Экология, 2019, № 1, стр. 47-54

МАТЕРИАЛ И МЕТОДЫ

Опыты проводили в 300-литровых пластиковых аквариумах (0.94 × 0.64 × 0.50 м), которые заполняли водой с содержащимся в ней естественным фито- и зоопланктоном из эвтрофного оз. Миколайское (северо-восточная Польша, Мазурские озера). Площадь озера 4.98 км², максимальная и средняя глубины равны соответственно 26 и 11 м. Продолжительность опытов составляла 54 сут. Опыты состояли из двух вариантов (с рыбами и без рыб), каждый в трех повторностях. В контроле аквариумы наполняли водой с содержащимися в ней фито- и зоопланктоном. В варианте с рыбами в каждый мезокосм добавляли по одной особи молоди ерша Gymnocephalus cernuus (Linnaeus) размером 7.5−11 см. Рыб содержали в контейнерах объемом 5 л, подвешенных в аквариумах. В контейнерах имелись крупные поперечные отверстия, через которые планктонные организмы свободно проходили, однако рыбы не могли из них выйти. Мезокосмы находились в открытом состоянии, но в случае дождя их закрывали полиэтиленовой многослойной пленкой во избежание загрязнения извне.

Пробы ветвистоусых и веслоногих ракообразных брали батометром объемом 2.6 л с 10-суточным интервалом и фиксировали 4%-ным формалином. В конце эксперимента объем проб составлял 60 л из каждого аквариума для повышения точности оценки обилия ракообразных. Среди ветвистоусых ракообразных доминировали мелкие виды Chydorus sphaericus (O.F. Müller, 1776), Bosmina longirostris (O.F. Müller, 1776) и Ceriodaphnia pulchella Sars, 1862 со средним размером карапакса половозрелых особей 0.307 ± 0.026, 0.322 ± ± 0.022 и 0.517 ± 0.048 мм соответственно. Доминирующими видами веслоногих ракообразных были Eudiaptomus graciloides (Lilljeborg, 1888), Mesocyclops leuckarti (Claus, 1857), Thermocyclops oithonoides (Sars G.O., 1863), Macrocyclops albidus (Jurine, 1820) со средним размером половозрелых особей от края головы до фуркальнях щетинок 1.233±0.072, 1.069 ± 0.059, 0.75 ± 0.012 и 1.671 ± ± 0.213 мм соответственно. Таким образом, размеры веслоногих были больше, чем ветвистоусых ракообразных. При расчете биомассы ракообразных использовали линейные зависимости веса тела ракообразных от их размеров [16].

Количество фитопланктона оценивали по концентрации хлорофилла с использованием флуориметра PHYTOPAM (WALZ, Германия), который раздельно определяет концентрацию хлорофилла зеленых, цианобактерий и диатомовых водорослей. Концентрации N-NO₃, N-NO₂, N-NH₄ и P-PO₄ измеряли стандартными методами [17] в 1, 4, 24 и 54-й дни. Интервалы определения концентрации биогенных веществ выбирали исходя из того, что наиболее резко их концентрации меняются в начале эксперимента. Один раз в течение 3−4 сут измеряли температуру воды и содержание кислорода многофункциональным датчиком 3410 с оптическим сенсором FDO925. Концентрация растворенного кислорода в воде варьировала от 8 до 10 мг/л, т.е. его дефицита для ракообразных не наблюдалось. Электропроводность воды, которая изменялась в пределах 271–354 мкСм/cм, измеряли датчиком Vario Cond TETRA Con V.

Пробы на содержание ЭПК, углерода, фосфора и азота в сестоне брали в начале и конце эксперимента, так как для такого анализа требуются большие объемы воды (до 50 л из каждого мезокосма), и взятие таких проб во время эксперимента могло бы нарушить ход динамики планктонных сообществ. Воду из мезокосмов предварительно пропускали через газ 110 мкм для удаления крупных организмов зоопланктона и других частиц, а затем фильтровали через стекловолоконные фильтры GF/F (Whatman) до интенсивного окрашивания фильтра. После подсушивания фильтры на ЭПК помещали в раствор хлороформа с метанолом (2 : 1) и затем хранили при температуре –20°С. Содержание углерода, азота и фосфора определяли на элементном анализаторе Flash EA 1112 [18], содержание фосфора в сестоне –фотоколориметрическим методом [19].

Для обработки данных использованы методы двухфакторного дисперсионного анализа с повторными измерениями (RM-ANOVA). Факторами были присутствие/отсутствие рыб и дата отбора проб. Также оценивалось влияние взаимодействия этих двух факторов. Зависимыми переменными были концентрация неорганического фосфора (P-PO₄) и неорганического азота, определяемого по сумме N-NO₃, N-NO₂, N-NH₄, концентрация хлорофилла цианобактерий и общего хлорофилла, биомасса ветвистоусых и веслоногих ракообразных и отношение биомассы ветвистоусых к биомассе веслоногих ракообразных.

Для оценки гомогенности дисперсий использовали тест Левене. При проведении статистического анализа не учитывали значения в первый день эксперимента, так как они соответствовали значениям исследуемых параметров в озере и не отражали результат влияния экспериментальных факторов на исследуемые параметры. Для оценки связи биомассы ракообразных с концентрацией общего хлорофилла использовали коэффициент корреляции Пирсона. Статистический анализ экспериментальных данных выполнен с использованием статистического пакета Sigma Stat v. 3.5.

Для сравнения таких индикаторов качества сестона, как C:N:P и ЭПК, использовали однофакторный дисперсионный анализ (ANOVA). При отсутствии нормального распределения данных (тест Колмогорова-Смирнова) для сравнения данных использовали непараметрический тест Крускала-Уоллиса. Количество вариантов составляло 12 (3 повторности × 4 съемки). Сравнение проводили по всему набору данных (n = 246).

РЕЗУЛЬТАТЫ

Уже на 4-й день опытов концентрации фосфора и азота в воде повысились. В дальнейшем, как показал статистический анализ (табл. 1), концентрации биогенных веществ значимо не изменялись во времени. Концентрация неорганического фосфора в виде P-PO₄ значимо не различалась между контролем и вариантом с рыбой, тогда как концентрация неорганического азота в присутствии рыб была значимо больше (табл. 1 и 2, рис. 1).

Рис. 1.

Динамика концентрации неорганического фосфора и азота в контроле (а) и в присутствии рыб (б).

Концентрации как общего хлорофилла, так и хлорофилла цианобактерий статистически значимо снижались на протяжении эксперимента (табл. 1, рис. 2). Концентрации общего хлорофилла в контроле и варианте с рыбой не различались, тогда как концентрация хлорофилла цианобактерий была значимо меньше в присутствии рыб (табл. 2). Эффекта взаимодействия двух факторов (рыбы и время) не наблюдалось (табл. 1, рис. 2).

Рис. 2.

Динамика концентрации хлорофилла цианобактерий (1) и общего хлорофилла (2) в контроле (а) и в присутствии рыб (б).

Биомасса ветвистоусых и веслоногих ракообразных статистически значимо менялась со временем таким образом, что веслоногие доминировали в начале эксперимента, а ветвистоусые – во второй половине эксперимента (табл. 1, рис. 3). Биомасса ветвистоусых ракообразных в контроле была статистически значимо выше, чем в варианте с рыбой (см. табл. 2). Биомасса веслоногих, вопреки ожиданиям, также снижалась в присутствии рыб (табл. 1, 2). Достоверных корреляций между биомассой как ветвистоусых, так и веслоногих ракообразных с концентрацией хлорофилла не найдено. Соотношение биомассы ветвистоусых к биомассе веслоногих ракообразных достоверно не различалось между контролем и вариантом с рыбами (см. табл. 1).

Рис. 3.

Динамика биомассы ветвистоусых (1) и веслоногих (2) ракообразных в контроле (а) и в присутствии рыб (б).

Концентрация эйкозапентаеновой кислоты (ЭПК) как показателя качества пищи снизилась в обоих вариантах опытов (табл. 3). Однако соотношение ЭПК : C не изменилось, а соотношение C : N снизилось к концу эксперимента и не различалось между контролем и вариантом с рыбой. Соотношение C : P к концу опыта снизилось сильнее, чем изменились другие показатели качества пищи, т.е. более чем в 15 раз. Величина этого соотношения статистически значимо различалась между началом и концом опытов, но не различалась между вариантами с рыбой и без рыбы. Соотношение N : P снижалось к концу опыта более чем в 12 раз в обоих вариантах опытов. Между вариантами опытов это соотношение также не различалось.

Таким образом, анализ показателей качества пищи не выявил значимого влияния рыб на качество пищи. Однако качество пищи, выраженное в содержании фосфора в сестоне, резко изменялось к концу эксперимента независимо от присутствия рыб. Поскольку менялся показатель качества пищи, связанный с содержанием фосфора в сестоне, то улучшение качества пищи происходило в основном для ветвистоусых ракообразных, которые более чувствительные к недостатку фосфора, чем веслоногие.

ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

Вселение рыб может сопровождаться каскадными эффектами [20]. Согласно теории каскадных эффектов в классическом понимании [1, 2], пресс рыб должен приводить к снижению зоопланктонных организмов и потере ими контроля за концентрацией пищи. Предполагается, что в присутствии рыб концентрация фитопланктона будет выше, чем в условиях без рыб. Однако в наших экспериментах, хотя мы и наблюдали понижение биомассы планктонных ракообразных, как того и следовало ожидать, повышение концентрации общего хлорофилла в варианте с рыбой относительно контроля не наблюдалось. Следует обратить внимание на то, что концентрация фитопланктона регулируется не только “сверху”, но и “снизу” концентрациями биогенных веществ. В присутствии рыб концентрация неорганического фосфора в виде P-PO₄ не изменилась, тогда как концентрация неорганического азота в виде суммы N-NO₃, N-NO₂, N-NH₄ возрастала. Поэтому присутствие рыб могло стимулировать развитие водорослей, чувствительных к недостатку азота. В наших экспериментах произошло снижение количества цианобактерий, что, возможно, могло быть обусловлено конкуренцией за биогенные вещества с усилившими свой рост водорослями из других таксонов в присутствии рыб. В результате изменения структуры фитопланктона ожидаемого изменения концентрации общего хлорофилла при вселении рыб не произошло. Таким образом, каскадные эффекты могут проявляться не только в изменении количества пищевых ресурсов зоопланктона, но и в изменении структуры фитопланктона.

Статистический анализ по оценке влияния рыб на структуру сообществ ракообразных в мезокосмах с эвтрофными условиями показал, что рыбы снижали биомассу как ветвистоусых, так и веслоногих ракообразных. Известно, что рыбы предпочитают более крупных особей [3, 21], представителями которых в нашем эксперименте были веслоногие ракообразные, которые лучше, чем ветвистоусые, способны избегать хищника за счет своей более высокой скорости передвижения [5–7]. Таким образом, у каждой группы ракообразных есть свое преимущество. Видимо, по этой причине рыбы не влияли на соотношение биомассы веслоногих и ветвистоусых ракообразных.

Однако сдвиг в соотношении между веслоногими и ветвистоусыми ракообразными происходил во времени. В начале эксперимента в зоопланктоне преобладали веслоногие, а во второй половине начали преобладать ветвистоусые ракообразные, причем как в присутствии, так и отсутствии рыб. Мы не рассматривали конкуренцию за пищу в качестве причины изменения структуры сообществ ракообразных. Во-первых, в наших экспериментах концентрация пищи всегда превышала пороговые уровни (0.5–2.0 μg L^–1), при которых начинается конкурентное исключение [22]. Во-вторых, не было найдено корреляций между концентрацией общего хлорофилла и биомассой каких-либо таксонов ракообразных в эвтрофных условиях наших экспериментов, что подтверждено и результатами другого исследования в наших мезокосмах [23]. Поэтому мы полагаем, что драйвером изменений в соотношении веслоногих и ветвистоусых ракообразных в эвтрофных условиях было качество пищи. В пользу этого предположения свидетельствуют также результаты полевых исследований, согласно которым биомасса зоопланктона в природе часто бывает связана не с количеством пищи, а с ее качеством [24, 25].

Сравнение содержания ЭПК и стехиометрических соотношений между контролем и вариантом с рыбами показало, что рыбы не меняли качество пищевых ресурсов. Изменение качества пищевых ресурсов произошло за счет изменения содержания фосфора в сестоне, которое значительно увеличилось к концу эксперимента. В начале эксперимента соотношение С : P более чем в 5 раз превышало пороговый уровень по этому показателю для ветвистоусых ракообразных [26–28]. Поскольку к содержанию фосфора в сестоне чувствительны ветвистоусые (а в начале эксперимента наблюдался его недостаток), то в первой половине опытов преобладали веслоногие ракообразные. Однако в процессе регенерации органического фосфора в неорганический его содержание в сестоне возрастало. Скорости регенерации органического фосфора планктонными коловратками и ракообразными в наших мезокосмах, которые могут приводить к увеличению содержания фосфора в фитопланктоне, были оценены в работе [29]. Мы полагаем, что по мере возрастания содержания фосфора в сестоне менялось соотношение веслоногих и ветвистоусых ракообразных. В конце эксперимента в обоих вариантах опытов доминировали ветвистоусые ракообразные, так как соотношение С : P в сестоне снизилось более чем в 15 раз по сравнению с началом опытов. Следовательно, основным драйвером динамики структуры сообществ планктонных ракообразных было содержание фосфора в сестоне.

Таким образом, в мезокосмах обилие ракообразных одновременно регулировалось “сверху” рыбами и “снизу” качеством пищи. Рыбы снижали количество ракообразных, в то время как качество пищи приводило к изменению в соотношении веслоногих и ветвистоусых ракообразных. Количество пищи не влияло на обилие ракообразных в эвтрофных условиях. Поэтому при анализе каскадных эффектов при вселении рыб следует учитывать и роль качества пищевых ресурсов. Сторонники гипотезы размерной эффективности предполагают, что влияние рыб нивелирует контроль “снизу”, так как ослабляет конкурентные отношения [3, 21, 30, 31]. Однако нивелировать контроль “снизу”, связанный с качеством пищи, рыбы не могут. Наши эксперименты показали, что качество пищи способно приводить к изменению соотношения между ветвистоусыми и веслоногими ракообразными. В пользу данного заключения свидетельствуют и полевые наблюдения, которые показали, что ветвистоусые ракообразные, у которых N : P ниже, чем у веслоногих ракообразных [32], встречаются преимущественно в озерах с низким соотношением N : P в сестоне [33]. В то же время веслоногие ракообразные, у которых N : P выше, чем у ветвистоусых [32, 34, 35], преимущественно встречаются в озерах с высоким соотношением N : P в сестоне [33].

Итак, наши эксперименты показали, что рыбы в эвтрофных условиях не влияли на количество и качество пищевых ресурсов для ракообразных. Однако во второй половине экспериментов наблюдался переход доминирования от веслоногих к ветвистоусым ракообразным. Это было связано не с влиянием рыбы, а с улучшением качества пищи для ветвистоусых ракообразных, определяемое соотношением углерода к фосфору в сестоне. Рыбы в эвтрофных условиях понижали биомассу как ветвистоусых, так и веслоногих ракообразных, не меняя соотношение между ними.

Проведение экспериментов и сбор биологического материала выполнены при поддержке Национального центра науки Польши (UMO-506 2016/21/B/NZ8/00434). Обработка проб фитопланктона осуществлялась за счет гранта РФФИ 18-54-00002 Бел_а, обработка проб зоопланктона и их анализ – за счет Белорусского республиканского фонда фундаментальных исследований (гранты Б18СРБГ-007; Б18КИ-007), а статистическая обработка, интерпретация полученных результатов, обзор литературы и подготовка материалов для публикации – за счет Российского научного фонда (проект № 16-14-10323).