую нить и подвешивали в склянке, заполненной стерильной водой из водоема. Опытные склянки осторожно помешивали на качалке в течение 30 минут, затем помещали в темный шкаф, где инкубировали их в течение всего эксперимента; склянки периодически осторожно перемешивали.

            Отбор проб для дальнейших экспериментов проводили на 1-, 3-, 7- и 15-й день. Из серии склянок с меченым «экспериментальным детритом» отбирали аликвоту воды и фильтровали ее через мембранный фильтр (диаметр пор 0.2 мкм) для удаления взвеси. Фильтрацию проб осуществляли при разрежении 300 мм рт. столба [6, 7]. Полученный фильтрат подкисляли до величины рН 3, барботировали в течение 30 минут и определяли его радиоактивность на сцинтилляционном счетчике. Таким образом, получали количество выделившегося  при разрушении «экспериментального детрита» (т.е. убитых водорослей) меченого РОВ.  При расчетах учитывали сорбцию 14С фильтром [8].

            В  других экспериментах на Можайском водохранилище в течение лета  с периодичностью три раза в месяц определяли потребление низкомолекулярного органического вещества (гидролизата белка) бактериальным сообществом. Параллельно в водоеме регистрировали видовой состав фитопланктона.

            Пробы воды отбирали в поверхностном слое водоема (на глубине около  0.5 м), разливали в темные склянки (в 6 повторностях),  добавляли 14С-гидролизат белка фирмы Amersham (США), из расчета, чтобы в склянке количество белка было около 30 мкг С/л (рассчитывали исходя из его концентрации, указанной в техническом паспорте препарата).  Сосуды экспонировали на глубине отбора проб в течение 8 ч. [3-5].

            После экспозиции из склянок отделяли бактерии (фильтровали через сита разного размера и мембранные фильтры).  Из освобожденного от водорослей фильтрата отфильтровывали бактерий (в 6 повторностях) через фильтры с порами 0.2 мкм и измеряли его радиоактивность. Подсчет радиоактивности образцов проводили на сцинтилляционном счетчике «Rackbeta 1217» [3-5, 9].

            Интенсивность потребления меченого органического вещества сообществом водорослей и бактерий, находили по разнице между количеством внесенного в экспериментальные сосуды меченого РОВ и потребленного  фито- и бактериопланктоном. Для дальнейших расчетов использовали среднее значение радиоактивности шести фильтров фракций водорослей и бактерий. Потребление меченого РОВ пересчитывали на один час.

            Концентрация меченого по 14С-гидролизат белка составляла доли процента той, которая обычно наблюдается в водоемах, поэтому по интенсивности включения в клетки организмов  меченого РОВ можно с некоторыми допущениями судить о процессах, протекающих в водоемах.

Как мы уже отмечали в наших предыдущих статьях по данной теме, используется следующая терминология. Размерная фракция планктона, обогащенная бактериями, для краткости называется фракцией бактерий. Размерная фракция планктона, обогащенная фитопланктонными водорослями, для краткости называется фракцией водорослей.

В статье используется термин «фито- и бактериопланктон». Этот термин обозначает суммарную фракцию, содержащую и фитопланктон, и бактериопланктон.

Подчеркнем, что все исследования проводились таким образом, что меченое по углероду органическое вещество никоим образом не поступало в водную среду природной экосистемы. Таким образом, полностью исключалась контаминация природной среды.

3.Результаты исследований

            Поступление в среду содержимого водорослей («экспериментального детрита») при их отмирании осуществляется  сразу же, начиная с первого дня опыта. Основная масса органического вещества терялась клетками  в течение первой недели после начала опыта (Таблица 1). В большинстве экспериментов наибольшие значения выделения РОВ приходились на 3-7-й день опыта. Выделение РОВ в среду в первую неделю было линейным; в течение второй недели поступление в среду  органического вещества существенно замедлилось.

Таблица 1.  Выделение растворенного органического вещества (РОВ) экспериментальным детритом (мкг С/л) в образцах стерилизованной природной воды из мезотрофной экосистемы, на седьмой день инкубации . Каждое из чисел является средним значением при усреднении результатов трех экспериментов в течение указанного месяца. Каждое измерение делали в шести повторностях. Таким образом, каждое число является средним значением для 18 измерений.

Месяц

Выделение РОВ экспериментальным детритом (мкг С/л)  на 7-й день инкубации

июнь

2.32

июль

1.78

           

В первый день опыта экспериментальный детрит выделял в среду около  0.5 мкг С/л. В первую очередь разрушались водоросли с нежными стенками. В последующие дни в среду выделялось несколько больше органического вещества. В планктоне водохранилища преобладали динофитовые водоросли, которые имеют жесткую оболочку, из которых РОВ выделялось значительно медленнее.  На 7-й день опыта в среду выделялось максимальное количество меченого РОВ – от 1.8 до 2.3 мкг С/л. Затем выделение РОВ в среду существенно уменьшилось.

Был изучен состав фитопланктона в альгобактериальном сообществе исследованной водной экосистемы. В течение всего лета в планктоне преобладали динофитовая водоросль  Ceratium hirundinella  и цианобактерии (Microcystis aeruginosa, Aphanizomenon flos-aquae, Anabaena sp.).  Зеленые и диатомовые водоросли  были представлены незначительно.

            Можно сказать, что в условиях конкретной экосистемы разрушение отмерших водорослей и поступление их содержимого в среду происходило в основном в течение одной недели.

            Исследования в данной водной экосистеме (Можайском водохранилище) показали, что отмерший фитопланктон за одну неделю успевает опуститься до отметки 7-10 метров. В неглубоком водоеме, в частности, в пруду глубиной 3 метра (в нем так же проводили исследования), детрит оседает на дно менее разложившимся, чем в водохранилище. Детрит пруда, собранный в ловушки, установленные у дна водоема, содержал в 3-5 раз больше азота и углерода, чем аналогичный детрит водохранилища (глубиной 10-12 м). Дальнейшее разложение детрита осуществляется на дне пруда, что приводило к заморным явлениям, и резкому уменьшению содержания кислорода в воде [1].

                Как  уже отмечалось, в водохранилище в начале лета преобладали диатомовые водоросли,  в июле и августе – цианобактерии и динофитовые. На долю динофитовых  в августе приходились до 90% биомассы фитопланктона. Прозрачность воды по диску Секки в течение периода исследований изменялась от 0.7 до 3.7 м, величины рН 8.0-9.9  [10]. 

            Численность бактерий в течение  исследованного периода достигала 3.7 млн. кл./мл, из которых в среднем на долю одиночных клеток приходилось около 90% бактерий, остальное – на долю агрегированных (колониальные  и  детритно-бактериальные ассоциации).  Наибольшее количество агрегированных бактерий  –  15-20% наблюдали в середине августа во время отмирания фитопланктона. Количество частиц планктонного детрита достигало 20 тыс./мл воды. Размер частиц не превышал 50 мкм; скорость его оседания в толще воды составляла 0.8-1.0 м в сутки [11]. Детрит в водохранилище имеет в основном альгогенное происхождение, поэтому увеличение его количества наблюдалось в период отмирания фитопланктона.

Для изучения гетеротрофной активности микроорганизмов использовали меченый по 14С гидролизат белка, содержащий набор аминокислот.

Результаты количественной характеристики участия планктонных микроорганизмов (бактерии, водоросли) в поглощении меченого РОВ из воды показаны в Таблице 2.

В этой таблице 2 каждое число является средним значением для трех экспериментов в течение данного месяца. Каждое измерение делали в шести повторностях. Таким образом, каждое число является средним значением для 18 измерений.

Таблица 2. Поглощение и использование (трансформация) альгобактериальным сообществом  меченого по 14С гидролизата белка (модель РОВ в водной среде) после инкубации в течение 8 часов в условиях (температура, освещенность) водной среды мезотрофной экосистемы Можайского водохранилища. Инкубация велась в образцах природной воды, содержащей бактерии и водоросли природного альгобактериального сообщества. За 100% принято суммарное количество 14С (поглощенное клетками бактерий и водорослей + оставшееся непоглощенным в воде).

Месяцы

А

Неиспользованное бактериями и водорослями РОВ (14С) в водной среде, %

Б

Использованное (потребленное) водорослями и бактериями 14С (т.е. ассимилированное РОВ для создания новой биомассы + минерализованное РОВ), %

июль

40.7

59.3

август

52.0

48.0

сентябрь

80.3

19.7

Наблюдения показали, что фито- и бактериопланктон Можайского водохранилища в течение вегетационного сезона потребляет значительную часть меченого РОВ, т.е. гидролизата  белка  (от внесенного в экспериментальные сосуды) (Табл. 2). Наибольшее количество РОВ потреблялось микроорганизмами в июле.

Было проведено дополнительное исследование дальнейшей трансформации поглощенного альгобактериальным сообществом меченого РОВ. Дополнительная информация по этому вопросу будет сообщена в отдельной публикации.

ВОВ (в том числе частицы биогенного детрита) и РОВ являются важными параметрами качества воды. Удаление ВОВ и РОВ из воды [12, 13] входит в комплекс происходящих в водной экосистеме процессов улучшения качества воды и самоочищения воды [14-23].

Полученные данные и их анализ имеют значение для более полного и глубокого понимания природных процессов формирования качества воды, что вносит вклад в разработку научных основ сохранения и улучшения качества воды  [24-31].

4. Выводы

1. Проведен большой объем измерений, характеризующих трансформацию растворенного органического вещества (РОВ) и судьбу радиоактивного углерода  частиц детрита, которые были инкубированы в образцах природной воды, содержащей бактерии, цианобактерии и водоросли. Показано, что существенная часть радиоактивного углерода, внесенного в водную среду в составе РОВ (гидролизата белка), поглощается бактериями и фитопланктонными водорослями. Доля поглощенного ими меченого углерода изменялась в разные месяцы.

2. Полученные новые данные вносят вклад в понимание химико-биотических взаимодействий в водных экосистемах и  в познание существенных деталей формирования качества воды в мезотрофной экосистеме.

5. Благодарность. Авторы благодарят аспирантов и студентов, которые участвовали в отдельных стадиях данной работы. Авторы благодарят ученых МГУ и РАН за консультации и обсуждение.

6. Литература

  1. Садчиков  А.П.  Продуцирование и трансформация органического вещества размерными группами фито- и бактериопланктона: На примере водоемов Подмосковья: Автореферат дис. ... доктора биологических наук: 03.00.18 // МГУ им. М.В.Ломоносова. – Москва, 1997. – 53 с.
  1. Cole J.J., Likens G.E, Hobbie J.E. Decomposition of planktonic algae in an oligotrophic lake. //Oikos, 1984. Vol N 3. – 257-266.
  2. Садчиков А.П., Остроумов С.А. Методические аспекты изучения продукционно-деструкционных процессов в водных экосистемах // Ecological Studies, Hazards, Solutions. 2018. Vol. 25. – P.139-146.
  3. Садчиков А.П., Остроумов С.А. Потребление низкомолекулярного органического вещества водорослями и бактериями (на примере мезотрофной экосистемы) // Ecological Studies, Hazards, Solutions. 2018. Vol.25. – P.146-153.
  4. Садчиков А.П., Остроумов С.А. Совершенствование методологии при изучении гетеротрофной активности водорослей и бактерий // Ecological Studies, Hazards, Solutions. 2018. Vol.25. – P.153-160.
  1. Садчиков А.П., Куликов А.С. Трансформация прижизненно выделенного фитопланктоном органического вещества  бактериальным  сообществом. // Гидробиол. журнал, 1990, т. 26, № 6, с. 13-16.
  2. Садчиков А.П., Куликов А.С. Утилизация посмертных выделений фитопланктона бактериальным сообществом. // Гидробиол. журнал, 1992, т. 28, № 5, с. 16-21.
  1. Садчиков А.П., Френкель О.А. Сорбция меченых соединений мебранными фильтрами. // Информ. Бюлл. Биология внутренних вод АН СССР. 1990. № 89. – С. 81-83.
  2. Садчиков А.П., Макаров А.А. Потребление и трансформация низкомолекулярного РОВ фито-и бактериопланктоном в двух водоемах разной трофности. // Водные ресурсы, 2000, т.27, № 1, с. 72-75.
  3. Садчиков А.П., Каниковская А.А. Роль бактериопланктона в деструкции органического вещества Можайского водохранилища. – Микробиол. журнал, 1984, т. 46, вып. 4, с. 10-14.
  4. Ostroumov S.A., Sadchikov A.P. Dynamics of the content of nitrogen, phosphorus, and carbon in the detrital particles suspended in water phase of ecosystems: consideration of water quality formation and exometabolism. //Russian Journal of General Chemistry, 2018. Vol. 88 (13), 2912-2917. https://www.researchgate.net/publication/331099556 ;
  5. Садчиков А.П., Остроумов С.А. Формирование качества воды в пресноводной экосистеме и потребление низкомолекулярного органического вещества водорослями и бактериями // Рыбное хозяйство. – 2019. – № 2. – С. 65-69.
  1. Садчиков А.П., Остроумов С.А.  Выявление и количественная оценка существенного вклада водорослей и бактерий в формирование качества воды и удаление растворенного органического вещества из воды эвтрофной экосистемы. // Рыбное хозяйство, 2019, № 5, с. 60-65.
  2. Остроумов С.А. Биологический механизм самоочищения в природных водоемах и водотоках: теория и практика // Успехи современной биологии. 2004. Т.124. №5. С. 429-442. https://www.academia.edu/790429/ ; http://scipeople.ru/publication/67095/ ; www.scribd.com/doc/57695131/ ;
  3. Остроумов С.А. О некоторых вопросах поддержания качества воды и ее самоочищения // Водные ресурсы. 2005. т. 32. № 3. С. 337-347. https://www.researchgate.net/publication/266736152;
  4. Остроумов С.А. Гидробионты в самоочищении вод и биогенной миграции элементов. Москва, МАКС-Пресс. 2008, 200 с.  https://www.researchgate.net/publication/266200066;
  5. Остроумов С.А. Качество и кондиционирование воды в природных экосистемах разработка теории биологических механизмов самоочищения воды // Экологическая химия 2017, т.26(4); 175–182.   https://www.academia.edu/43223672/ ;    https://www.researchgate.net/publication/319955185.
  6. Ostroumov S.A. Ecological theory of improving water quality in healthy aquatic ecosystems: theory of water self-purification.// Green Economy in the Era of Fourth Industrial Revolution. (Editors: Jovanović L. et al.). 2021. p. 69–92. https://www.academia.edu/77972322/ ;
  7. Ostroumov, S. A. On the biotic self-purification of aquatic ecosystems: elements of the theory // Doklady Biological Sciences. - 2004. - Vol.396. - P. 206-211; https://www.academia.edu/40842047/ ; DOI:10.1023/B:DOBS.0000033278.12858.12 ;
  8. Ostroumov, S. A. Biomachinery for maintaining water quality and natural water self-purification in marine estuarine systems: elements of qualitative theory. // Int. Journal of Oceans Oceanography. - 2006. - Vol.1. - No.1.- P. 111-118; https://www.academia.edu/44091281/ ;
  9. Ostroumov, S. A. Basics of the molecular-ecological mechanism of water quality formation and water self-purification.// Contemporary Problems of Ecology. - 2008. - Vol.1. - P. 147–152; https://www.academia.edu/1892721/ ;
  10. Ostroumov S.A., Biocontrol of water quality: Multifunctional role of biota in water self-purification // Russian Journal of General Chemistry, 2010, Vol. 80(13), p.2754-2761; https://www.academia.edu/1892485/ ; https://www.researchgate.net/publication/227303635;
  11. Ostroumov S.A., Water quality and conditioning in natural ecosystems: biomachinery theory of self-purification of water. //- Russian Journal of General Chemistry, 2017, Vol. 87, No. 13, pp. 3199–3204. https://www.academia.edu/44021682/  ; https://www.researchgate.net/publication/323122008;
  12. Boyd C. E. Water quality: an introduction. – Springer Nature, 2019.
  13. McCutcheon, Steve C., James L. Martin, and Thomas O. Barnwell Jr.  Water quality.// Handbook of hydrology. (1992): 11-73.
  14. Hounslow, Arthur W. Water quality data: analysis and interpretation. CRC press, 2018.
  15. Uddin M. G., Nash S., Olbert A. I. A review of water quality index models and their use for assessing surface water quality //Ecological Indicators. – 2021. – Т. 122. – С. 107218.
  16. Ighalo J. O., Adeniyi A. G., Marques G. Artificial intelligence for surface water quality monitoring and assessment: a systematic literature analysis //Modeling Earth Systems and Environment. – 2021. – Т. 7. – №. 2. – С. 669-681.
  17. Van Vliet, M. T., Jones, E. R., Flörke, M., Franssen, W. H., Hanasaki, N., Wada, Y., & Yearsley, J. R. Global water scarcity including surface water quality and expansions of clean water technologies //Environmental Research Letters. – 2021. – Т. 16. – №. 2. – С. 024020.
  18. Manoiu, V. M., Kubiak-Wójcicka, K., Craciun, A. I., Akman, Ç., & Akman, E. (2022). Water Quality and Water Pollution in Time of COVID-19: Positive and Negative Repercussions. //Water, 14(7), 1124.
  19. Jiang, L., & Chui, T. F. M. (2022). A review of the application of constructed wetlands (CWs) and their hydraulic, water quality and biological responses to changing hydrological conditions. //Ecological Engineering, 174, 106459.

РЕЦЕНЗИЯ НА СТАТЬЮ

Использование радиоуглеродного метода для изучения участия альгобактериального сообщества, детрита и растворенного органического вещества в химико-биотических взаимодействиях, на примере исследований в МГУ. (авторы статьи - С.А.Остроумов,  А.П.Садчиков, Криксунов Е.А.).

Рецензируемая статья авторов, работающих в МГУ, посвящена важным для теории и практики сложным вопросам того, как связана жизнедеятельность альгобактериального сообщества  (бактерии, водоросли) водной экосистемы и сложная динамика растворенного органического вещества (РОВ) и взвешенного в воде органического вещества (ВОВ). В свою очередь, динамика ВОВ тесно связана с динамикой состояния детрита в водной толще экосистемы. Авторы статьи разработали новый интересный метод получения экспериментального детрита, меченого по углероду. Авторы использовали уникальные возможности весьма эффективного радиоуглеродного метода и методологию фильтрования природной воды с помощью мембранных фильтров. В статье сообщается о новых количественных результатах работ по указанным вопросам. Статья содержит ценную научную информацию, рекомендуется к опубликованию. Результаты имеют несомненную научную ценность, полезны для анализа фундаментальных научных вопросов, а также для создания научных основ экологической безопасности источников водоснабжения и устойчивого использования водных и водно-биологических ресурсов.

В.В.Ермаков, доктор биологических наук, профессор, Заслуженный деятель науки Российской Федерации.

Яндекс.Метрика