Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Экофизиология почвенных альгобактериальных ассоциаций

ВАК РФ 03.00.07, Микробиология

Автореферат диссертации по теме "Экофизиология почвенных альгобактериальных ассоциаций"

МОСКОВСКИЙ ОРДЕНА ЛЕНИНА., ОРДЕНА ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ И ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ имени М.В. ЛОМОНОСОВА

ФАКУЛЬТЕТ ПОЧВОВЕДЕНИЯ

На правах рукописи

ГЛАГОЛЕВА ОЛЬГА БОРИСОВНА

ЭК0ФИЗИ0Л0ГИЯ ПОЧВЕННЫХ АЛЬГОБАКТЕРИАЛЬНЫХ АССОЦИАЦИЙ

Специальность 03.00.07 - микробиология

Автореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата биологических наук

МОСКВА - 1991

Работа выполнена на кафедре биологии почв факультета почвоведения Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова.

Научный руководитель - кандидат биологических наук, доцент Г.М. Зенова.

Официальные оппоненты: доктор биологических наук В.М. Горленко, кандидат биологических наук Т.И. Алексахина.

Ведущая организация - Институт биохимии и физиологии микроорганизмов АН СССР.

Защита состоится 19 ноября 1991 г. в 15 час. 30 глин, в ауд. М-2 на заседании специализированного совета К.053.05.86, Москва, 119899, Ленгоры, МГУ, Факультет почвоведения.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Факультета почвоведения 'ЛГУ.

Автореферат разослан уа Р&М&(РЛ 1991 г.

Приглашаем Вас принять участие в обсуждении диссертации на заседании специализированного совета, а отзывы на автореферат присылать в 2-х экземплярах.

Учёный секретарь ___

специализированного совета . ¿^/¿/Дг^'/' Бабьева И.П.

ДАРЕНИИ?

«Л ОТЕКА [ _ г _

s. И. -iscKte /

^тг.ь/1 Актуальность проблемы. Изучение микробных ассоциаций является

уертациз L

-—одной-сиз основных задач микробиологии. Традиционный интерес к этой проблеме в последнее время возрос в результате развития идеи С.Н. Виноградского о полифункциональном микробном сообществе, в котором организмы тесно взаимодействуют прежде всего за счёт тропических связей, как об элементарной эволюционной единице, что, в частности, позволило сопоставить филогенетические схемы бактерий с экологическими принципами /Заварзин, 1990/.

В природных местообитаниях широко распространены симбиотические ассоциации, автотрофным компонентом которых являются водоросли /Goff f 1983/. Способность водорослей вступать в симбиотические отношения с другими организмами обусловлена их ролью первичных продуцентов органического вещества и кислорода, а также связана с тем, что значительная часть синтезированных ими органических соединений выделяется в среду при жизни автотрофов, Значимость экскрети-руемых водорослями продуктов для функционирования альгобактериаль-ных ассоциаций была неоднократно продемонстрирована рядом исследователей /Роге » 1983, Jones et al., 1983/, Отмечено появление у ассоциативных альгобактериальных систем новых свойств и признаков, не характерных для составляющих их компонентов, что, как предполагается, /Smith, Douglas,1987/ в равной степени может быть связано с деятельностью как автотрофного, так и гетеротрофного звеньев ассоциации. Если в водных культурах закономерности взаимодействия водорослей и бактерий изучены весьма подробно, хотя роль гетеротрофного компонента и здесь остаётся недостаточно выявленной, то в почвенных системах взаимоотношения этих микроорганизмов исследованы слабо, прежде всего в силу больших методических трудностей. Более того, далее для водных экосистем ещё не получен однозначный

ответ на вопрос о размерах прижизненной экскреции водорослями в среду органических веществ.

!-МХ

Нелъ работы: выявление оеобенностей структуры и закономерностей функционирования почвенных альгобактериальных ассоциаций /АБА/ для установления механизмов поддержания их устойчивости в естественной среде обитания.

В задачи исследования входило: I.Изучение особенностей взаимного влияния компонентов альгобактериальных ассоциаций в зависимости от условий культивирования. 2.Исследование динамики таксономического состава бактериального компонента АБА в процессе развития водорослей. 3.Установление закономерностей углеродного обмена в почвенных альгобактериальных ассоциациях.

Научная новизна. I.Установлены закономерности взаимовлияния основных компонентов почвенных альгобактериальных ассоциаций, включая невыявленную ранее стабилизирующую роль гетеротрофного звена по отношению к автотрофному. 2»На основании изучения динамики таксономического состава бактериального компонента АБА и расчёта перекрывания экониш доминирующих популяций бактерий-спутников предложена схема элементарной структуры альгобактериальной ассоциации с эукариотической водорослью в качестве автотрофного компонента. 3.Показало, что экскреция органических веществ является нормальной функцией здоровых клеток водорослей в ассоциативной альгобактериальной культуре. Установлено, что максимум экскреции в исследованных ассоциациях: приходится на стационарную фазу роста водорослей. 4.Изучены особенности углеродного обмена между авто-трофным и гетеротрофным компонентами АБА. Впервые установлено, что фиксируемая вспышка темнового дыхания в альгобактериальных ассоциациях вызвана жизнедеятельностью гетеротрофного компонента системы. Количественная оценка этого "избыточного" дыхания использована для определения размеров прижизненных выделений водорослей различных экологических стратегий при контрастных уровнях освещённости

/в среднем, 27-35$ от всего фиксированного при фотосинтезе углерода/. Показано, что при неблагоприятных для водорослей условиях освещённости относительное количество выделяемых ими экзометаболи-тов возрастает. 5.Впервые проведённая реконструкция почвенных альгобактериальных ассоциаций показала, что полученные искусственные ассоциации, также как и природные, характеризуется тесным взаимодействием партнёров и их взаимной регуляцией.

Практическая значимость. Изучение взаимодействия водорослей и бактерий представляет интерес для решения как теоретических вопросов микробиологии и экологии, так и практических задач биотехнологии и охраны окружающей среды. Б общенаучном плане альгобактери-альная ассоциация может быть рассмотрена как простейшая модель взаимодействия автотрофного и гетеротрофного компонентов экосистемы, поэтому закономерности функционирования подобной модели могут быть перенесены на другие сообщества, центром которых является автотрофный организм. Изучение механизмов поддержания устойчивости альгобактериального комплекса и количественная оценка водорослевых выделений позволит выявить вклад альгоценозов в биологическую активность почвы и наметить пути управления развитием альгобактериальных систем с целью повышения почвенного плодородия.

Дщчг^ттач работы. Материалы диссертации были доложены на III Всесоюзном симпозиуме "Биодинамика почв" /Таллин, 1988/, на заседании III комиссии ВОП /1991/, на заседаниях кафедры биологии почв факультета почвоведения МГУ /1989-1991/.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 5 работ, 2 находятся в печати.

Обьём и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, обзора литературы, описания материалов и методов исследования, результатов и их обсуждения, заключения и выводов, содержит J- /У 9Л

^^странщ машинописного текста, ^¿Грксутов, таблиц, список литературы из Л 0% названий /из них - зарубежные/.

Автор выражает свою искреннюю благодарность проф. Звягинцеву Д.Г., проф. Штиной Э.А., д.б.н. Паникову Н.С., к.б.н. Добровольской Т.Г., к.б.н. Кожевину П.А. за ценные консультации и помощь при проведении работы.

ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ Микроорганизмы. Объектами нашего исследования были две природные альгобактериальные ассоциации /АБА/ следующего состава: 1/однокле-точная зелёная хлорококковая водоросль Bracteacoccus minor (Chod.) Petrova и eg бактериальные спутники, 2/одноклеточная жёлтозелёная водоросль Pleurochlorie magna Boye-Pet. с сопутствующими бактериями. Альгологически чистые культуры исследуемых водорослей, которые мы и называем альгобактериальными ассоциациями, были выделены из дерново-подзолистой почвы и любезно предоставлены нам профессором Э.А. Штиной /Кировский СХИ/.

Получение аксеничных культур водорослей. Для получения аксенлч-ных культур водорослей рост сопутствующей микроспоры подавляли антибиотиками: пенициллином /4мг/мл/, стрептомицином /5мг/мл/, ле-вомицетином /0,75мг/мл/. Получение бактериально чистой культуры водорослей осуществляли по следующей схеме. Культуру водорослей в экспоненциальной фазе роста подвергали центрифугированию в стерильных условиях при 3000 об/мин в течение 2 мин с последующим перенесением полученного осадка в колбы со стерильной средой и смесью антибиотиков. Инкубирование с антибиотиками проводили в люминостате /освещённость 10 и 0,5 клк/ в течение 24 час. По окончании экспозиции для удаления антибиотиков суспензию трижды отмывали центрифугированием стерильной средой, а затем отмытую суспензию вносили в колба со стерши пой средой. Проверку чистоты культуры водоросли

проводили микроскопированием препаратов в фазовом контрасте и посевом на МПА и селективные среда для роста бактерий-спутников.

Условия культивирования АБА. Культуры водорослей /ассоциативные и аксеничные/ выращивали в жидкой /или на агаризованной/ минеральной среде Тамия / Tamiya et al • ,1953/ при постоянном освещении и в темноте. Освещение создавалось люминесцентными лампами с интенсивностью света у поверхности среды, равной 10 и 2 клк /в случае с В. minor / и 10 и 0,5 клк /в варианте с P. magna/. Выбранные уровни освещённости соответствуют освещённости открытой поверхности почвы и почвы под пологом растительности, а также освещённости почвы на глубине нескольких мм. Использование вышеуказанных уровней освещения связано с приуроченностью исследуемых водорослей к разным местам обитания: В. minor - обычный компонент напочвенных водорослевых разрастаний, P. magna '- типичный теневыносливый педобионт.

Методы определения основных характеристик АБА. В :.оде экспериментов в динамике измерялись следующие показатели: 1/численность водорослей и бактерий-спутников - прямым микроскопированием в люминесцентный микроскоп /Звягинцев, Кожевин, 1980/, 2/общее содержание органических соединений в системе /суммарная биомасса водорослей и бактерий/ - бкхроматным методом /Паников и др., 1988/, 3/содержание хлорофилла "а" в культуре - спектрофотометрически /Фёдоров, 1979/, 4/интенсивность фотосинтеза водорослей в нестационарном режиме, вызванном резким изменением уровня освещения. Для определений в динамическом режиме почву /южный мицелярно-карбонатный среднемощный тяжелосуглинисгый чернозём Придунайской провинции/ с водорослевыми разрастаниями /или агаризованную среду Тамия с развившимися водорослями/ помещали в чашку Петри, через которую прокачивали воздух с постоянной скоростью 8 см3/мин. Через каждые 3-5 мин отбирали пробы воздуха на входе и выходе из чашки и определяли в них концен-

т 6 -

трацию СС>2 на газовом хроматографе " Chrom-4 ".В дальнейшем подобные эксперименты проводили в жидких культурах АБА. Непосредственно перед опытом чашку выдерживали 20 час в темноте без вентиляции, а в ходе опыта режим освещения меняли следующим образом: темнота -30 мин, освещение - 30 мин, повторное затемнение - 45 мин.

При определении структуры исследуемых альгобактериальных ассоциаций биомассу каждого из компонентов сообщества находили объёмно-расчётным методом /Зенова, Штина, 1990/.

Изучение таксономического состава бактериального компонента АБА. Изучение видового разнообразия сопутствующих водорослям бактерий проводили методом посева из жидких культур ассоциаций на агаризо-ванные среды: МПА, казеин-глицериновый агар, среду Праузера /Гаузе и др., 1983/. Родовую идентификацию бактерий-спутников осуществляли используя культурально-морфологические, физиологические и биохимические показатели по определителю Берги / Bergy'e Manual, 1989/ и с помощью руководства "The Prokaryotee" /1981/. Антибактериальную активность метаболитов водорослей определяли методом агаровых блоков /Егоров, 1986/.

Численность бактерий-спутников определяли по данным люминесцентной микроскопии /Звягинцев, Кожевин, 1980/, а также по результатам высевов из культур АБА.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Изучение особенностей взаимного влияния компонентов АБА в различных условиях культивирования. Проводили изучение динамики роста двух природных почвенных альгобактериальных ассоциаций, аксеничных культур входящих в них водорослей, а также культур доминирующих бактерий-спутников без водорослей при разной интенсивности света и в темноте.

Структура исследуемых сообществ по налил тшным такова: для АЕА с В. minor биомасса водорослей состав .тает, б среднем, 82,6"!, биомасса сопутствующих бактерий - 17,4/2 от суммарной биомассы ассоциации. 3 АЕА с P.magna на долю водорослей приходится 74,2$, на долю гетеротрофного компонента - 25,8%. Таким образом, соотношение биомасс альго- и бактериального компонентов изученных ассоциаций составляет, в среднем, 3:1 - 5:1, обеспечивая устойчивость этих систем.

В аксеничной культуре зелёной водоросли В. minor наблюдалась чётко выраженная зависимость скорости роста водорослей от интенсивности освещения /рис.1/. Очевидно, наиболее благоприятной для неё является освещённость 10 клк, при которой численность В. minor увеличивается на порядок, заметно возрастает биомасса, идёт накопление хлорофилла. При освещённости 2 клк водоросль находится в худшем Физиологическом состоянии, а в темноте аксеничная культура В. ainor постепенно отмирает, о чём свидетельствует снижение значений всех определяемых нами критериев ее состояния.

Сравнение показателей роста водорослей в аксишчной культуре и в АЕА при освещении и в темноте /рис. 1,2/ позволило отметить следующие изменения, происходящие в природной ассоциации под влиянием гетеротрофного компонента: I/ускорение роста В. ainor /к Ю-14-м суткам достигаются максимальные значения биомассы и общего содержания хлорофилла культуры, при этом значительно возрастают абсолют ные величины обсуждаемых показателей/, 2/интенси'Т)Ш<ация процесса образования хлорофилла, о чём свидетельствует увеличение его концентрации в клетках ассоциативной культуры водорослей /табл. I/.

В случае с P. aagna при элиминировании сопутствующих бактерий водоросль как при контрастных уровнях освещённости, так и в темноте с течением времени отмирает. Естественно, что в темноте этот

3-/У9Я

Рисунок I. Динамика роста аксеничной культуры В. minor при освещённости: А - 10 клк, Б - 2 клк, В - в темноте. Условные обозначения: I - численность водорослей, 2 - концентрация хлорофилла, 3 - биомасса культуры.

освещённости: А - 10 клк, Б - 2 клк, В - в темноте. Условные обозначения: 1,2,3 - см. рис. I, 4 - численность бактерий.

Таблица I.

Удельное содержание хлорофилла "а" в клетках Bracteacoccus minor в аксеничной культуре п в ассоциации с бактериям:: в разных условиях освещённости /г Chi/г биомассы водорослей • ГС-3/.

сутки 10 клк 2 клк темнота

аксеничная в АБА аксеничная в АБА аксеничная в АЕА

0 2,36 2,30 2,39 2,32 2,10 2,09

п о 2,60 2,05 2,18 2,02 1,37 1,88

5 1,49 1,67 0,96 1,74 1,04 1,49

7 1,34 2,33 0,84 1,71 1,04 1,49

10 1,43 2,54 0,81 2,00 0,80 1,51

14 1,55 2,69 0,84 2,41 0,74 1,46

18 2,09 2,70 1,58 2,58 0,66 1,4-,

процесс идёт наиболее энергично. Присутствие бактерй!-спутников заметно изменяет поведение основных показателей роста водорослей в сторону стабилизации и увеличения их значений как при освещении, таге и в темноте. В частности, отмечается положительное влияние сопутствующей микрофлоры на динамику численности водорослей и на интенсивность образования шли хлорофилла. Эти результаты свидетел: ствуют о явной положительной зависимости поведения основных динамических характеристик P. magna от гетеротрофного компон;:-:г-. АБА,

В ходе экспериментов были получены данные, касающиеся влглпкя водорослей на динамику развития гетеротрофов в ачьгобактериальных ассоциациях. Кривые динамики численности чистых культур бактерй!-спутников имеют обычный логистический характер с максимумом численности, приходящимся на 3-й сутки. Это справедливо для бактерий сопутствующих обеим водорослям и не зависит от освещения. При

развитии в ассоциациях с водорослями характер роста гетеротрофов меняется: максимумы численности бактерий во всех вариантах сдвигаются с 3-х на 10-е сутки, при этом максимумы меняются "качественно", т.е. им соответствуют более высокие, чем в случае отсутствия водорослей, значения численности сопутствующих бактерий /см., например, рис. 3/. Таким-образом, для обеих ассоциативных альгобактериальных культур справедливо следующее утверждение: присутствие водорослей удлиняет лаг-фазу и фазу экспоненциального роста бактерий-спутников, и, вероятно, "растягивает" весь цикл развития гетеротрофов, задерживая их быстрое "старение".

Исследование тптттямтси таксономического состава бактериального компонента АБА в пропессе развития водорослей. С целью более детального изучения влияния водорослей на развитие сопутствующих бактерий мы проследили за динамикой численности отдельных бактериальных популяций в процессе их роста с водорослями и без последних. Наблюдение за динамикой численности бактерий-спутников 3. minor в процессе развития АБА выявило доминирование представителей 4-х родов — Pseudomonae, Erwinla, Bhodococoua, Hyphomicroblua. Относительное количество представителей этих родов в рассматриваемой ассоциации составляло в сумме более 95$ от общего числа всех бактерий-спутников, на основании чего они и были признаны доминантами. Каждая из доминирующих популяций неоднозначно реагировала на присутствие водорослей в культуре. Так, в АБА с В. minor показана зависимость динамики численности Brwinia врр. от наличия водорослей, что справедливо как для темнового варианта, так и при инкубировании ассоциации на свету. Численность представителей рода Brwinia в ассоциативной культуре с водорослями увеличивалась по мере развития ассоциации, занимая с 3-5-х суток доминирующее положение среди бактерий-спутников /рис.4 В,Г/. Численность

МШ

Рисунок 3. Динамика численности бактерий-спутников P. magna в культуре без водоросли /I/ и с водорослью /2/ при освещённости 0,5 клк на минеральной среде.

представителей этого рода в культуре без водорослей значительно снижалась по мере её развития /рис.4 А,Б/. Таким образом, представители рода Srwl.nlа активно развиваются в изученной АБА, очевидно, за счёт экскретируемых водорослями органических веществ.

По-иному выглядит динамика роста бактерий рода Раеийопопаа. В ассоциации с водорослями их численность снижается по мере развития культуры и стабилизируется на довольно низком уровне /рис. 4 В,Г/. При этом в темноте наблюдается периодическое снижение численности псевдомонад, а при освещённости культура постепенно отмирает, вытесняемая другими бактериями. Основываясь на полученной картине динамики численности бактерий рода Рвеиймпоьав мы склонны думать, что в данной ассоциации они используют мономеры, образующиеся в ходе процесса разложения клеточной массы водорослей, входя, таким образом, в экологическую группировку микрофлоры рассеяния в альгобактериальном сообществе. Согласно современным представлениям /Заварзин, 1990/, эта группировка включает как олиготрофные, так и копиотрофные организмы.

При наблюдении за динамикой численности олиготрофных бактерий рода НурЬот1сгоЫип нам не удалось выявить существенных различий в культурах без водорослей и в случае их присутствия /рис.4/. Неустойчивость их численности на первых этапах развития АБА сменяется в более поздние периоды стабилизацией на довольно высоком уровне. Те же закономерности прослеживаются и в культуре без водорослей. По налим представлениям в исследуемой ассоциации бактерии рода НурЬгаа±сгоЪ1аа принадлежат к группировке микрофлоры рассеяния.

По-особо.му ведут себя бактерии рода НЬоаееессия , динамика численности которых зависит не столько от присутствия водорослей, сколько от освещённости. В темноте их относительное количество не

О I

10 сутки 0 I

10 сути

£100

10 сутки О I

10 сути

~ ?в*и<1саш&л врр. ~ Хг*1п1а врр*

11| Ц | _ ШюЛооосвиа врр.

—НурЬош1егоЪ1иа врр.

Рисунок 4. Изменение относительного содержания популяций бактерий-спутников В. «ьпт в культуре без водоросли А, Б. и с водорослью /В,Г/ при освещённости 10 клк /А,В/ и в темноте /Б,Г/.

превышает 5-7$ от общего содержания всех бактерий-спутников, на свету же они становятся явными доминантами, причём, значительное возрастание их численности наблюдается как в АБА, так и в культурах бактерий-спутников без водорослей /рис.4/. Причина такого поведения родококков связана с пластичностью их метаболизма /Пани-ков и др., 1989/ и, вероятно, с особым действием на них света. При наличии доступных органических веществ /продуктов экскреции и деградации клеток водорослей/ они интенсивно развиваются в альгобактериальном сообществе. В среде без водорослей представители этого рода функционируют как олиготрофы.

Среди бактерий-спутников водоросли P. magna были выявлены три доминирующие популяции - представители родов Xanthoaonae, Brwinia, Arthrobacter _ по-разному реагирующие на присутствие водорослей в культуре. Динамика численности бактерий рода Brwinia в ассоциативной кудьтуре с P.magna , также как и в культуре с В.minor тесно связана с развитием водорослей. Относительное содержание представителей этого рода увеличивается по мере роста водорослей, вероятно, за счёт активного использования прижизненных выделений автотрофов. При отсутствии водорослей количество эрвиний заметно уменьшается вплоть до полного исчезновения /рис.5/.

Бактерии рода Xanthoaenae способны хорошо развиваться как в ассоциативных альгобактериальных культурах, так и в случае отсутствия водорослей /рис.5/. Обладая широким спектром используемых соединений, они, аналогично псевдомонадам, способны усваивать как экзометаболиты водорослей, так и продукты деградации их клеток, ( что позволяет относить представителей данного рода в исследуемой ассоциации к группировке микрофлоры рассеяния. Бактерии рода Arthrobaoter как типичные представители корине-подобных бактерий, характеризуются разнообразием жизненных страте-

*100

80 60

40

20

ши

100

0 1 £

10 сутки 0 I

10 сутки

О I

В

10 сутки

10 сутки

сш - Хап'Нютопав арр. У///А ~ Епг1п1а арр.

пшп - АгЧЬгоЪас^ег врр.

Рисунок 5. Изменение относительного содержания популяций бактерий-спутников Р. таепа в культуре без водоросли /А,Б/ в с водорослью /В,Г/ при освещённости 0,5 клк /А,В/ и в темноте /Б,Г/.

гий /Головлёв, 1983/, и в соответствии с этим способны успешно функционировать как в бедных, так и в богатых органикой средах, доминируя преимущественно на поздних этапах сукцессии /рис.5/. Обладая гидролитическими ферментами, они в изученной ассоциации могут принимать участие в процессе разложения органического вещества на начальных этапах деструкции некромассы водорослей.

Основываясь на вышесказанной, а,также, учитывая результаты расчёта перекрывания экониш доминирухщих популяций бактерий-спутников /не приводящиеся здесь из-за краткости изложения материала/, можно представить элементарную структуру альгобактериальной ассоциации с эукариогической водорослью в качестве автотройного компонента, в виде следующей, схемы /рис.6/. Центральное ядро ассоциации составляют водоросли и типичные эккрисотрофы - основные потребители водорослевых эхзометаболитов. Яркий представителем бактерий

Рноунок 6. Принципгаяьная схема элементарной структуры альгобактериальной ассоциации о эукаряотаческоЗ водоросльа в качестве автотрсфгого кемпонента.

этого типа в изученных ассоциациях являются бактерии рода хг*1-и1в. Далее располагаются гидролитики - первичные разлагатели отмерших клеток автотрофов, представленные в наших ассоциациях коринеподобными бактериями рода Аг*ЬгоЪаог«г . Трофическое окружение вышеперечисленных групп образуют организмы, объединённые термином "микрофлора рассеяния" в широком его понимании: под этоЛ экологической группировкой мы подразумеваем организма, приспособленные к использованию мономеров, возникающих в результате разнообразных процессов, и рассеиваемых из мест их образования. В альгобактериальном сообществе источниками таких мономеров являются продукты гидролиза высокомолекулярных соединений /мортмассн/, экзометаболиты водорослей, продукты их автоингибирования и др. Следует подчеркнуть, что эта группировка трофически весьма неоднородна и включает как олиготрофные, так и копиотрофные микроорганизмы. В состав микрофлора рассеяния из исследованных нами бактерий-спутников входят бактерии родов РасиДоасоаа, ХапгЬоашм И НурЬат1огоЫиа.

Предложенная схема отражает основные трофические связи водорослей и бактерий-спутников, возникающие в АБА. В определённые моменты времени, в частности, в зрелой, сформировавшейся ассоциации, её элементарная структура будет совпадать с пространственной. Однако, трофическое группирование описывает скорее тенденцию, нежели жёсткую связь, т.е., говоря о пространственных зонах распространения тех или иных групп микроорганизмов, мы имеем в виду лишь их преимущественную локализацию на фоне ойцвто диффузного распределения бактерий в АЕА.

В целом, альгобактериальная ассоциация может быть рассмотрена как простейшая модель взаимодействия автотрофного и гетеротрофного компонентов экосистемы, поэтому закономерности функционирования

подобной ассоциации могут быть перенесены на другие сообщества, центром которых является авготрофный организм, л прежде всего, на сообщества микроорганизмов и высших растений.

Реконструированные ассоииадии. Одним из наиболее адекватных методов изучения природных альгобактериалышх симбиозов является создание искусственной ассоциации на основе предварительно разделённых компонентов /Заварзкн, Бонч-Осмоловская, 1981/. Этот метод даёт возможность получить представление об экологической значимости взаимосвязей, установившихся между компонентами ассоциации, о роли каждого из них в обеспечении функционирования системы в целом,

Нами были проведены эксперименты, подтверадаицие возможность получения ресинтезированных ассоциаций обеих исследуемых культур водорослей с естественной /10^ КОЕ/мл/ численностью гетеротрофных спутников путём подсева чистых культур сопутствующих бактерий к аксеничннм культурам водорослей. Подсев осуществляли в позднею стационарную фазу роста водорослей, что, по литературным данным /Вольберг, 1988/, является оптиглальннм для ресинтеза АБА.

Ассоциации, получешше искусственныгл обогащением аксеничных культур водорослей культурами бактерий-спутников, в целом, развивались однотипно с природными аналогами: численность водорослей увеличивалась, в среднем, на 0,5 порядка, максимум биомассы /72-96 мг С/л/ достигался на 10-14-е сутки, максимальная концентрация хлорофилла в обеих культурах регистрировалась на 7-е сутки и сохранялась на высоком уровне вплоть до окончания эксперимента. Ресинтез показат, что экспериментально сформированные ассоциации, также как и естественные, характеризуются не только взаимодействием партнёров, но и их взаимной регуляцией. Так, водоросли контролируют численность сопутствующей микрофлоры продуктами экскреции и деградации своих клеток. Гетеротрофный компонент в рекон-

струированных АЕА. сохраняет свои функции стимулятора образования хлорофилла и роста водорослей.

Особенности углеродного обмена в АЕА. В качестве одного из критериев оценки взаимовлияния автотрофного и гетеротрофного компонентов альгобактеркальной ассоциации мы выбрали динамику интенсивности фотосинтеза водорослей в нестационарном режиме, вызванном резким изменением уровня освещения. Суть использованного метода состоит в измерении динамики газообмена СО2 между средой с водорослью и атмосферой при переносе культуры из темноты на свет и обратно. В темноте водоросли дублируют бактерий, превращаясь в гетеротрофные организмы, а на свету их энергетика целиком обеспечивается за счёт фотохимических реакций и они с бактериями образуют замкнутую систему. Шло проведено три серии опытов по определению динамики интенсивности фотосинтеза водорослей в нестационарном режиме при постоянном пропускании через ёмкость с водорослями воздушного потока: 1/в естественной АЕА без подавления роста бактерий-спутников, 2/в аксеничной культуре водоросли, 3/в почве с внесением природной альгобактериалыюй ассоциации. В результате было получено два качественно разных типа кривых /рис.7/. К первому типу можно отнести кривые, описывающие динамику газообмена СО2 в АЕА и в почве. Главные особенности этих кривых сводятся к следующему /рис.7 А,Б/. В начале опыта до момента включения света состояние динамического равновесия устанавливается уже в перше минуты после начала подачи воздуха в чашку. Исследуемый "объект "дышит", т.е. выделяет СО2 в атмосферу. Далее, в течение светового периода динамика концентрации углекислоты описывается кривой с хорошо выраженным минимумом. Вначале концентрация СО2 падает, затем стабилизируется на постоянном уровне, ниже уровня входной концентрации С0£. Сразу после затемнения вновь регистрируется

со-,

шаС/см3

темнота

А 1,0--

Рнсунок 7. Динамика газообмена СО2 при изменении режима освещения. А •- почва с внесением АБА, Б -АБА, В - аксеничная культура водоросли. Д - уровень входной концентрация С02.

дыхание, но концентрация С02 возрастает в течение 10-15 шн до уровня более высокого, чем до периода освещения, а затем экспоненциально снижается до базового уровня. Наблюдаемый эффект, а именно резкое кратковременное возрастание концентрации COg при вторичном затемнении,объясняется следующим образом. При освещении происходит увеличение скорости фотоассимиляции СО2 водорослями. Темновой локальный максимум обусловлен тем, что фотоассимиляцил прекращается мгновенно, а дыхательная активность гетеротрофов некоторое время сохраняется на более высоком по сравнению с "базовым" уровне за счёт окисления накопленных на свету экзометаболитов.

В аксеничной культуре водоросли обсуздаемый локальный экстремум исчезает /рис.7 В/. Включение и последующее выключение света приводят к плавным изменениям концентрации COg от одного стационарного уровня к другому, "избыточного" потребления ели выброса С0£ пе наблюдается. Таким образом, одного лишь удаления бактерий-спутников при сохранении нормального физиологического состояния водорослей оказывается достаточно для того, чтобы принципиально изменить характер кривых динамики газообмена СО2. Отсюда однозначно следует вывод о том, что обсуздаемый выше локальный максимум на кривых динамики С02 не может быть обусловлен эффектами фотоднхакпя ш активизацией темнового дыхания аксеничной водоросли, а есть результат кизнедея-тельности альгобактериальной ассоциации, включая гетеротрофную активность бактериальных спутников. По размерам этого "избыточного" дыхания мы можем количественно оценить интенсивность приязненных выделешй водорослей в лаборагорных альгобактериальных культурах и в почвенных системах.

£дя изучения динамики выделения водорослями в среду органического вещества был поставлен опыт по определению показателей газообмена при развитии АБА. с В. ninor и P. magna в здцких культурах

при оптимальной освещённости. Расчёты отдельных показателей газообмена осуществляли по кривым динамики СС^. Максимум интенсивности фотосинтеза для обеих культур наблюдался в логарифмическую фазу роста водорослей, здесь же наиболее высокими были показатели

Таблица 2.

Динамика отдельных показателей газообмена для АБА. с Braeteacoccua minor , выращенной при интенсивности света 10 клк /мкг С/см3/.

сутки фотосинтез /Ф/ дыхание водорослей /В/ дыхание бактерий /Б/ ^ • 100

3 0,186 0,098 0,144 24,7

5 0,248 0,124 0,205 32,7

7 0,372 0,186 0,290 28,0

10 0,560 0,218 0,390 30,7

14 0,480 0,200 0,428 47,5

18 0,388 0,156 0,348 49,5

= 35,5

Таблица 3.

Динамика отдельных показателей газообмена для АБА с Pleuroehlorle magna , выращенной при интенсивности света 0,5 клк /мкг С/см3/.

сутки Фотосинтез ~ /Ф/ дыхание водорослей /В/ дыхание бактерий /Б/ %С= -100

5 0,186 0,138 0,172 18,3

7 0,336 0,186 0,248 18,5

10 0,402 0,236 0,336 24,9

14 0,360 0,210 0,345 37,5

18 0,295 0,155 0,268 38,3

темнового дыхания автогрофов. Наибольшая интенсивность дыхания бактерий отмечалась в конце экспоненциальной и на стационарной фазе роста водорослей /табл. 2,3/. Величина вклада дыхания бактерий от суммарного фотосинтеза составляет по нашим расчётам 24,7 -49,5$ для АБА., включающей В. minor и 18,3 - 38,3$ для ассоциации с p. magna . Максимум экскреции соответствовал стационарной фазе роста исследованных водорослей. Вероятно, в период активного роста автотрофов весь ассимилированный ими углерод расходуется на метаболизм самих водорослей, а на стационарной фазе распределение потока фотоассимилята изменяется в пользу бактерий.

Таким образом, экскреция органического материала является нормальной функцией здоровых клеток водорослей, что доказывается наличием и активным протеканием этого процесса в альгобактериаль-ных ассоциациях при оптимальных уровнях освещения для входящих в них автотрофов. Последующие эксперименты показали, что при неблагоприятных для водорослей условиях освещённости /избыток или недостаток света/ относительное количество выделяемых ими экзоме-таболитов возрастает: в среднем, с 35,5 до 48,9$ у В. minor ' и с 27,5 ДО 42,4$ у,Р. та®».

вывода

1.Соотношение биомасс автотрофного и гетеротрофного компонентов изученных АБА составляет, в среднем, 3:1 - 5:1, обеспечивая устойчивость этих систем и возможность их автономного функционирования в природных условиях.

2.Гетеротрофный компонент природных почвенных АЕА оказывает стимулирующее действие на В. minor и P. magna - бактерии вызывают ускорение роста водорослей и интенсифицируют процесс образования хлорофилла что приводит к стабилизации альгобагстериальной

системы в неблагоприятных условиях окружающей среды.

3.Присутствие водорослей в исследованных альгобактериальных культурах удлиняет лаг-фазу и фазу экспоненциального роста бактерий-спутников, задерживая быстрое "старение" системы.

4.На основании исследования таксономического состава гетеротрофного компонента изученных ассоциаций предложена схема элементарной структуры альгобактериальной ассоциации, отражающая основные трофические связи автотрофного и гетеротрофного звеньев сообщества.

5.Показано, что экскреция органических веществ является нормальной функцией здоровых клеток водорослей в ассоциативной альгобактериальной культуре. Максимум экскреции в исследованных ассоциациях приходится на стационарную фазу роста водорослей.

6.Впервые установлено, что фиксируемая вспышка темнового дыхания . в АБА. вызвана жизнедеятельностью гетеротрофного компонента ассоциаций. Количественная оценкк этого "избыточного" дыхания использована для определения размеров прижизненных выделений водорослей различных экологических стратегий при контрастных уровнях освещённости. Для оптимальных условий освещённости количество экскретиру-емого водорослями материала составляет, в среднем, 35,5$ для АБА

с в, minor и 27,5$ для АЕА, включающей P. magna от всего ассимилированного при фотосинтезе углерода. При неблагоприятных для водорослей уровнях освещённости /избыток или недостаток света/ относительное количество выделяемых ими веществ возрастает до 48,9$ у В. minor и до 42,4$ у P. magna.

7.Успешно проведённая реконструкция АЕА подтвердила, что изученные ассоциации характеризуются тесным взаимодействием партнёров и их взаимной регуляцией.

Материалы диссертации опубликованы в работах: 1.Дедаш С.Н., Красовская О.Б. /Глаголева О.Б./, Зенова Г.М. Особенности структуры и функционирования комплекса бактерий в напочвенных разрастаниях зелёных водорослей //Вестн. МГУ. сер. почвовед. 1989. JSI. С.67-71.

2.3енова Г.М., Красовская О.Б. /Глаголева О.Б./, Дедыш С.Н., Пани-ков К.С. Динамика развития гетеротрофного прокариотного компонента при формировании плёнок "цветения" почвы //Тез. 3 Всесоюз. симп. "Биодинамика почв". Таллин. 1988. С.80.

3.Глаголева О.Б., Зенова Г.М., Паников Н.С. Динамика фотоассимиляции и темнового дыхания аксеничной культуры водоррсли и альгобак-териальной ассоциации //Микробиология. 1990. Т.59. В.2. С.364-367.

4.Глаголева О.Б., Зенова Г.М. Некоторые особенности развития водорослей в ассоциациях с бактериями при разной интенсивности освещения //Вестн. МГУ. сер. почвовед. 1991. -."I. С.58-63.

5.Глаголева О.Б., Зенова Г.М., Добровольская Т.Г. Взаимодействие водорослей и бактерий-спутников в ассоциативных культурах //Альгология. 1991. В.4.

6.Зенова Г.М., Дедыш С.К., Глаголева О.Б. Взаимодействие автотроф-ных и гетеротрофных микробных популяций в экосистемах //Микробные метаболиты. М.:МГУ. 1991. В печати.

7.Глаголева О.Б., Зенова Г.М., Звягинцев Д.Г. Взаимная регуляция компонентов в природных и ресинтез1.рованных альгобактериальных ассоциациях /Микробиология. 1992. В печати.