Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Азотфиксация в Баренцевом море

ВАК РФ 03.00.07, Микробиология

Автореферат диссертации по теме "Азотфиксация в Баренцевом море"

АКАДЕМИЯ НАУК СССР ИНСТИТУТ МИКРОБИОЛОГИИ

На правах рукописи

УДК 579.266 (268.45)

МОСКВИНА Мария Игоревна

АЗОТФИКСАЦИЯ В БАРЕНЦЕВОМ МОРЕ (специальность 03.00.07 — микробиология)

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Москва —1991

Работа выполнена в лаборатории планктона и микробиологии Мурманского морского биологического института КНЦ АН СССР.

Научный руководитель:

доктор биологических наук И.Е.Мишустина

Официальные оппоненты:

доктор биологических наук В.М. Горленко I доктор биологических наук М.М. Умаров |

Ведущее учреждение: Институт глобального климата и экологии Госкомгидромета СССР и АН СССР (г.Москва)

Защита состоится " 1С" ^■¿Ха!^^ _1991 г.

в /У час. на заседании Специального совета Д 002.64.01 по присуждению ученой степени кандидата биологических наук в Институте микробиологии АН СССР, по адресу: Москва, 117312, пр. 60-летия Октября, ?, кор.2.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института микробиологии АН СССР.

Автореферат разослан

Ученый секретарь Специализированного совета кандидат биологических наук

д. е. Никитин

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность проблемы. В морях и океанах процесс фиксации

газообразного азота, так же, как фиксация СО , определяет жизнь

2

и продуктивность водоемов. В связи с обширностью акваторий и трудностями отбора проб в условиях моря, сведения о морских азо-тфиксирующих микроорганизмах и активности процесса азотфиксации в морях и океанах весьма скудны. Вместе с тем в последние десятилетия началось интенсивное развитие морских хозяйств и встает вопрос о повышении продуктивности морских водоемов. Дефицит соединения азота в морской воде и осадках ставит проблему азотфиксации в число наиважнейших. Большой научный и практический интерес представляет изучение особенностей видового состава морских азотфиксаторов и их взаимоотошений с другими обитателями моря.

В последние годи к процессу азотфиксации и азотфиксирукмцим морским микроорганизмам появился большой интерес в связи с подходом к океану, как источнику биологических ресурсов и с увеличивающимся поступлением в него азота антропогенного происхождения. Однако, моря нашей страны остаЬтся в этом плане практически не изучены. Систематические исследования по азотфиксации проводились только в Черном (Пшенин, 195Э, 1964, 1966, 1973) и Японском (Одинцов, 1979, 1981, 1983; Одинцов, Лаптева, 1986) морях.

В Баренцевом море микробиологические исследования ведутся с конца прошлого века; но роль бактерий в цикле азота практически не исследовалась. В настоящее время наблюдается повышение интереса к Арктике в связи с усиливающейся на нее антропогенной нагрузкой. Кроме того, в Баренцевом море возможно успешное развитие морских хозяйств по выращиванию промысловых видов беспозвоночных и макрофитов. Поэтому изучение процессов круговорота азота является весьма актуальным.

Цель и задачи работы. Определение азотфиксирующей активности

ацетиленовым методом в пелагиали Баренцева моря и в эпифитных сообществах сублиторали и ее зависимости от ряда гидрологических и экологических параметров. Определение численности и закономерностей распространения азотфиксирующих микроорганизмов в воде и донных отложениях Баренцева.моря, а также на поверхности макрофитов в прибрехье. Изучение физиолого-биохимических свойств основных групп азотфиксирующих микроорганизмов Баренцева моря и установление таксономического положения одноклеточных цианобактерий и ана-. эробных клостридиальных форм.

Научная новизна. Впервые представлены данные по интенсивности процесса азотфиксации в воде Баренцева моря и в эпифитных сообществах бурых водорослей на сублиторали Арктики. С талломов макрофитов выделены и определены до рода одноклеточные цианоо'актерии. Показана связь процесса азотфиксации с атлантическими водами. Из донных отложений выделены с глубин до двух метров анаэробные кло-стридиальные формы и определены до вида, что ранее не было известно для Баренцева моря. Установлена неравномерность распределения азотфиксирующих бактерий по длине таллома ламичарии и связь азотфиксации с наличием однок леточных цианобактерий в зоне роста водорослей. Изучена сезонная динамика азотфиксации и установлено ее увеличение во время активного фотосинтеза водоросли.

Практическая ценность. Создана коллекция азотфиксирующих морских микроорганизмов, включающая одноклеточные цианобактерии и кло-стридии. Наличие чистых культур азотфиксирующих бактерий создает предпосылки использования их для обогащения вод в местах марикуль-туры. Дана карта Баренцева моря с указанием районов повышенной азотфиксации, что дает основание для прогнозирования районов с большей продуктивностью.

Апробация работы. Материалы диссертации докладывались на I и II Всесоюзных конференциях "Проблемы четвертичной палеоэкологии и палеогеографии северных морей" (Мурманск, 1985, 1987), Всесоюзной

2

конференции "Экология и биологическая продуктивность Баренцева моря" (Мурманск, 1986), Консультативном Совете (ЗИН АН СССР, Ленинград,1987), заседании микробиологической секции ВГБО (Москва, 1989), Всесоюзной конференции "Экология, воспроизводство и охрана биоресурсов морей Северной Европы" (Мурманск,1990), Ученом Совете ММБИ КНЦ АН СССР (Мурманск, 1991) и совместном заседании лабораторий Института микробиологии АН СССР (Москва, 1991).

К настоящему времени по теме диссертации опубликовано 10 работ и 3 находятся в печати.

Структура и об'ем диссертации. Диссертация содержит 7 разделов, включая введение,обзор литературы, материалы и методы, результаты и обсуждение, обсуждение, выводы и список литературы. Работа изложена на 142 страницах с 21 рисунком и 7 таблицами. Библиография насчитывает 143 работы на русском и 173 на иностранном языках, МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ Краткая характеристика района исследований. Баренцево море -самое западное и одно из крупнейших среди морей арктического пояса СССР, материковое окраинное по типу. Площадь его зеркала равна 1438,4 тыс.кв.км, средняя глубина - 186 м, а максимальная - около 600 м (Добровольский, Залогин,1982). В целом для моря характерен перенос водных масс системами мощных струй постоянных теплых(атлантических) течений, взаимодействие которых приводит к формированию фронтальных зон. Находясь под непосредственным влиянием атлантических вод, море практически никогда не покрывается полностью льдом.

Водные массы района исследований формируются главным образом из вод, поступавших с прибрежной ветвью Мурманского течения, собственно баренцевоморских и пресных, стекающих с материка. Сезонный ход температуры в общих чертах следующий: в зимнее время (декабрь-апрель) наблюдается гомотермия; минимум температуоы приходится "на февраль-апрель. В середине-конце апреля появляются первые признаки термической стратификации водной толии. Прогрей вод с поверхности

до ?0-80 и начинается с июня, а к концу сентября вертикальный температурный градиент исчезает (Воронков и др., 1948, Цехоцкая,1981). Максимально возможная продолжительность дня колеблется от 0 - в период полярной ночи до 24 часов - в период полярного дня. Пространственно-временное распределение нитратов в Баренцевом море определяется динамикой водных масс и продукционно-деструкционными процессами и имеет четко выраженную сезонную динамику (Лаппалайнен,I960; Ильин и др., 1985).

Губа Дальнезеленецкая площадью 1,5 кв.км имеет хороший водообмен с морем благодаря сильным приливно-отливным течениям. Температурный режим вод губы складывается под влиянием модифицированного Атлантического течения (Танцюра, 1956). Накопление биогенных элементов (N, Р, S1) в водах губы происходит в осенне-зимниЛ период, а с апреля по август они интенсивно потребляются планктонным сообществом. Губа Дальнезеленецкая весьма характерна для Восточного Мурмана и является удобным полигоном для гидробиологических мони-' торинговых исследований.

Методы измерения фиксации азота. Наличие азотфиксирующей (нит-рогеназной) активности определяли ацетиленовым методом в 185 пробах морской воды из открытых районов Баренцева моря в июне-июле 1987 г. Образцы воды, об'емом 10 мл, помещали в инкубационные сосуды емкостью 14 мл, которые затем герметизировали, и шприцем вводили 1 мл ацетилена. После 4 или 6-часовой инкубации проб их фиксировали,bhq-ся 0,4 мл 25% раствора глутаральдегида. Далее из сосудов (2-3 пов-торности для каждого образца) шприцем отбирали пробу газовой смесу об'емом 0,5 мл и вводили в газовый хроматограф "Chrom-4" (ЧСФР) с пламенно-ионизационным детектором. Для пересчета скорости продуцирования этилена из ацетилена в скорость фиксации азота использовали

теоретическое молярное отношение С H : N -3 (Hardy et al., 1973).

2 4 2

Образцы ламинарии готовили следующим образом. Из соответствующих участков пластины макрофитов одного возраста (1+) делали вы-

сечки не более 1 кв.см, измеряли их площадь и вес, споласкивали в стерильной морской водэ и помещали в инкубационные сосуды об'емом 14 мл с 5 мл стерильной морской воды. Дальнейшие операции проводили как и для проб с морской водой. Экспозиция с ацетиленом составляла 12 и 24 часа.

Методы определения численности, выделения и культивирования морских микроорганизмов из воды, донных отложений и макрофитов. При анализе прямым микроскопированием на поверхность высечки из ламинарии размером 1-2 кв.см наносили каплю водного раствора акридинового оранжевого (концентрация 0,01%). Через 1 мин. избыток краски удалили. образец переносили на предметное стекло, на него наносили каплю иммерсионного масла, затем накрывали покровным стеклом и препарат анализировали под люминесцентным микроскопом МЛД-I при увеличении х 1000. Подсчет проводили в квадрате площадью 135 кв.мкм в 21-22 полях зрения.

Для подсчета живых бактериальных клеток предварительно взвешенную и промытую в стерильной морской воде высечку таллома ламинарии мацерировали, переносили в колбу со 100 мл стерильной морской воды и ставили на 30 мин. на аппарат для встряхивания. Из полученного разведения делали посевы по 1 мл на среды Емцева и Винограде-кого (Мишустин, Емцев, 1974). и по 0,1 мл на чашки Петри со средами РПА и Эшби с 10% отвара из ламинарии.

Отбор проб воды в открытых районах Баренцева моря проводили q

горизонтов 0,10,20,30,50,75,100 м и придонный простерилизованными о

96-м этиловым спиртом металлическими батометрами БМ-48 или пластиковым 5-ти литровым батометром Бан-Дорна. Для взятия колонок грунта использовали ударную грунтовую трубку диаметром 90 мм. Пробы донных отложений отбирались стерильными шпателем или стеклянной трубочкой с поршнем из середины илового монолита с расстояний от erg поверхности 0-5,20.40,60.100,120,150,200 см. Пробы осадков помещали в колбы со 100 мл стерильной морской воды и на 30 мин. ставили на

аппарат для встряхивания. Для посева брали по 1 мл воды из батометров или суспензий из полученных разбавлений проб донных отложения после осаждения в них крупных частиц. Методом предельных разведений с помощью таблиц Мак-Креди (Родина, 1965) велся учет численности

бактерий на жидких селективных средах (Мишустин, Емцев,1974), при-

о

готовленных на морской воде, при температуре 15-20 С. Наблюдение за ростом и учет бактерий проводили каждые сутки в течение 6-14 дндй по ряду признаков.

Выделение чистых культур проводили из накопительных после количественного учета бактерий. Материал из отобранных пробирок рас-севали на агаризованные среды и ставили в анаэростат на 5-7 суток. Затем единичные колонии просматривали под микроскопом и вновь пересевали в жидкие среды. После 5-7 суточной инкубации суспензии о

пастеризовали при 80 С 15 мин. Затем вновь проводили посев на чашки с последующим отсевом колоний в жидкие среды. Полученные культуры проверяли на чистоту посевом на косяки РПА. Ферментацию различных источников углерода изучали на жидких средах с концентрацией углеводов и спиртов 10 г/л. Идентификацию проводили по ряду руководств (Мишустин, Емцев,1974; Дуда,1979; Bergey's..., 1986). Азотфиксирую-щую способность определяли ацетиленовым методом (Hardy et al, 1969) Посев на твердые среды (РПА, Эшби) проводили наложением на нцх мембранных фильтров с фильтрующей поверхностью 707 кв.мм "Сынпор" с диаметром пор 0,23 или 0,12 мкм после фильтрации через них проб

об'емом 10 или 20 мл, а затем инкубировали 10-14 дней в аэробных о

условиях при 15-20 С. Из выделенных культур 85 было охарактеризовано по ряду признаков.

Выделение культур цианобактерий проводилось на среде Громова >}6 (Громов,Титова,1983), приготовленной на морской воде. В колбы с 1050 мл среды засевали по 1 мл разбавления мацерата водоросли,а затем

о

их ставили в помещение с температурой не более 15 С при непрерывном освещении около 500-600 лк на 1^2 месяца.При наличии видимого роста

проводили микроскопию под люминесцентным микроскопом и делали мно гократкые пересевы на жидкие и агаризованные среды.Выделенные культуры проверяли на чистоту микроскопированием и посевом на РПА, крахмальный агар и среду Чапека.

Определение времени фотодеструкции цианобактерий (в качестве показателя выбрано полное прекращение автофлуоресценции) проводили визуально под эпифлуоресцентньш микроскопом {Заика,Яшин,1984). Спектры поглощения культур сине-зеленых водорослей определяли на спектрофотометре Shimadzu (Япония) в интервале от 350 до 750 нм в суспензии целых клеток.

Электронная микроскопия. Для сканирования в электронном микроскопе ESM-T300 кусочки пластины ламинарии (около 1 кв.мм) фиксировали 2,5Я глутаральдегидом 40 мин. с дальнейшей дофиксацией в течение 1 часа раствором 1% OsO . Посла напыления золотом препараты

4

просматривали при увеличениях от хЮОО до х5000.

При электронно-микроскопическом изучении цианобактерий в их

культуры добавляли глутаральдегид до 2,5/5 конц. для предфиксации,

затем суспензию центрифугировали. Осевшие клетки дофиксировали 1%

OsO а веронал-ацетатном буфере (Ryter et al, 1958). Препарат кон-4

трастировался уранилацетатом. Электронно-микроскопические снимки сделаны под микроскопом JEM-100C. .

Изотопный знализ углерода ламинарии. Высеченные по длине таллома кусочки водоросли доводили до постоянного сухого веса при о

105 С и измельчали. Изотопный анализ углерода проводили на масс-спектрометре типа МИ-120113. Для изотопного анализа углерода исследуемое органическое вещество переводилось в соединение СО^с использованием модификации импульсного метода (Есиков, 1975; Zvi Sofer, 1980; Зякун, 1985; Колесников, 1983).

Статистические методы обработки данных. Корреляционный и регрессионный анализ выполнен на ЭВМ класса IBM PC/AT с процессором 286, сопроцессором 287 с помощью модификации программы пошаговой

линейной регрессии STPRJ из пакета SSP фирмы IBM (Сборник..,1975) РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ Микроорганизмы на поверхности бурой водоросли Laminaria sac-char ina в губе Дальнезеленецкая. При сканировании поверхности ламинарии, отобранной в августе, четко прослеживается различие как в численности, так и в качественном составе микроорганизмов в разных участках таллома. Наименьшее число бактериальных клеток отмечается

у основания водоросли в зоне интенсивного роста - 25+5,8 млн клеток -2

х см . Здесь преобладают округлые формы, предположительно ыикро-циклюс или цианобактерии, а также видны крупные длинные кристаллы, по-видимому, являющиеся запасными веществами и отсутствующие в других частях пластины. По мере удаления от зоны роста на талломе появляются диатомовые водоросли и увеличивается морфологическое разнообразие бактерий. В середине пластины средняя численность бактерий

составляет 46,7+16,7 млн клеток х см , а в верхней части - 100+11,5 -2

млн клеток х см .

Подобную картину распределения микроорганизмов на поверхности ламинарии наблюдали и при исследовании пластины под люминесцентным микроскопом в зимнее время (Рис.1 А). У основания пластины отмечается присутствие значительного количества цианобактерий, которые здесь составляют более половины всей численности микроорганизмов (65,6%). Количество бактерия в середине таллома возрастает на фоне значительного снижения численности сине-зеленых водорослей (не более 2%). В верхней части цианобактерии представлены единицами, а

общая численность бактерия-эпифитов может достигать 30,79 млн кле--2

ток х см.

Па рис.1 Б представлены данные по общей численности гетеротрофных бактерий-эпифитов. Летом средняя численность этих бактерий достаточно высока - 99,52 + 67,34 х 10 клеток х г сырой биомассы водоросли. Численность бактерия во время арктического лета по срав-

клгявх. 10 // 311.3-\

Или т./сыг

•'[ п

5-

II

и 1И

10964

г

03 »шжо

О »1/МЯ

И

I

113 12 3

Рис.1. Общая численность микроорганизмов (А) и численность гетеротрофных бактерий (Б) на разных участках пластины ламинария (1 - основание, 2 - середина, 3 - верх), нении с зимой возрастает на порядок величин, что несомненно связано с увеличением фотосинтетической и метаболической активностями водоросли. Результаты посева на питательные сроди (Эшби и РПА) свидетельствуют о том, что независимо от времени года зона интеркаляр-ного роста песет наименьшее число бактериальных клеток. По мере отдаления от основания пластины увеличивается число гетеротрофных бактерия.

Исследование 98 выделенных со среды Эшби культур микроорганизмов показало, что 35-96% этих бактерий представлены грамотрицатель-иыми палочками. Они в основном используют в качестве источника углерода глюкозу (82%) и реже способны к расщеплению крахмала (24/5). У 52 культур микроорганизмов, выделенных со среды Эшби, ацетиленовым методом измеряли нитрогеназную активность. Активных азотфикса-торов обнаружить не удалось. По всей видимости, активность нитроге-назы этих бактерий максимально проявляется лишь в ассоциации с талломом ламинарии.

Сезонная динамика азотфиксации и изменений изотопного состава

С таллома Leun Inaria saccharina. Измерение нитрогеназной активности бактерий-эпифитов непосредственно на ламинарии (рис.2 А) выявило максимальные величины азотфиксации в* зоне интеркалярного роста, где происходит наиболее интенсивный синтез азотсодержащих соединений. Из собственных исследований и из литературных данныхШмелева, 1986) следует, что процессу азотфиксации способствует также пониженное содержание кислорода и относительно более интенсивное выделение углекислоты в зоне роста. Микробиологический анализ выявил на всех частях таллома анаэробные азотфиксирующие бактерии рода Clostridium с одинаковой средней плотностью - 221,3 х 10 клеток х 2-1 см X г .

ho

ЯМвЛЬ f

1 тал та/ем . с

И л ело □ зима

3.

Г.

-23-

-22

-21.

-20.

-19.

-lt.

-П.

Б

лето зима

13

Рис.2. Нитрогеназная активность (А) и содержание Ь С (Б) на разных участках пластины ламинарии (1-основание, 2 - середина, 3 - верх).

Результаты определения 8 С таллома ламинарии представлены на рис.2 Б. Видны различия в составе стабильных изотопов углерода водоросли на участках, расположенных на разном расстоянии от зону иктеркалярного роста. Наибольшее количество тяжелого изотопа углерода сосредоточено в зоне интенсивного роста, где отмечено относительно большее выделение углекислоты в процессе дыхания водоросли, При этом выделяется СО , содержащая более легкий изотоп и ткани 13

обогащаются С (Галимов, 1968). Кроме того, здесь идет интенсивный синтез белков, а в карбонильных группах аминокислот установле-

13

на повышенная концентрация С (Abelson, Hoering, 1961). По мерз удаления от зоны роста уменьшается доля тяжелого изотопа углерода в талломе макрофитов. В летнее время разброс значений минимальны*

г 13

и максимальных количеств Ь С в талломе водоросли был больше, чем зимой.

В последнее время накапливаются данные об изотопном составу

стабильных изотопов углерода в современных и прошлых сообщества^

Арктического бассейна (Beaucharap, 1989), в том числе - ламинариевых

(Dunton, Schell, 1987). Сравнение результатов этих исследований q

полученными нами данными свидетельствует о том, что у ламинариевых

имеются существенные различия в составе изотопов углерода. Так, у

13

L.solldungula содержание & С находится в пределах от -13,6 до -16,5%..а у L.saccharina - от -16,8 до -22,4%., т.е. изотопный соо-тав последней облегчен. Возможно, это связано с различием гидрологических режимов бассейнов, в которых растут водоросли. Условия Арктики в Баренцевом море под влиянием вод системы течений Гольфстрима не столь суровы, как в море Бофорта.

Относительно более мягкие условия Баренцева моря способствую^ развитию бактерий-эпифитов, что, возможно, усиливает фракционирование изотопов углерода как а процессе фотосинтеза, так и в процессе

минерализации органического вещества бактериями. Таким образом,

I

бактерии-эпифиты влияя на среду обитания макрофита могут изменять изотопный состав ткани водоросли. Вместе с тем, само нахождение микроорганизмов на поверхности таллома, .вероятно, мало влияет на определение состава изотопов углерода водоросли.

Одноклеточные цианобактерии, выделенные с поверхности ламинарии. Распространение мелких форм цианобактерий достаточно хорошо изучено (Fogg, 1986), но при этом сложилось мнение, что в полярных районах они не играют большой роли. Как отмечалось выше, азотфиксц-рующая активность эпифитного сообщества ламинарии, по-видимому, в основном приходится на сине-зеленые водоросли. Систематика мелких одноклеточных цианобактерий находится в стадии становления (Water-bury, Rippka, 1989). В связи с этим представилось целесообразным морфологическое изучение изолированных нами культур одноклеточных цианобактерий и определение их таксономической принадлежности.

В результате исследований 4-х культур цианобактерий они были отнесены к группе Synechococcus пор. Chroococcales. Изученные штаммы имели в общем сходное морфологическое строение. Все они представлены одиночными клетками палочковидной формы, достигающими в среднем 1,3-1,6 мкм в длину и 0,5 - 1,0 мкм в толщину. Клетки окружены 4-х'слойной стенкой из чередующихся темных и светлых слоев. Протопласт ограничен плазматической мембраной. Параллельно ей располагаются в 2 - 3 ряда тилакоиды на расстоянии 40 - 70 нм друг от друг?. Соседние тилакоиды могут сливаться друг с другом или контактировать с плазматической мембраной. Нуклеоплазма имеет фибриллярно-гранулярную структуру. В области тилакоидов и между ними выявляются гранулы гликогена. В контакте с тилакоидами, в центроплазме отмечаются полифосфатные гранулы диаметром 0,2 -0,25 мкм. В центроплазме же выявляются полигональные включения умеренной электронной плотности (около 0,8 мкм в диаметре) с маленькими (менее 0,1 мкм) осьмиофиль-ными ядрышками.По всей вероятности они представляют собой полиэдрз-

лыше тела (карбоксисомы).Одна из культур (штамм N8) имеет многочисленные фимбрии, длиной до 0,5 мкм и равномерно окаймляющие клетку.

Определение времени фотодеструкции не показало значимых различий между исследуемыми культурами, что и понятно, т.к. все они выделены с поверхности макрофита и лишь 1-2% клеток обладают подвижностью в виде поступательного и вращательного движений. Время их фотодеструкции в 2-3 раза выше,чем для одноклеточных цианобактерий из нижнего слоя пелагиали и в среднем составляет 13 мин. 15 сек.Исследования спектров поглощения пигментов цианобактерий показало их сходство для всех культур и наличие трех максимумов поглощения в синезеленоВ, видимой и красной областях спектра (445,635",685 нм), характерных для каротиноидов, фикобилилротеинов и хлорофилла а.

Было проведено исследование нитрогеназной активности цианобактерий на свету и в темноте, в аэробных я анаэробных условиях на безазотистой среде. Достоверно наличие азотфиксирующей активности показано только для штамма N8 в аэробных условиях при освещении 300-500 лк.

Микроорганизмы-азотфиксаторы в донных отложениях и в воде Баренцева и Норвежского морей. Известно, что в основе многих диаге-нетических изменений донных образований лежат биогеохимические процессы, идущие с участием микроорганизмов. В связи с этим представляется необходимым привести результаты по определению численности микроорганизмов,- представляющих различные физиологические Группы, связанные с трансформацией соединений азота и углерода. Материалом для исследований послужили 96. проб донных отложений, отобранных в двух рейсах НИС "Дальние Зеленцы", а также пробы воды из этих и еще одного рейса в губе Дальнезеленцкая в 1983-1990 гг.'

Численность аммонификаторов в 0-5 см горизонте донных отложений была в ?,? раз больше таковой для нижележащего 20 см слоя. В 40 см от границы раздела вода-ил не были обнаружены жизнеспособные клетки не только аммонификаторов,но и других аэробных микроорганиз-

13

mob. Микробиологический анализ воды открытых районов моря и губу Дальнезеленецкой показал, что в среднем количество аммонификатороБ составляло 11,6 клеток/мл воды. Таким образом,на горизонте 0-20 см донных отложений численность этих бактерий превышала их средни«? численность в водной толще в 980 раз.

Нами проводился также учет нитрификаторов I группы. Если в bq-де губы Дальнезеленецкая они были самой малочисленной группой и ç среднем их численность составляла 0,17 клеток/мл воды, то в открытых районах моря они вообще не были обнаружены.|В донных отложения^ нитрификатори были найдены лишь в трех пробах двух станций.

Денитрифицирующие бактерии оказались по численности следующими за аммонификаторами.Их количество на горизонте 0-5 см превышал^ в 4,9 раза численность денитрификаторов на глубине 20 см.В средне^ их количество в водной толще составило 4,4 клетки/мл воды (в приб-режье-1,3),т.е. обнаруженная нами численность этой группы бактери!) в морской воде была меньше таковой в донных осадках в 190 раз.

В исследованных открытых районах моря аэробные целлюлозораэру-шающие бактерии были найдены лишь на одной станции у дна. Эта станция располагалась близко к материку и Айновым островам. В воде гу<}и Дальнезеленецкой эти микроорганизмы обнаруживались в небольшом количестве ( в среднем 0,7 клеток/мл воды) на протяжении всего'года, что об'ясняется поступлением в прибрежные зоны океана терригенногр материала и обильным развитием растительности.

В Баренцевом море азотфиксаторы ранее были обнаружены лишь в прибрежье (Исаченко,1914; Лимберг,1941; Мишустина.1976). В 29-м рейсе НИС "Дальние Зеленцы" в 36 пробах донных отложений в горизонтах 0-5,20,40 см (голоцен и современные осадки* на жидкой среде нами во всех пробах был обнаружен одинаковой интенсивности рост анаэробных азотфиксирующих бактерий. В то же время в пробирках, иноку-лироваьных морской водой, рост отмечен не был.

В 38-м рейсе НИС "Дальние Зеленцы" было прослежено распростру-■

нение аэробных олигонитрофильных микроорганизмов до 1-метровой глубины иловой колонки. Они были выявлены (всего по 1 колонии на чашку Петри) лишь в 3 из 49 проб донных отложений.Для сравнения: в поверхностном слое литорали губы Дальнезеленецкая в летнее время их средняя численность была 840 клеток/г сырого грунта, а в воде она составила 3,5 клетки/10 мл воды.

Представляют интерес полученные данные по распространению анаэробных спорообразующих азотфиксаторов. Так, жизнеспособные бактерии Clostridium pasteurianum были обнаружены в 7 пробах донных осадков, a Clostridium butyricum - в 21 пробе во всех исследованых горизонтах донных отложений до глубины 2 м включительно. Воз'раст этих слоев составил 5-10 тыс. лет (голоцен и верхний плейстоцен); в распределении клостридиальных бактерий вдоль иловой колонки какой-либо закономерности отмечено не было. Возможно,- что наличие таких свойств у клостридий, как анаэробность и подвижность, является причиной их глубокого залегания в толше ила и отсутствия закономерности в вертикальном распределений. В среднем численность анаэробных

3

азотфиксаторов составила 8,3 х 10 клеток/г сух.осадка, в то время, как по водной толще она не превышала 320 клеток/мл воды. В наших исследованиях была также показана слабоположительная корреляционная зависимость численности бактерий p.Clostridium от температуры

о

воды. Там, где температура была ниже +1 С, их количество снижалось более, чем..в 10 раз.

При анализе распределения численности бактерий p.Clostridium по горизонтам водной толщи был отмечен, как и у олигонитрофилов, пик численности на глубине 10 м.где их количество более чем в 2 раза превышало среднюю численность по всей водной толще. Ход кривых вертикального распределения численности обеих групп бактерий имеет схожий характер. В июне-июле 1987 г. характер вертикального рас-

15

пределения олигонитрофилов отличен от рассмотренного выше и определяется активно протекающим процессом фотосинтеза в поверхностном слое воды. Средняя численность этих бактерий здесь составила 53,8 клетки/10 мл воды и была наибольшей в поверхностном горизонте, несколько уступая таковой для воды губы Дальнезеленецкая летом ( 113 клеток/10 мл воды). Более чем 10-кратное увеличение количества этой группы микроорганизмов летом может быть обусловлено наступлением би ологической весны в районе исследований. i

Т.о., наиболее микробиологически активными ¡являются поверхностные горизонты 0-5 см донных отложений. По мере углубления в толщу осадка до глубины 20 см происходит уменьшение численности аэробных бактерий в 15 раз, падая до нуля в 40 см слое.В осадках до 2 м глубины включительно были выявлены только анаэробные спорообразую-щие бактерии p.Clostridium,в вертикальном распределении которых не было отмечено какой-либо закономерности.

Характеристики культур бактерий рода Clostridium. Для характеристики и выявления возможных особенностей выделенных из воды (2 штамма), донных отложений (6) и с поверхности ламинарии (4) клост-ридий нами были исследованы некоторые их морфофизиологические и биохимические свойства. 4 штамма (2 из грунтов и 2 из воды) были отнесены к CI.pasteurianum, и 8 - CI.butyricum. Все штаммы характеризуются подвижностью и спорообразованием, дают ясно выраженную гранулезную реакцию с Подом, сбраживают углеводы и близкие к ним соединения с выделением газов. У них отсутствует протеолцтическ'ая активность, оптимум роста при pH 7,0 - 7,5. Оптимальная температура о

развития - 17-23 С. Исследованные культуры сбраживают различные углеводы при температуре близкой к нулю, но менее активно, чем при оптимальной. Все культуры Clostridium дали положительную окраску по Граму, но достаточно сильно различаются между собой как внутри культуры, так и между отдельными штаммами по размерам вегетативных

16

клеток, их форме,количеству споровых клеток и клеток, давших гранулезную реакцию.

Сравнительное исследование потребления углеродеодерхащих соединений рассматриваемыми штаммами показало, что все, кроме одного птамма Cl.butyricum выделенного из воды, не использует целлюлозу н дульцитол. Культуры CI.butyrlcum гидролизувт крахмал, a Cl.pasteu-rianum - в очень слабой степени. Бактерии всех штаммов использовали глюкозу и маннитол, II - сахарозу и лактозу, Э - мальтозу,и меньше половины - арабинозу, галактозу, рамнозу, сорбитол и ксилозу, У всех иследованных культур определяли нитрогеназную активность, которая оказалась достаточно высокой (см. табл.). Можно отметить, что наиболее активны штаммы, выделенные из донных осадков (4-гр 140, 1-гр 150, 9-0 стр).

Таблица. Нитрогеназная активность (НА) культур p.Clostridium, определенная ацетиленовым методом ( нмоль этилена/100 мл среды).

штамм

f i

i-

i 9-0 стр ! 4-гр 140 ! 6-гр 120 ! 4-гр 60 ! 1-гр 0 ! 22-50 !__

"HF

1736.5

2275.6 536,7 148,7

13,6 . 346,7

штамм

Т

ИГ

54

55

1-гр 150 17-0

51

52

748.5 663,4

2170,2

648.6 875,3 564,8

Т.о, в наших исследованиях показано, что бактерии р.С1оз1г!й1-иш могут играть суцественну» роль в фиксации азота в море, особенно в донных отложениях. В пелагиали проявлению азотфиксирующей активности клеток клостридий может способствовать существование их в детритно-бактериальных ассоциациях.

Фиксация молекулярного азота летом 1987 года в пелагиали Баренцева моря. В июне-июле 1987 г. была проведена комплексная гидролого-гидрохимическая и гидробиологическая с'емка Баренцева моря на о

Нордкинском (1),по 30 в.д. (2), Кольском (3) и Дальнезеленецком (4) разрезах (рис.3).На 26 станциях с 7 горизонтов были отобраны пробы

воды. С помощью метода расчета границы атлантических вод (Андров, Смоляр,198?) были определены границы областей, занятых водными массами различного происхождения.

Рис.3. Распределение активности азотфиксации (мкмоль зтилена/л.ч) в поверхностных водах (А) и в слое воды 0-50 м (Б) в июне 198? г.

В ходе исследований было установлено, что величина азотфиксации в открытом море обычно не велика и изменяется в интервале от О до 1 мкмоля/л.ч, что соответствует уровню активности этого процесса в пелагиали других районов океана. Более высокие значения азот-фиксация свойственны атлантическим и прибрежным водам в тех районах (рис.3), которые приурочены к северной ветви Нордкинского течения и к Мурманскому прибрежному течению. В этих водах максимальны^ вел. чины фиксации азота на отдельных станциях достигают величин от 2,4? до 6,86 мкыоля этилена/л.ч.

С целью изучения- особенностей распределения активности азот-фиксации (АА) были проведены исследования зависимости этого процесса от различных физико-химических факторов на двух разрезах (рис,

18

4 А,Б). Распределение температуры в прибрежной части поверхностного слоя на обоих разрезах было довольно однородным. Лишь в районе о

72 00' с.ш. Кольского разреза были определены максимальные темпера-о

туры, превышающие 6 С, чему способствовало наличие в этом районе ца глубине 20 м пикноклина. Распределение условной плотности на концевых участках обоих разрезов было во многом похожим. Оно характеризовалось присутствием мощного пикноклина, образованного при распред-нении поверхностных вод за счет берегового стока (на юге) и таянш} дрейфующего льда (на севере), различия состояли лишь в степени вы-, раженности этих процессов. Неатлантические водные массы занимают крайние области обоих разрезов и приурочены к распресненйым участкам акватории.

.......70° ......71° . 72' 73° 74' 75с.«/.

30 50

100

м\

г\ (

/ Щ 1 и / ж

Рис.4. Распределение активности азотфиксации (мкмоль этилена/л.ч)

о о

. на Кольском разрезе 33 30' в.д. (А) и на разрезе по 30 00'

в.д. (Б) в июне 1987 г.

В атлантических водах азотфиксирущая активность на Кольском

19

разрезе составляла 0,5 мкмоля этилена/л.ч (рис.4 А). Изолиния 0,5 мкмоля этилена/л.ч окалтуривает две обширные области (северную и юхную), разграниченные между собой гидрологическим фронтом. Максимум (6,43 мкмоля/л.ч) располагался на границе между атлантическими и неатлантическими водами. Вертикальное распределение АА на этом

разрезе было довольно однородным. Исключение составили: станция, о

расположенная на 71 30' с.ш., характеризовалась низким значением

АА по всей водной толще с максимумом, лежащим над пикноклиноы. Вто-

о

рая же область повышенных значений АА располагалась между 74 00' ц

о о'

75 00' с.ш., где максимум был определен на 74 30' с.ш. на глубине

50 м под пикноклином, образованным талой водой дрейфующих льдов, о

На разрезе по 30 00' в.д. (рис.4 Б) АА характеризуется положением изолинии 0,5 мкмоля этилена/л.ч, которая очерчивает обширную

о о

область в его центральной части между 73 00' и 74 30' с.ш., заня-

о о

тую атлантическими водными массами, и область между 75 00' и 76 00'

с.ш. в северной части. Особенно наглядно процесс конвергенции бьц о

выражен на 74 00' с.ш.

Общим для распределения АА на обоих разрезах была приуроченность наибольших значений активности к зонам смешения атлантических и неатлантических водных масс. Можно сказать, что наличие протяженных фронтов и связанных с ними активных динамических районов-зон конвергенции, создает предпосылки для активного функционирования всего азотфиксирующего планктонного сообщества.

Для количественной оценки связей Физико-химических условий и фотосинтеза с интенсивностью азотфиксации был проведен корреляционный анализ. Оказалось,что значимые корреляционные связи (с уровнем достоверности 95%) существовали для нескольких переменных.Величину коэффициентов корреляции азотфиксации со световой и темновой ассимиляцией составили 0,48 и 0,47 соответственно; феофитином - 0,27; хлорофиллом Ь-0,29.Определена достоверная отрицательная связь азотфиксации с содержанием растворенного в воде кислорода (г--0,30).

Проведенный анализ данных показал отсутствие зависимости азотфикса-ции от наличия различных форм азота.

Поскольку Баренцево море характеризуется значительной пространственно-временной неоднородностью, весь массив данных (п-70) был разбит по принадлежности частиц воды к атлантическим (п-37) и неатлантическим водам. В результате этого в атлантических водах появилась положительная корреляционная связь между азотфиксацией и содержанием в воде валового азота (г-0,35). Положительные корреляции показаны со световой ассимиляцией (г-0,51) и концентрацией хлорофилла Ь (г-0,41), отрицательные - с растворенным в воде кислородом (г—0,35) и феофитином (г—0,36).

Как в атлантических, так и в неатлантических водах определена отрицательная достоверная корреляционная связь между азотфиксацией

и содержанием растворенного в воде кислорода.Ни на одном из этапов

«

проведенного анализа не выявлено достоверных связей азотфиксации с-численностью аэробных олигонитрофилов. В то время как последняя на всех стадиях статистического анализа имела достоверные положительные связи с продукционными характеристиками фитопланктона и содержанием растворенного в воде кислорода, можно предположить, что летом процесс азотфиксации активнее идет в микроаэрофильных условиях.

Как в атлантических, так и в других водах исследованной акватории увеличению световой ассимиляции соответствовало возрастание интенсивности азотфиксации. По-видимому, при интенсивном синтезе нового органического вещества фитопланктоном недостаток минерального питания (азота) компенсируется в определенной степени фиксацией атмосферного азота.

ВЫВОДЫ

1. Впервые в восточном секторе Арктики проведено исследование азотфиксирующей активности в пелагиали й в сублиторали в зоне произрастания Laminaria saccharina. Определены численность аэробных и анаэробных азотфиксаторов в воде,донных отложениях и на талломе лз-

21

минарии. В воде Баренцева моря в апреле численность клостридий составила 320 клеток/мл, а олигонитрофилов-3,5 клетки/10 мл. Основное количество этих групп бактерий сосредоточено в слое 0-50 метров.

2. Установлено,что активность азотфиксации в открытом море летом в среднем незначительна и изменяется в интервале от 0 до 0,2 мг

-3 -1

азота и .сут , а в прибрежных и атлантических водах она выше в 2-3

-3 — 1

раза и достигает величины 1,4 мг азота м .сут. Наибольшие значения активности азотфиксации приурочены к зонам смешения атлантических и неатлантических водных масс. j

3. В донных отложениях олигонитрофилы практически отсутствуют, а бактерии рода Clostridium обнаружены до двухметровой глубины от поверхности раздела вода-ил включительно в количестве 8,3 тыс. клеток/г сухого осадка. Преимущественное распространение имеют штаммы вида Cl.butyricura, чем - Cl.pasteurianum. Выделенные штаммы клостридий показали достаточно высокую нитрогеназную активность. Таким образом, бактерии этого рода могут играть значительную роль в фиксации молекулярного азота в Баренцевом море, особенно в донных отложениях.

4. Скорость азотфиксации в зпифнткых сообществах водоросли

Laminaria saccharina летом существенно выше, чем зимой и достигает -2 ' -1 .

0,4 мг азота м .сут , обеспечивая до 10% потребности ламинарии в азоте.

5. Микроорганизмы-эпифиты неравномерно заселяют таллом ламинарии сахаристой.Их общая численность увеличивается по мере старения макрофита. При этом меняется состав бактерий и их функции. Азотфик-сирующие цианобактерии Synechococcus spp. могут играть большую роль в обеспечении азотом ламинарии и оказывать стимулирующее действие на нее.

Основные положения диссертации изложены в следующих работах: 1. Микробиологические процессы в воде и донных отложениях Баренцева моря // Проблемы четвертичной палеоэкологии и палеогеографии Баренцева и Белого морей: Тез.докл.Бсес.конф. - Мурманск,1985,-с.96-97.

2. Олигонитрофильные микроорганизмы на талломе Laminarla saccharine // Экология и биологическая продуктивность Баренцева моря| Тез.докл.Всес.конф..Мурманск,июль 1986 г.-Мурманск,1986.-с.145-147.

3. Распространение азотфиксируюиих и олигонитрофильных микроорганизмов в донных отложениях Баренцева моря // Проблемы'четвертичной палеоэкологии и палеогеографии Баренцева и Белого морей: Тез, докл. II Всес.конф. - Апатиты, 1987. - с.78-79.

4. Микроорганизмы альгосферы и альгопланы Laminaria saccharine, участвующие в процессах фиксации азота и образовании 0 и СО //.

2 2

III Всес.конф. по морской биологии:Тез.докл.,Севастополь,18-20 окт. 1988 г. 4.2.-Киев,1988.-с.27-28, (соавт. И.Е.Мишустина,Ю.М.Миллер).

5. Микробиальные процессы круговорота азота и целлюлозоразла-гающие микроорганизмы // Контроль экологической ситуации в районе опытно-промышленной плантации водорослей в губе Дальнезеленецкой (Оперативно-информационный материал). - Апатиты,1988. - с.30-34.

6. Распределение различных физиологических групп микроорганизмов в донных отложениях' юго-западной части Баренцева моря // Четвертичная палеоэкология и палеогеография северных морей.-М..Наука, 1988. - с.214-221.

7. Микроорганизмы на литорали Баренцева моря // Жизнь и среда полярных морей.-JI..Наука, 1989.-с.66-67, (соав. Мишустина И.Б.,Миллер Ю. М.).

8. Физиологические группы микроорганизмов в воде и донных отложениях Баренцева и Норвежского морей // Основы формирования биопродуктивности и экология северных морей/АН СССР, Кол.науч.центр,

23

Мурм.мор,биол.ин-т.-Апатиты,1989.-с.29-34.-Деп. в ВИНИТИ 20.01.89, N 492-В89.

9. Азотфиксация в юго-западном районе Баренцева моря летом 198? г. // Экология, воспроизводство и охрана Сиоресурсов Северной Европы: Тез.докл. 111 Всес.конф. - Апатиты, 1990. - с.?1-?2.

10. Сезонная динамика планктонного сообщества в районе опытно-промышленной ламинариевой плантации губы Дальнезеленецкая Баренцева моря // Структурно-функциональная организация экосистем Баренцева моря/АН СССР,Кол.науч,центр, Мурм.мор.биол. иц-т - Апатиты,1990,-Деп. в ВИНИТИ 5.10.90,N 5272-В90,(соавт.Кузнецов Л.Л. .Байтаз В.А., Байтаз О.Н.).

11. Численность и азотфиксирующая способность бактерий-эпифи-

13

тов в сопоставлении с изотопным составом углерода /6 С/ таллома Laminaria saccharina во время полярных дня и ночи // Проблемы морской микробиологии.-Владивосток.ДГУ,1992.-в печати,(соав.Мишустина И.Е,, Миллер Ю.М,).

12. Цианобактерии группы Synechococcus на талломе бурой водоросли Laminaria saccharina в Баренцевом море // Проблемы морской микробиологии. - Владивосток, ДГУ, 1992. -в печати, (соавт. Бирюзова В. И., Кострикина Н.А.).

13. Азотфиксация и ее связь с некоторыми экологическими йара-метрами летом в юго-западной части Баренцева моря // Применение методов информатики и статистики в гидробиологических исследованиях Баренце а моря. -Апатиты, КНЦ АН СССР, 1991.-в печати,(соавт. Вол-ковская Л.Е., Савинов В.М.). • ____

/11Л1

Поди, в печ. 04.11.91 г. Тира* 100 экз. Здаэ » 9219 Централизованная типография ГА "Союзе ройматерналоа" '