Известия РАН. Серия биологическая, 2022, № 2, стр. 191-198

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Исследование основано на результатах гидробиологических наблюдений на 12 крупных реках Восточной Сибири: Лена, Вилюй, Колыма, Алдан, Оленёк, Витим, Индигирка, Амга, Олёкма, Анабар, Яна и Чара. Пробы отбирали в 2007–2011 гг. в период летней межени, с глубины 0–0.3 м в прибрежье рек и по фарватеру.

Альгологический материал. Образцы для количественного анализа фитопланктона объемом 1.5 л концентрировались под избыточным давлением на мембранных фильтрах Sartorius (размер пор 1.2 мкм). Образцы для качественного анализа отбирались сетью Апштейна (ткань Sefar Nitex с ячеёй 30 мкм). Изучение альгологического материала выполнялось на микроскопе Olympus BH2. Подсчет клеток проводился на камере Нажотта объемом 0.01 см³.

Материалы химико-аналитических работ. Биохимическое потребление кислорода (БПК₅) определялось на месте отбора проб. Оценка концентрации других анализируемых гидрохимических показателей выполнялась в лаборатории. Фотометрическим методом на приборе СФ-26 определялась цветность воды, а также содержание следующих компонентов: иона аммония – с реактивом Несслера; нитрит-иона – с реактивом Грисса; нитрат-иона – с салициловой кислотой; фосфат-ионов и кремния – с молибдатом аммония; фосфора общего – с персульфатом аммония; железа общего – с сульфациловой кислотой. Содержание трудноокисляемых органических веществ по химическому потреблению кислорода( ХПК) определялось фотометрическим методом на приборе “Флюорат-02”; легкоокисляемых органических веществ (по БПК₅) титриметрическим методом, основанным на йодометрическом определении.

Данные для статистического анализа. Анализируемый массив данных включает 102 количественные переменные, которые разделены на 3 группы. Первая объединяет косвенные показатели органического вещества в воде (цветность, ХПК, БПК₅). Вторая группа – биогенные элементы (NH₄, NO₂, NO₃, PO₄, P_общий, Si, Fe_общий). Третья группа – показатели развития миксотрофных фитофлагеллят, такие как общее число видов и общая численность планктонных миксотрофных водорослей, а также их доля в численности и видовом богатстве фитопланктона в целом. Эта группа переменных включает также данные об объеме клетки и численности 44 видов миксотрофов, найденных в планктоне исследованных рек. Следует отметить, что всего в планктоне исследованных рек было выявлено 88 видов миксотрофов (Габышев, Габышева, 2018). Однако в соответствии с требованиями, предъявляемыми к данным, используемым в статистическом анализе, в массив включены только сведения о видах, которые были обнаружены в трех и более пунктах отбора проб. Массив данных включает 303 наблюдений. Статистический анализ выполнен в программном пакете Statistica 10.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Кластеризация и однофакторный дисперсионный анализ. Путем кластеризации наблюдений по переменным, характеризующим численность и видовое богатство миксотрофных видов планктона, была получена категориальная переменная Cl_3M. Результаты сравнения средних значений для трех полученных кластеров с помощью однофакторного дисперсионного анализа свидетельствуют, что максимальное различие между кластерами достигнуто по показателям “доля численности миксотрофов от общей численности планктона, %” и “число миксотрофных видов” (табл. 1).

Сравнение средних стандартизованных значений признаков по трем кластерам показало, что наблюдения из третьего кластера переменной Cl_3M, отличаются наибольшими значениями по всем четырем признакам миксотрофов (рис. 1). Первый и второй кластеры схожи по численности миксотрофов и по ее доле в общей численности планктона, но по числу видов миксотрофов и доле миксотрофов в общем числе видов планктона, наблюдения первого кластера превышают наблюдения второго.

Рис. 1.

Средние стандартизованные значения признаков градации Cl_3M (а – кластер 1, б – кластер 2, в – кластер 3).

Третий кластер, самый богатый по видовому составу и наиболее обильный по численности миксотрофов, объединил только 16 из 303 наблюдений (рис. 2). Они локализованы, главным образом, в Колымском водохранилище и на участке р. Колымы ниже его плотины. Отдельные наблюдения этого кластера относятся к рр. Алдан, Чара, Олекма, Анабар, Оленек и Индигирка в устьях ряда притоков этих рек.

Рис. 2.

Наблюдения, классифицированные по градации Cl_3M (а – кластер 1, б – кластер 2, в – кластер 3; номерами отмечены реки: 1 – Анабар, 2 – Оленёк, 3 – Лена, 4 – Яна, 5 – Индигирка, 6 – Колыма, 7 – Вилюй, 8 – Витим, 9 – Чара, 10 – Олёкма, 11 – Амга, 12 – Алдан).

Первый и второй кластеры объединили остальную часть наблюдений, которые распределились между двумя градациями достаточно равномерно (рис. 2). Первый кластер, характеризующийся значительным видовым богатством миксотрофов, включил 133 наблюдений и локализован преимущественно в арктических реках, главным образом в их низовьях, а также на р. Вилюй. Второй кластер, отличающийся наименьшими значениями по всем признакам миксотрофов, локализован преимущественно в реках центральной и южной части региона, а также, главным образом, на верхних участках арктических рек.

Канонический корреляционный анализ. Методом канонических корреляций была оценена связь между показателями развития миксотрофных фитофлагеллят (92 показателя, далее набор переменных MIXOTR) и концентрацией органики и биогенов (9 переменных, далее набор ORGNUTR). Для первого (наиболее информативного) из 9 рассчитанных канонических коэффициентов, корреляция между двумя наборами переменных, скорректированная на объем наблюдений, составила R = 0.78 (при р < 0.0001). Максимальный модуль стандартизованных коэффициентов связи между признаками набора ORGNUTR и первой, наиболее информативной канонической осью, принадлежит переменной “концентрация ионов аммония” (табл. 2).

Канонические веса в оси показателей развития миксотрофов (MIXOTR) распределены между большим количеством переменных, причем максимальный вес имеют параметры трех планктонных видов, представителей золотистых и эвгленовых водорослей (табл. 3).

Таким образом, показатели развития некоторых миксотрофных видов проявляют зависимость от концентрации ионов аммония в воде. При этом численность этих видов положительно связана с увеличением содержания аммонийного азота, а объем клеток – отрицательно.

Показатели содержания в воде органических веществ, выраженные в канонических коэффициентах, не имели значительных весов на предыдущей стадии канонического анализа. Для того чтобы определить их связь с показателями развития миксотрофов и отделить при этом воздействие на анализ более мощных факторов (показателей содержания биогенных веществ), на второй стадии канонического анализа был сформирован ограниченный набор признаков. В набор ORGMAT были включены косвенные показатели наличия в речных водах органических веществ, а в набор MIXOTR – параметры развития миксотрофных видов планктона. Для первого канонического корня корреляция между двумя наборами признаков, скорректированная на объем наблюдений, составила R = 0.67 (при р < 0.0001).

В канонической оси ORGMAT1 максимальный вес нормализованных коэффициентов приходится на переменную “ХПК” (табл. 4).

По оси миксотрофов канонические веса распределены между несколькими переменными, наибольшие приходятся на показатели развития четырех видов из отделов золотистых, эвгленовых и динофитовых водорослей (табл. 5). Причем численность имеет прямую связь с концентрацией органических веществ, а объем клетки – обратную. Таким образом, с ростом концентрации в речных водах органики, численность этих видов повышается, а размеры уменьшаются.

Пошаговый дискриминантный анализ. В качестве группирующих признаков были использованы кластеры категориальной переменной Cl_3M. Ранжирование модуля стандартизованных коэффициентов для полученных нами дискриминантных осей показало, что у первой оси максимальный вес характерен для переменной “азот аммонийный”, “железо общее”, “фосфор общий”, а для второй оси – “ХПК” (табл. 6). Уровень значимости по всем предикторам подтверждает пригодность полученных результатов для анализа.

Распределение наблюдений массива по классам градации Cl_3M в полученных дискриминантных осях свидетельствует, что четкой их локализации нет ни по одной из осей (рис. 3). Следовательно, связь между признаками хоть и является статистически значимой, она не достаточно сильная. Однако видно, что наблюдения первого и третьего “миксотрофных” кластеров смещены вправо относительно вертикали, проведенной через отметку “0” на первой оси “биогенов”. А по второй оси “органики” в верхнюю часть графика смещены наблюдения третьего кластера.

Рис. 3.

Диаграмма рассеяния наблюдений градации Cl_3M в двух дискриминантных осях (а – кластер 1, б – кластер 2, в – кластер 3).

ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

Кластеры градации Cl_3M наиболее сильно отличаются друг от друга по доле фитофлагеллят в общей численности фитопланктона и по числу видов фитофлагеллят. Полученные кластеры хорошо взаимно локализованы географически. Самый богатый по видовому составу и численности миксотрофов кластер объединяет лишь 5% пунктов наблюдений, большая часть из которых приурочена к Колымскому водохранилищу. Кластер, характеризующийся значительным видовым богатством миксотрофов при невысокой их численности, локализован преимущественно в низовьях рек, впадающих в Северный Ледовитый океан. Результаты дискриминантного анализа свидетельствуют, что из биогенных веществ наиболее сильную связь с развитием миксотрофов проявили ионы аммония, железо общее и фосфор общий, а из косвенных показателей органического вещества – ХПК. Анализ показал, что наличие биогенных веществ больше влияет на численность миксотрофов, а число видов теснее связано с концентрацией органических веществ.

Результаты канононического корреляционного анализа показали, что повышение концентрации ионов аммония в воде проявляет сильную связь с увеличением численности ряда миксотрофных видов, представителей отделов золотистых, эвгленовых и динофитовых водорослей. При этом объем клеток большинства этих видов снижается. Показано также, что с ростом концентрации в речных водах органики (по показателю ХПК), численность ряда видов повышается, а объем их клеток уменьшается. Таким образом, на развитие планктонных миксотрофов исследованных рек оказывают влияние, как концентрация органических веществ, так и содержание некоторых биогенов, что связано с наличием у миксотрофов обоих типов обмена веществ – ауто- и гетеротрофного. Способность миксотрофов к переходу от одного типа обмена к другому связывают с действием дефицита одного из компонентов питания – неорганических питательных веществ, или растворенной органики (Olrik, 1998). Известно также, что при повышении концентрации органических веществ возможно повышение обилия миксотрофных фитофлагеллят и усиление их роли в сообществе (Sládečeková, Sládeček, 1993; Сафонова, 1987; Корнева, 1999, 2015; Горюнова, 2006; Rosowski, 2003). Нами установлено, что численность ряда видов миксотрофов возрастает, не только с ростом концентрации органики, но и при увеличении содержания в воде биогенов. Это, очевидно, объясняется данными о том, что повышение содержания неорганических питательных веществ приводит к снижению роли гетеротрофного типа питания у ряда миксотрофов, но может и не оказывать влияния на их обилие, а иногда приводит и к увеличению их численности (Arenovski, 1994).

Выявленная нами закономерность в снижении объема клеток ряда миксотрофных видов, которая была отмечена как при увеличении концентрации в воде биогенов, так и с увеличением содержания органических веществ, вероятно, связана со стратегией питания этих представителей речного планктона. Рядом исследователей было отмечено, что микроорганизмы малого и среднего размера чаще являются фотоавтотрофными и миксотрофными (Jones, 2000; Flynn et al., 2013; Andersen et al., 2016; Chakraborty et al., 2017). Эту закономерность объясняют влиянием размера планктеров на эффективность использования клеткой света и на степень поглощения растворенных веществ (Andersen et al., 2016). С увеличением размера клетки производство углерода при фотосинтезе уменьшается из-за самозатенения хлоропластов (Morel, Bricaud 1981; Falkowski et al., 1985), а поглощение растворенной органики или биогенных веществ уменьшается из-за ограничения процесса диффузии (Marañón, 2015). Таким образом, как фототрофия, так и миксотрофия становятся менее эффективными с увеличением размера планктера.

Таксономическая и ценотическая структура сообществ миксотрофного планктона крупных рек Восточной Сибири связана с имеющимся градиентом концентрации растворенных органических и биогенных соединений. Построенная модель пространственного распределения миксотрофных фитофлагеллят позволила определить, что их наибольшее видовое богатство характерно для низовьев рек впадающих в Северный Ледовитый океан, а максимальной общей численности миксотрофы достигают преимущественно в акватории Колымского водохранилища. Размерные характеристики ряда миксотрофных видов также могут определяться их стратегией питания и отношением к концентрации органики и биогенов. Наиболее сильную связь с показателями развития миксоторфных фитофлагеллят проявили такие показатели, как концентрация ионов аммония, железа общего, фосфора общего и ХПК.

Важно отметить, что речной планктон представляет собой сложную динамическую систему, при ее моделировании крайне трудно учесть все факторы. Некоторые из построенных нами статистических моделей указывают на то, что хотя связи между развитием миксотрофов и концентрацией органических и биогенных соединений значимы, но не достаточно отчетливы. Поэтому очевиден вывод о том, что на развитие миксотрофов оказывают влияние также и некие другие факторы среды. Задача по определению этих факторов должна стать целью будущих исследований в этом направлении.

Финансирование. Работа выполнена в рамках Госзадания ИБПК СО РАН по теме “Растительный покров криолитозоны таежной Якутии: биоразнообразие, средообразующие функции, охрана и рациональное использование” (0297-2021-0023; регистрационный номер АААА-А21-121012190038-0).