1. На главную
  2. Электронные версии
  3. Доклады Российской академии наук. Науки о жизни
  4. T. 503, № 1, 2022

Доклады Российской академии наук. Науки о жизни, 2022, T. 503, № 1, стр. 121-126

Вирио- и бактериопланктон прибрежных вод реки Москвы

И. В. Мошарова 2, *, В. В. Ильинский 1, И. А. Козлова 1, А. Ю. Акулова 1, К. П. Хазанова 1, С. А. Мошаров 2

1 Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова
Москва, Россия

2 Институт океанологии им. П.П. Ширшова Российской академии наук
Москва, Россия

* E-mail: ivmpost@mail.ru

Поступила в редакцию 20.10.2021
После доработки 30.11.2021
Принята к публикации 01.12.2021

Полный текст (PDF)

Аннотация

Впервые изучена динамика численности вириопланктона (ЧВ) в прибрежных водах реки Москвы (р. Москвы) в осенне-зимний период на станциях, различающихся по уровню антропогенного воздействия. ЧВ в водах более загрязненной ст. Дзержинский (среднее значение 235.6 ± 71.5 × 106 частиц/мл, при варьировании от 167.79 до 397.39 × 106 частиц/мл) на протяжении всего периода исследований была выше, чем в водах менее загрязненной ст. Тушино (среднее значение 129.0 ± 39.6 × × 106 частиц/мл, при варьировании от 61.01 до 186.85 × 106 частиц/мл). Между значениями численности вирио- и бактериопланктона в водах ст. Дзержинский наблюдалась положительная связь (R = 0.6, p < 0.01). Полагаем, что значительная доля в составе вириопланктона прибрежных вод р. Москвы представлена бактериофагами. Три четверти различий динамики ЧВ были значимо положительно связаны с содержанием аммония и фосфатов в водах реки на ст. Дзержинский. По-видимому, возрастание биогенной нагрузки является основным фактором, обусловливающим высокую ЧВ в водах р. Москвы в осенне-зимний период.

Ключевые слова: вириопланктон, бактериопланктон, бактериофаг, река Москва, антропогенное загрязнение

ВВЕДЕНИЕ

Планктонные вирусные частицы (вирионы) являются самыми мелкими по размеру, но наиболее многочисленными биологическими объектами, которые присутствуют во всех водных экосистемах [1]. Основная экологическая роль вириопланктона в водных экосистемах определяется их способностью инфицировать широкий спектр хозяев, начиная от прокариот (бактерий, архей и цианобактерий) до одноклеточных и многоклеточных эукариот [2]. Показано, что вириопланктон лизирует до 60–100% суточной бактериальной продукции [3, 4]. За последние два десятилетия научное сообщество признало вирусы важным биологическим компонентом в функционировании водных экосистем и заключило, что они являются “основными игроками” в глобальных экосистемах [1, 5].

К настоящему времени экология вириопланктона озер и водохранилищ достаточно хорошо изучена [1, 3, 4], в то же время для рек, особенно протекающих через крупные промышленные города, подобных исследований крайне мало [6]. Вместе с тем реки, а особенно их прибрежные воды, являются “горячими точками” (“hotspots”) биоразнообразия и важными звеньями в глобальных циклах биогенных элементов [2].

Целью нашей работы было исследование динамики численности вирио- и бактериопланктона прибрежной части реки Москвы в экологически важный, но практически не изученный осенне-зимний период. Важность этого направления определяется ролью вирусов в регулировании численности бактерио- и фитопланктона, а также недостатком информации по этой проблеме для крупных рек, протекающих через индустриальные территории.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Отбор проб воды проводили в период с сентября 2019 г. по март 2020 г. на двух участках реки Москвы (р. Москвы), испытывающих различный уровень антропогенного воздействия. В период с 19.09.2019 по 24.12.19 пробы отбирали два раза в месяц, а в период с января по март 2020 г. – один раз в месяц. В период становления ледяного покрова на ст. Тушино (с 12.12.2019 по 11.03.2020) пробы отбирали из пробитой во льду лунки. Первый участок отбора проб (ст. Тушино) находился в районе Южное Тушино, на входе реки в черту г. Москва. Второй участок (ст. Дзержинский) располагался на выходе реки из г. Москва на юго-востоке, в черте подмосковного города Дзержинский (рис. 1).

Рис. 1.

Карта-схема станций отбора проб на реке Москва. Станции Тушино и Дзержинский отмечены разным цветом: ст. Тушино – синий, ст. Дзержинский – красный.

Участок реки в районе ст. Дзержинский испытывает хроническое воздействие Курьяновских очистных сооружений (КОС). Отбор проб воды проводился в рипали с глубины 0.5 м. Пробы для определения численности вирио- и бактериопланктона фиксировали сразу на месте отбора 37% раствором безвирусного формальдегида (конечная концентрация – 2% по объему). ЧВ учитывали с помощью эпифлуоресцентного микроскопа МикМед-3 ЛЮМ LED, предварительно сконцентрировав подпробы воды на фильтрах Anodisc c диаметром пор 0.02 мкм (Whatman International Ltd) и затем окрасив их флуорохромом SYBR Green I [7]. Численность бактериопланктона (ЧБ) определяли также с помощью эпифлуоресцентного микроскопа, сконцентрировав подпробы воды на поликарбонатных фильтрах Nuclepore filter (Whatman Int., Ltd.) с диаметром пор 0.2 μm, предварительно окрасив бактериальные клетки флуорохромом DAPI [8]. Определение концентрации хлорофилла а в воде проводили флуориметрическим методом с феофитиновой коррекцией [9] с помощью сертифицированного флуориметра МЕГА-25 [10]. Определение гидрохимических параметров (концентрации аммоний-иона, нитратов, фосфатов) проводили фотометрическим методом [11]. Статистический анализ данных выполнен с использованием программных пакетов PAST v. 4.02. Для анализа данных применялся коэффициент ранговой корреляции Спирмена. Все приводимые в работе коэффициенты корреляции значимы на уровне p ≤ 0.01. Значения средних величин представлены с указанием стандартной ошибки (±SE).

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Гидролого-гидрохимические параметры и содержание хлорофилла а

В период проведения исследований температура поверхностного слоя водной толщи на ст. Тушино варьировала от 0.4 до 15°С, составляя в среднем 5.5°С. Ледяной покров в Тушино присутствовал в период с 12.12.2019 по 11.03.2020. На ст. Дзержинский температура воды оказалась выше и варьировала от 3.7 до 18°С, составляя в среднем 9.4°С. Ледяной покров на ст. Дзержинский не отмечался. В водах ст. Тушино содержание ионов аммония не превышало 0.05 мг/л. Среднее значение этого параметра в водах ст. Дзержинский составило 0.62 мг/л. Содержание нитратов на ст. Тушино было невысоким – среднее значение – 4.74 мг/л (варьирование от 3.04 до 6.86 мг/л). В водах ст. Дзержинский оно было в 3.5 раза выше – среднее значение 16.69 мг/л (варьирование от 12.73 мг/л до 25.40 мг/л). Содержание фосфатов на ст. Тушино варьировало от 0.05 до 0.44 мг/л, составляя в среднем 0.26 мг/л, в водах ст. Дзержинский размах варьирования этого параметра – от 0.08 до 0.90 мг/л, при среднем значении 0.45 мг/л.

Содержание хлорофилла а на ст. Тушино варьировало от 0.71 мкг/л – в конце октября до максимальных значений 18.78 мкг/л – в марте (среднее значение 4.36 ± 5.7мкг/л). Резкое возрастание значений этого параметра (до 13.30 мкг/л) наблюдалось в первой декаде февраля 2020 г. В водах ст. Дзержинский содержание хлорофилла а варьировало от минимальных значений 0.46 мкг/л – в  конце декабря до максимальных значений 5.10 мкг/л – в сентябре 2019 г. Возрастание значений этого параметра (до 2.63 мкг/л) наблюдалось в марте 2020 г., т.е. позже на месяц, чем на ст. Тушино. Среднее значение содержания хлорофилла а в водах ст. Дзержинский составило 1.7 ± 5.7 мкг/л, что было почти в три раза меньше, чем на ст. Тушино.

Сезонная динамика численности бактериопланктона

Численность бактериопланктона в водах варьировала от 0.56 до 3.04 × 106 кл./мл, при среднем значении 1.37 ± 0.7 × 106 кл./мл. Максимальные значения этого параметра (3.04 × 106 кл./мл) были обнаружены 19.09.2019, а минимальные (0.56 × 106 кл./мл) – 12.11.2019 (рис. 2). ЧБ на ст. Дзержинский варьировала от 1.16 до 3.62 × × 106 кл./мл, при среднем значении 2.01 ± 0.7 × × 106 кл./мл. В среднем ЧБ в водах более загрязненной ст. Дзержинский оказалась в 2 раза выше, чем в водах ст. Тушино, однако варьировал этот параметр в меньшей степени, чем на ст. Тушино – различия колебаний составили 3.1 и 5.4 соответственно.

Рис. 2.

Распределение значений численности бактериопланктона (клеток ×106 мл–1) в прибрежных водах станций Тушино и Дзержинский на реке Москве в период с 19.09.2018 по 11.03.2020.

Сезонная динамика численности вирусных частиц

В поверхностных водах реки на ст. Тушино численность вирионов значительно варьировала от минимальных значений – 61.01 × 106 частиц/мл (12.12.2019) до максимальных – 186.85 × × 106 частиц/мл (12.11.2019), при среднем значении 129.0 ± 39.6 × 106 (рис. 3). С сентября (19.09.2019) и до начала ноября (12.11.2019) ЧВ, варьируя, возрастала, затем наблюдалось ее снижение до минимума (61.01 × 106 частиц/мл) в первой декаде декабря. С конца декабря ЧВ вновь увеличивалась до 179.13 × 106 частиц/мл в феврале. В марте она вновь несколько снизилась до 145.86 × 106 частиц/мл (рис. 3).

Рис. 3.

Распределение значений численности вириопланктона (частиц ×106 мл–1) в прибрежных водах станций Тушино и Дзержинский на реке Москве в период с 19.09.2018 по 11.03.2020.

ЧВ на более загрязненной ст. Дзержинский оказалась значительно выше, чем на ст. Тушино, значения этого параметра варьировали от минимальных 167.79 до максимальных значений – 397.39 × 106 частиц/мл, составляя в среднем для станции 235.6 ± 71.5 × 106 частиц/мл. В сентябре ЧВ в водах ст. Дзержинский была очень высокой (337.5 × 106 частиц/мл), затем до конца октября значения этого параметра последовательно снижались до 167.79 × 106 частиц/мл. В начале ноября вновь наблюдалось резкое возрастание ЧВ до 280.28 × 106 частиц/мл, затем ее значения снизились до 171.60 × 106 частиц/мл (27.11.2019), после этого численность вириопланктона в водах ст. Дзержинский последовательно возрастала до своего максимального значения – 397.39 × 106 частиц/мл (11.02.2020). Сезонная динамика численности вирусных частиц в поверхностных водах двух станций имела существенные различия. В начале осени и за кратковременный период в начале декабря (12.12.2019) наблюдались противофазы динамики этого параметра (рис. 3). В остальные периоды наблюдалась синхронная динамика численности вириопланктона, но при этом на ст. Дзержинской численность вирусов в течение всего периода исследований была выше примерно в 2–4 раза, чем на ст. Тушино. Численность вириопланктона, установленная нами для прибрежных вод р. Москвы, варьировала в пределах величин, обычно регистрируемых для мезо- и эвтрофных рек в средней полосе Европы (10–390 млн ч./мл) [2, 6].

Численность вирионов в прибрежных водах реки значительно превосходила численность бактериопланктона – соотношение вирус/бактерий варьировало от 25 до 200, составляя в среднем 110. Согласно результатам современных исследований, это соотношение, определенное для разных водоемов, варьирует в широких пределах от 0.4 до более 100. Наиболее высокие значения этого параметра отмечаются в эвтрофных прибрежных зонах водоемов в холодный период года [5]. Предполагают, что в летний период повышенная температура воды способствует возрастанию скорости ферментативных реакций в клетках бактериопланктона, что ведет к значительному увеличению его численности и тем самым к снижению вирусной нагрузки. В то время как в холодноводный период наблюдаются явления противоположного характера [5]. По-видимому, полученные нами высокие значения соотношения вирус/бактерий объясняются тем, что исследования проводились именно в осенне-зимний период в таком специфическом экотопе реки, как рипаль.

Между численностью вирио- и бактериопланктона в водах ст. Дзержинский наблюдалась уверенная положительная связь (R = 0.6, p < 0.01). При этом значимых корреляций между ЧВ и содержанием хлорофилла а нами не было установлено. В тех случаях, когда обнаруживаются значимые корреляции между ЧВ и содержанием хлорофилла а, многие авторы предполагают преобладание в популяции вириопланктона фитовирусов, которые инфицируют эукариотный фитопланктон [1, 4]. В нашем же случае можно предполагать доминирование в популяции речного вириопланктона вирусов-бактериофагов. Значимые положительные корреляции также были установлены между численностью вирусов и содержанием в воде аммония, нитратов, фосфатов. При построении регрессионной модели было установлено, что почти три четверти всех различий динамики численности вириопланктона в водах р. Москвы были значимо положительно связаны с содержанием аммония и фосфатов (табл. 1). Подобные результаты докладываются в работах других исследователей [12–14 ] . Отмечается, что фосфаты могут напрямую стимулировать численность вирусов, усиливая лизогенный ответ природных популяций и способствуя репликации вирусов [12]. Многие загрязняющие вещества, включая неорганический азот, фосфаты, углеводороды, нефть и тяжелые металлы, могут стимулировать высвобождение вирусов из организмов-хозяев [13] и способствовать появлению зимних пиков численности вириопланктона [14 ] .

Таблица 1.

Результаты пошагового множественного регрессионного анализа влияния факторов среды на численность вириопланктона

Effect Coefficient Std Error Std Coef (Beta) Tolerance Student’ t       P(2 Tail)
CONSTANT –0.039 0.117 0.000 . –0.330 0.746
NH4 0.892 0.259 1.016 0.216 3.444 0.004
NO2 –0.481 0.248 –0.548 0.236 –1.941 0.073
PO4 0.363 0.132 0.414 0.829 2.749 0.016

Таким образом, можно заключить, что значительная доля в составе вириопланктона прибрежных вод р. Москвы была представлена бактериофагами. Высоким значениям ЧВ соответствовали высокие концентрации аммония и фосфора, также с их колебаниями была связана значительная вариабельность ЧВ. Присутствие значительных количеств соединений аммония и фосфора в водах ст. Дзержинский, по-видимому, было связано с влиянием сточных вод. Можно сделать вывод, что повышенная биогенная нагрузка является основным фактором, обусловливающим высокую численность вирио- и бактериопланктона в прибрежных водах р. Москвы.

Список литературы

  1. Jacquet S., Miki T., Noble R., Peduzzi P., Wilhelm St. Viruses in aquatic ecosystems: important advancements of the last 20 years and prospects for the future in the field of microbial ocenography and limnology // Advances in Oceanography and Limnology. 2010. V. 1. № 1. P. 97–141.

  2. Peduzzi P. Virus ecology of fluvial systems: a black spot on the map? // Biological reviews. 2016. V. 91. P. 937–949.

  3. Weinbauer M.G. Ecology of prokaryotic viruses // FEMS Microbiol. Rev. 2004. V. 28. P. 127–181.

  4. Wommack K.E., Colwell R.R. Virioplankton: viruses in aquatic ecosystems // Microb. Mol. Biol. Rev. 2000. V. 64. № 1. P. 69–114.

  5. Cabral A.S., Lessa M.M., Junger P.C., Thompson F.L. Paranhos R. Virioplankton dynamics are related to eutrophication levels in a tropical urbanized bay // PLOS one. 2017.

  6. Копылов А.И., Иевлева Т.В., Романенко А.В. Сезонные и межгодовые изменения численности вириопланктона в реках, протекающих через промышленный город (г. Череповец, Верхняя Волга) // Биология внутренних вод. 2014. № 4. С. 50–53.

  7. Noble R.T., Fuhrman J.A. Use of SYBR Green I for rapid epifluorescence counts of marine viruses and bacteria // Aquatic Microbial Ecology. 1998. V. 14. № 2. P. 113–118.

  8. Porter K.G., Feig Y.S. The use of DAPI for identifying and counting aquatic microflora // Limnol Oceanogr. 1980. V. 25. P. 943–948.

  9. Holm-Hansen O., Riemann B. Chlorophyll a determination: improvements in methodology // Oikos. 1978. C. 438–447.

  10. Маторин Д.Н., Рубин А.Б. Флуоресценция хлорофилла высших растений и водорослей //М. – Ижевск: ИКИ-РХД. 2012. С. 256.

  11. Grashoff K., Kremling K., Ehrhard M. (1999) Methods of Seawater Analysis. Wiley-VCH, Weinheim-NewYork-Chichester-Brisbane-Singapore-Toronto. P. 420.

  12. Williamson S.J., Houchin L.A., Mcdaniel L., Paul J.H. Seasonal Variation in Lysogeny as Depicted by Prophage Induction in Tampa Bay Seasonal Variation in Lysogeny as Depicted by Prophage Induction in Tampa Bay Florida. Appl Environ Microbiol. 2002. V. 68.

  13. Danovaro R., Armeni M., Corinaldesi C., Mei M.L. Viruses and marine pollution. Mar Pollut Bull. 2003. V. 46. P. 301–304.

Дополнительные материалы отсутствуют.

Инструменты

следующая статья выпуска предыдущая статья выпуска содержание выпуска

Доклады Российской академии наук. Науки о жизни

Архивы выпусков Информация о журнале Отправить рукопись в журнал