ПРОДУКЦИОННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ФИТОПЛАНКТОНА БЕЛОГО МОРЯ В ЗАВИСИМОСТИ ОТ ИСТОЧНИКА АЗОТА

Т.А. Белевич

Московский государственный университет им. М.В.Ломоносова, г. Москва, Россия e-mail: 3438083@list.ru

В природных экосистемах обеспеченность фитопланктона минеральными и органиче­скими ресурсами, а также световые условия меняются как во времени, так и в пространстве.

Ранее на смешанных культурах было выявлено, что динамика биомассы водорослей видоспе­цифично зависит не только от источника азота, но и от уровня освещенности (Ильяш, Запара, 2006). Последнее, с учетом различающихся энергетических и субстратных затрат водорослей при ассими­ляции восстановленных и окисленной форм азота (Huppe, Turpin, 1994), дает основание ожидать, что продукционные характеристики и природного фитопланктона будут зависеть от источника азо­та и освещенности.

В настоящем исследовании проведен сравнительный анализ динамики биомассы и продукци­онных характеристик экспериментальных сообществ фитопланктона Белого моря при ассимиляции нитратов, аммония, глицина и мочевины при двух уровнях освещенности.

Материал и методы

Эксперименты проводили на Беломорской биологической станции Московского государст­венного университета (Карельский берег Кандалакшского залива Белого моря) с 23 августа по 10 сентября 2007 г. В позднелетний период фитопланктон Белого моря лимитирован недостатком азо­та (Максимова, 1991; Ильяш и др., 2003). Согласно многолетним наблюдениям, концентрация ми­нерального азота в Кандалакшском заливе в этот период не превышает 3 мкмоль/л (Максимова, 1991).

Схема эксперимента. Фитопланктон, служивший исходным материалом для эксперимен­тов, отбирали с помощью сети из планктонного газа № 78 в слое 2-5 м. Для устранения пресса выедания растительноядным зоопланктоном фитопланктон пропускали через планктонный газ № 40. В 1,5 литровые пластиковые ёмкости добавляли отфильтрованную морскую воду, кон­центрированный фитопланктон (посевной титр - 1150 кл/мл, 2940 мкгС/л), а так же все биоген­ные элементы, за исключением азота, согласно прописи среды f/2 (Guillard, Ryther, 1962). Азот вносили в виде мочевины, глицина, нитратов или аммония в концентрации 180 мкмоль азота/л. Соотношение содержания азота и фосфора в среде равнялось пяти, что согласно общепринятым взглядам (Ryther, Dunstan, 1971), обусловливает ограничение развития водорослей недостатком азота.

емкости экспонировали in situ на плотиках на глубине 1 м. Полуденная освещенность на этой

глубине (E1) колебалась в пределах 25 - 1050 мкЕ/(м² сек). Более низкую освещённость (E2), составлявшую в среднем 51 % от E1, создавали путём экранирования склянок тканью средней плотности.

Все варианты эксперимента проводили в трёх повторностях. При дальнейшем изложении со­общества, росшие с использованием разных источников азота, обозначены следующим образом: со­общество, ассимилирующее нитраты - N, глицин - G, мочевину - M, аммоний - A. Контрольное со­общество (без добавок азота) обозначено как K.

Оцениваемые параметры. Раз в трое суток из каждой емкости проводили отбор проб объёмом 20 мл и фиксировали их раствором Люголя. Отобранные пробы, представляющие повторности для каждого варианта добавки и контроля (по три пробы), сливали и микроско­пическому анализу подвергали интегральную пробу. Численность водорослей (Nn) опреде­ляли методом прямого счета в камере Нажотта (объемом 0.05 мл). Число просчитанных кле­ток превышало 3000. При этом ожидаемая относительная ошибка измерений оказывается в пределах 5-10% (Федоров, 1979). По методу геометрического подобия определяли объемы клеток (Hillebrand et al., 1999). Для оценки величин биомассы в единицах углерода клеточ­ное содержание органического углерода в зависимости от объема клеток рассчитывали по аллометрическим уравнениям (Menden-Deuer, Lessard, 2000). Фотосинтетическое выделение кислорода оценивали скляночным методом в кислородной модификации (Винберг, 1960). Продукционные склянки инкубировали на плотиках на глубине 1 м. Склянки с фитопланкто­ном, росшим при освещенности E2, экранировали тканью средней плотности. Время экспо­зиции составляло 4 ч, объем экспонируемых проб - 30 мл. Концентрацию кислорода измеря­ли с помощью оксимера Oxi 330. По величинам фотосинтетического выделения кислорода согласно балансовому уравнению фотосинтеза (Винберг, 1960) рассчитывали фотосинтети­ческую фиксацию углерода.

Результаты и обсуждение

В составе экспериментальных сообществ фитопланктона отмечено 55 таксономиче­ских единиц, относящихся к Bacillariophyceae и Dinophyta. Диатомовые водоросли состави­ли 87% от общего числа видов. В исходном сообществе доминировала водоросль Ditylum brightwelii. Ее вклад в суммарную численность составил 32%, а вклад в суммарную биомас­су достигал 76%.

В контрольных сообществах (без добавок азота) биомасса фитопланктона увеличивалась до 6 сут эксперимента (рис.). Рост водорослей, по-видимому, происходил за счет внутрикле­точных запасов азота. Доминирование D.brightwelii сохранялось на протяжении всего экспе­римента. На 6 сут, когда суммарная биомасса в контрольных сообществах достигала максиму­ма, вклад D.brightwelii в суммарную биомассу составлял 96% при обеих освещенностях. Вели­чина накопленной биомассы (Bmax) была выше при более низкой освещенности (рис.). Это свидетельствует о том, что при E1 лимитированные по азоту водоросли, и прежде всего доми­нирующая в сообществе водоросль D.brightwelii, испытывали стресс фотоингибирования. Это также подтверждается более низкими значениями удельной фотосинтетической фиксации уг­лерода (Р/В-коэффициента) контрольных сообществ при E1, чем при E2. (табл.). При воздей­ствии ингибирующей интенсивности света часть клеточного вещества и энергии водорослей затрачивается на восстановление фотоиндуцируемых повреждений фотосинтетического аппа­рата (Falkowski, Raven, 1997), а также на более интенсивный синтез светозащитных пигмен­тов (Ben-Amotz et al., 1989), что снижает количество вещества и энергии, направляемых на рост. При увеличении биомассы водорослей в контрольных сообществах степень их лимити­рования недостатком азота возрастает. По мере увеличения степени азотного дефицита у во­дорослей чувствительность к фотоингибированию повышается (Kolber et al., 1988), а способ­ность к фотоакклимации снижается (Herzig, Falkowski, 1989).

Динамика биомассы фитопланктона (B) в присутствие добавок нитратов (N), глицина (G), мочевины (М), аммония (А) и без добавок (К) при осве­щенности E1 (а) и E2 (б).

Динамика удельной фотосинтетической фиксации углерода (Р/B, 10^-2 сут^-1) у водорослей, росших с добавками нитратов (N), мочевины (М), глицина (G), аммония (А) и без добавок азота (К) при освещенности Е₁ и Е₂.

После внесения добавок азота во всех сообществах наблюдалось увеличение суммарной био­массы водорослей, превосходящее таковое в контроле (рис.). Величина накопленной биомассы фи­топланктона зависела от источника азота и уровня освещенности.

Bmax была выше при E1, в сообществе A - при E2, а сообществе G величины Bmax существенно не различались. Это свидетельствует о том, что для водорослей, обеспеченных азотом нитратов и мо­чевины, освещенность Е2 являлась лимитирующей. При ассимиляции нитратов на их восстановле­ние используется часть восстановителя и АТФ, образованных в световых реакциях фотосинтеза (Falkowski, Raven, 1997). Потребление мочевины идет за счет активного транспорта (Williams, Hod­son, 1977) с использованием в качестве основного источника энергии фотогенерированной АТФ (Rees, Syrett, 1979). Потребность при ассимиляции нитратов и мочевины в продуктах световых ре­акций фотосинтеза и обусловило более высокие значения Bmax при лучшей обеспеченности свето­вой энергией. Величина Bmax сообщества N была выше, чем в сообществе М. По-видимому, сум­марные энергетические затраты водорослей на активный транспорт и последующую внутриклеточ­ную трансформацию мочевины оказались выше затрат на восстановление азота нитратов. Хотя от­мечено, что некоторые виды водорослей при использовании в качестве источника азота мочевины растут с большей скоростью, чем при использовании нитратов (Antia et al., 1991).

При акклимации к лимитирующей освещенности эффективность фотосинтетической фикса­ции углерода уменьшается, и фотосинтез на единицу хлорофилла (или на единицу компонента электронного транспорта) снижается (Sukenik et al., 1990; Falkowski, Raven, 1997). Снижение удель­ной фотосинтетической фиксации углерода может быть компенсировано за счет углерода, входяще­го в состав ассимилируемых органических субстратов и, в частности, глицина и мочевины (Antia et al., 1991; Mulholland et al., 2003). Преимущество покрытия потребностей не только в азоте, но и в углероде при лимитирующей освещенности за счет использования одного субстрата не проявилось ни при использовании глицина (величины Bmax при E1 и E2 существенно не различались), ни при росте с мочевиной (Bmax выше при E1).

При лимитирующей освещенности можно ожидать более эффективный рост фитопланктона с использованием восстановленного азота аммония по сравнению с ростом за счет потребления нит­ратов. При ассимиляции нитратов на их восстановление используется часть восстановителя и АТФ, образованных в световых реакциях фотосинтеза (Falkowski, Raven, 1997). Это ведет к уменьшению количества восстановителя и энергии, доступных для использования при фиксации углерода, что обусловливает меньшую скорость роста водорослей при ассимиляции нитратов, по сравнению с та­ковой при использовании восстановленного азота аммония (Huppe, Turpin, 1994). Преимущество роста с использованием восстановленного аммонийного азота при лимитирующей освещенности обусловило более высокую биомассу, накопленную сообществом А по сравнению с Bmax в сооб­ществе N.

Динамика удельной фотосинтетической активности водорослей зависела от формы азота и освещенности (табл. 1). В первые сутки роста, когда идет интенсивное потребление добавок, наи­большие величины P/B отмечены при El в сообществах M и G, а при E2 - в сообществе G. На тре­тьи сутки, когда потребление азота, по-видимому, закончилось (в силу небольшой концентрации добавок), наибольшие значения P/B достигались в сообществах N при El и М при E2. В период дос­тижения Bmax (6 сут при El и 9 сут при E2) наибольшие значения P/B отмечались в сообществах G. Сопоставление величин удельной фотосинтетической активности водорослей, ассимилирующих ту или иную добавку при двух уровнях освещенности (табл. l), показывает, что в период активного роста P/B выше при E2, чем при El в сообществах, росших с использованием глицина, мочевины (кроме первых сут) и нитратов (кроме третьих суток). Напротив, в сообществах, росших с использо­ванием аммония P/B выше при El, чем при E2 за исключением первых суток.

Таким образом, результаты обогатительных экспериментов показали, что динамика биомассы и продукционных характеристик фитопланктона зависит от источника азота и освещенности. Это, по-видимому, обусловлено различающимися энергетическими затратами на ассимиляцию восста­новленных и окисленной формы азота, а также тем, что разные формы азота используются отдель­ными водорослями на рост и другие метаболитные нужды с неодинаковой эффективностью (Fan et al., 2003), причем эффективность зависит от освещенности (Levasseur et al., l993).

Работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (грант № 08-04-00932).

Литература

Винберг Г.Г., l960. Первичная продукция водоемов. Минск: Изд-во АН БССР. 329 с.

Запара Е.В., Белевич Т.А., Ильяш Л.В., 2007. Конкурентные отношения между планктонными водорос­

лями Белого моря при разных источниках азота // Журн. общ. биол. Т. 68, № 3. С. l95-204.

Ильяш Л.В., Запара Е.В., 2006. Конкуренция двух морских диатомовых водорослей за азот мочевины и

нитратов при трех уровнях освещенности // Журн. общ. биол. Т. 67, № 6. С. 464-475.

Ильяш Л.В., Житина Л.С., Федоров В.Д., 2003. Фитопланктон Белого моря. М.: Янус-К. l68 c. Максимова М.П., l99l. Гидрохимия Белого моря // Гидрометеорология и гидрохимия морей СССР. Т.2.

Белое море. Ч.1. С. 8-193.

Федоров В.Д., l979. О методах изучения фитопланктона и его активности. М.: Изд. МГУ. l65 с.

Antia N.J., Harrison J.P., Oliveira L., 1991. The role of dissolved organic nitrogen in phytoplankton nutrition,

cell biology and ecology // Phycologia. V. 30. P. 1-89.

Ben-Amotz A., Shaish V., Avron M., 1989. Mode of action of the massively accumulated β-carotene of Dunaliella bardawil in protecting the alga against damage by excess irradiation // Plant Physiol. V. 91. P. 1040-1043.

Berg G.M., Balode M., Purina I., Bekere S., Bechemin C., Maestrini S.Y., 2003. Plankton community composition in relation to availability and uptake of oxidized and reduced nitrogen //Aquat. Microb. Ecol. V. 30. P. 263-274.

Berman T, Bronk D.A., 2003. Dissolved organic nitrogen: a dynamic participant in aquatic ecosystems // Aquat. Microb. Ecol. V. 31. P. 279-305.

Falkowski P.G., Raven J.A., 1997. Aquatic photosynthesis. Malden: Blackwell Science. 375 p.

Fan C., Glibert P.M., Lomas M.W., 2003. Characterization of urease activity in three marine phytoplankton species, Aureococcus anophagerefferens, Prorocentrum minimum, and Thalassiosira weissflogii // Mar. Biol. V. 142.

P. 949-958.

Guillard R. R. L., Ryther J. H., 1962. Studies on marine diatoms. I. Cyclotella nana Hustedt and Detonula confervacea (Cleve) Gran. // Can. J. Microbiol. № 8. P. 229-239.

Herzig R., Falkowski P.G., 1989. Nitrogen limitation in Isochrysis galbana (Haptophyceae). Photosynthetic energy conversion and growth efficiencies // J. Phycol. V. 25. P. 462-471.

Hillebrand H., Durselen C. D., Kirschtel D., Pollingher U., Zohary T., 1999. Biovolume calculation for pelagic and benthic microalgae // J. Phycol. V. 35. P. 403-424.

Huppe H.C., Turpin D.H., 1994. Integration of carbon and nitrogen metabolism in plant and algal cells // Ann. Rev. Plant Physiol. Plant Mol. Biol. V. 45. № 3. P. 577-607.

Kolber Z., Zehr J., Falkowski P.G., 1988. Effects of growth irradiance and nitrogen limitation on photosynthetic energy conversion in Photosystem II // Plant Physiol. V. 88. P. 923-929.

Levasseue M., Thompson P.A., Harrison P.J., 1993. Physiological acclimation of marine phytoplankton to different nitrogen sources // J. Phycol. V. 29. P. 587-595.

Menden-Deuer S., Lessard D.J., 2000. Carbon to volume relationships for dinoflagellates, diatoms, and other protist plankton // Limnol. Oceanogr. V. 45. P. 569-579.

Mulholland M.R., Lee C., Glibert P.M., 2003. Extracellular enzyme activity and uptake of carbon and nitrogen along an estuarine salinity and nutrient gradient // Mar. Ecol. Prog. Ser. V. 258. P. 3-17.

Rees T.A.V., Syrett P.J., 1979. Mechanisms for urea uptake by the diatom Phaeodactylum tricornutum: the uptake of thiourea // New Phytol. V. 83. P. 37-48.

Ryther J., Dunstan W.M., 1971. Nitrogen, phosphorus and eutrophication in the coastal marine environment // Science. V. 171. P. 1008-1013.

Sukenik A., Bennett J., Mortain-Bertrand A., Falkowski P.G., 1990. Adaptation of the photosynthetic apparatus to irradiance in Dunaliella tertiolecta // Plant Physiol. V. 92. P. 891-898.

Williams S.K., Hodson R.C., 1977. Transport of urea at low concentrations in Chlamydomonas reinhardtii // J. Bacteriol. V. 130. P. 266-273.

THE PRODUCTIONAL CHARACTIRISTICS OF PHYTOPLANKTON OF THE WHITE SEA IN DIFFERENT SOURCE OF NITRATE Т.А. Belevich

Moscow State University, Moscow, Russia e-mail: 3438083@list.ru

Phytoplankton was sampled in the Kandalaksha Bay of the White Sea in the end of august, 2007. The samples were kept 14 days in situ under two levels of irradiance (Е1>Е2) with additions of nitrogen in form of urea (U), glycine (G), nitrate (N) and ammonium (A). Species composition, abundance, biomass and primary production were estimated every 3rd day. After additions of nitrogen increase of gross biomass was registered in all experimental communities. This increase was considerably higher then in control. Biomass gain of phytoplankton depended on nitrogen source and irradiance level. In N and U communities Bmax was higher under E1, in A community - under E2, in G community Bmax didn't snow any considerable differences. The comparison of specific photosynthetic activity of algae, assimilating one or another addition of nitrogen under two levels of irradiance, shows, that during a period of active growth in G and U communities (except 1st day) and in N community (except 3rd day) P/B was higher under E2, than under E1. At the same time, in A communities P/B was higher under E1, than under E2 (except 1st day).