и смешанных культур диссоциантов бактерий Pseudomonas

ВЕСТН. моск. УН-ТА. СЕР.
16. БИОЛОГИЯ. 2004. N:! 1
19
экология
УДК
579.841.11.017.6
ВЫЯВЛЕНИЕ КОМПОНЕНТОВ ПИТАНИЯ,
ОfРАНИЧИВАЮЩИХ РОСТ МОНО· И СМЕШАННЫХ КУЛЬТУР
ДИССОЦИАНТОВ БАКТЕРИЙ PSEUDOMONAS AERUGINOSA
П.В. Фурсова, Е.С. Милько, И.А. Ильиных, А.П. Левнч
(кафедра общей экологии и кафедра микробиологии)
Актуальной
в частности
проблемой
экологии
микробиологических,
определения
фактора,
ограничивающего
и сравнение
туру оставляли
г.
2001
было
проведено
М етоД
2.
социантов штамма
но- и смешанные
культуры
социантов
без
пополнения
нитратов
и фосфатов.
в
до
- от 0,01
0,04%.
1. М е т о Д ы
до
культивиро­
ресурсов
на
содержанием
Уровень
пределах
трата
бактерий
запаса
начальным
варьировали
от
глюкозы
до
0,03
фосфата
средах
глюкозы,
в средах
роста.
280
от
0,001
к у л ь т и в и р о в а н и я.
Бак­
0,577,
вали
до достижения
В качестве
-
домонад,
материала
культуры
выращенных
жащей
мясопептонный
шении
1: 1
переносили
стационарной
посевного
односуточные
в
на
диссоциантов
во
фелометру или
плотной
бульон
среде,
и
пробирку
всех опытах
по
сусло
содер­
в
отно­
с
физиологиче­
стандарту
выравнивали
мутности до
по
не­
содер­
жания клеток
109 (для смешанных культур - 107)
1 мл. Посевной материал вносили в количест­
ве 3%. Рост бактерий оценивали нефелометриче­
в
ски по плотности
циантов
культуры.
в популяции
ограничивающего
опыты
с
добавками.
достижения
ляли
10
рост
В
ВМУ, биология, м
проб ирки.
I
определения
стадии
В три
диссо­
по морфологии
культуры,
момент
стационарной
на четыре
Соотношение
определяли
колоний рассевом на БСА.
ДЛЯ экспериментального
са,
культуры,
счита­
рас че та
Дл я
ния стационарной
стадии развития
при меняли
рая ранее успешно
нии структуры
вич,
1980;
л и м итирую Ще го
п о л и к у л ь т у р.
для
вариационную
модель,
была использована
фитопланктонных
Левич и др.,
описа­
культуры дис­
кото­
при изуче­
сообществ
(Ле­
1997; Levich, 2000)
w
L,q;k n;
5.
Lk, k = 1, m,
;-1
ресур­
проводили
предполагаемого
культуру
n;
~ О,
i = 1, w,
псев­
ским раствором. Плотность инокулятов каждого из
диссоциантов
росту
стадии
использо­
(БСА). Бактерии со скошенного агара
петлей
В случае если внесение
к
ни­
1,6%,
терии культивировали в пробирках на 50 мл с
10 мл среды на качалке (180 об/мин) при тем­
пературе
приводило
общества.
по
1999
не
р е с урс а
различным
про­
ли, что этот фактор не ограничивал развития со­
опытов по культивированию
вали
затем
к возобновлению деления клеток, то этот ресурс
считали лимитирующим.
результатов.
R-, S-, и М-дис­
Pseudomonas aeruginosa К-2. Мо­
с
часа,
бавление компонента питания в среду приводило
Материалы и методы
116
еще четыре
лимитирую­
модель,
вещества
с
расти
определение
полученных
в период
нитрат или фосфат, чет­
предсказание
возможно
их
рост.
глюкозу,
вертую оставляли без изменений (контроль). Куль­
экспериментальное
ках
ресурсов,
их
-
ли добавки
водили измерение оптической плотности. Если до­
работе представлена
которой
задача
в рам­
В настоящей
щих
сообществ,
является
разде­
из них вноси­
где n; -
конечные искомые численности каждой из
групп организмов, образующих сообщество, qjk ­
количество
k-ro
ресурса,
необходимое для
роста
клетки группы i, в расчете на одну клетку (по­
требность организма группы i в ресурсе k), т ­
общее
количество
взаимонезаменимых
потребляемых сообществом,
обществе,
среде
Lk (Lk ~ О).
ДЛЯ
ресурсов,
число групп в со­
w-
начальное содержание ресурса
описанной
модели
имеет
стратификации (Левич и др.,
место
k в
теорема
1994; Levich, 2000):
т
все пространство ресурсных факторов П Lk распа­
k-\
дается (стратифицируется) на 2т
- 1
непересекаю­
щихся областей (стратов), каждая из которых со­
ответствует одному из подмножеств множества по­
требляемых сообществом ресурсов.
В страте SJ,
20
ВЕСТИ. моск. УН- ТА. СЕР. 16. БИОЛОГИЯ. 2004. 1'12 1
где
J -
сов
{1, 2, ..., т}, выполняется:
_
1) решение вариационной задачи n; (L), где
непустое подмножество множества ресур­
L;: {LI,
которых
2)
.
р
L2, ..., Lm}, зависят только от тех Lk, для
k е J;
на
этом
L qf n; ::s Lk
решении
нестрогие
неравенства
обращаются в строгие равенства для
1=1
всех
е
k
и
J
в
строгие
неравенства
для
всех
~J.
Биологическая интерпретация теоремы страти­
....
фикации задает правило лимитирующего звена для
/
k
много видовых сообществ,
популяции
из
Лимитирующими
требляемые
те, для
сообществом
которых
называются
ресурсы,
по­
из среды полностью,
Т.е.
балансовые
неравенства
гласно
теореме
вокупности
страти_фикации,
L
ресурсов
из
Со­
заданной
полностью
L.
принадлежит заданный вектор
потребляются,
заданным набором потребностей
3.
Метод
Таким образом,
позволяет строго предска­
зывать ресурсы, лимитирующие
сообщества с
POfT
qi .
расчета лимитирующего
ресурса для
w = 1,
монокультур. для монокультур, Т.е. в случае
целевая
функция
венным
нулем
и
Н (nl'
... , nw)
численность
является тождест­
группы
определяет­
ся системой ресурсных ограничений. В ситуации,
когда
та,
питательная
среда
содержит
три
/
...........
N
J
-
.. .,j
/
I
Рис.
1.
Разбиение пространства ресурсов на области лимитиро­
вания
роста
монокультуры
со­
Т.е. лимитируют рост сообщества, ресурсы из на­
бора J, идентифицирующего с!рат 8J , которому
теорема стратификации
:
:
:
/
с
сформу­
лированной задачи превращаются в равенства.
/:
/
которых
конкурируют за несколько ресурсов (Левич и Др.,.
1993).
/
/
компонен­
имеет место система:
ностеЙ.
Возможна следующая геометрическая ин­
терпретация.
В
трехмерном
ся прямая.
через
Участки трех плоскостей,
прямую
q
и
координатные оси
лят это пространство на
(рис.
1).
туры
но
В
каждой
ограничен
тем,
пространстве
q = {qC, qN, qP}
сов вектором потребностей
3
координатная
из
областей
трех
ось
Разбиение
в
которого
пространства
которых
рост
ресурсов,
данной области (Максимов и др.,
ласти,
проходящих
ресурсов,
де­
области лимитирования
из этих
одним
ресур­
задает­
не
а
лежит
в
2001).
трех ресурсов
лимитирующими
куль­
имен­
на об­
являются
два или три фактора, представлено на рис.
один,
2.
р
qCn ::s LC,
qNn::sLN,
qP n ::s LP,
n ~O.
Здесь верхние индексы С, N, Р обозначают со­
углерод, азот и фосфор. Решение
ответственно
. [LC
LN р
LP] . До­
O::s n ::s тш
С' N'
системы имеет вид:
стижение
чает
культурой
исчерпание
торого
q
или
стационарной
ресурса
которых
q
или
q
стадии
ресурсов,
реализуется
озна­
для
указанный
ко­
ми­
нимум. На математическом языке полное потреб­
ление
выражается
неравенства
в
обращением
равенство:
соответствующего
L'
n =-"
q
обозначает исчерпанныi:i ресурс.
где
индекс
Таким
r
образом,
для аналитического выявления лимитирующего пи­
тательного
компонента
необходимо
найти
мини­
мальное из отношений начального содержания по­
требляемых
ресурсов
и
соответствующих
потреб­
Рис.
2.
рования:
Разбиение
в области
в области П
В
пространства
1
ресурсов
на области лимити­
лимитирующими являются три ресурса,
LI И L2; В III - Ll И L3; в IУ V - LI; В VI - L2; В VII - L3
L2
И
L3;
ВЕСТИ. МОСК УН-ТА. СЕР.
БИОЛОГИЯ.
16.
2004. NQ 1
для выявления ресурсов, ограничивающих рост
смешанных
культур,
сначала
ных ранее алгоритмов
сова,
2003)
относится
основе
(Левич и др.,
рассчитывали
митирования,
на
границы
а затем проверяли,
опытная
получен­
21
четах
использовали
и др.,
2004)
ранее
определенные
областей
Таблица
ли­
к какой из них
Результаты и обсуждение
опыты с добавками
по вы­
дах,
а по выращиванию
парные
антов)
смеси
на
--
и
14
смешанных
поликультура
средах
всех
(состав
элемент представлен в табл.
сре­
культур
(по­
трех
на
2).
фосфор
129
7
1
S
409
17
4
М
525
31
6
1)
и М­ диссоцианты
yrлерод
азот
фосфор
yrлерод
азот
фосфор
1
0,78
.0,4
0,028
0,78
0,4
0,028
2
3,18
0,1
0,028
3,18
0,1
0,028
3
3,18
0,4
0,007
3,18
0,4
0,007
4
0,282
0,1
0,008
0,282
0,1
0,008
5
1,6
0,03
0,008
0,78
0,03
0,008
6
1,6
0,1
0,002
0,78
0,1
0,002
Углерод
Азот
Фосфор
1
0,4
0,035
0,01
2
1,62
0,14
0,04
3
0,4
0,015
0,01
4
1,6
0,06
0,04
5
0,12
0,035
0,01
6
0,48
0,14
0,04
7
0,12
0,015
0,01
8
0,48
0,06
0,04
9
0,78
0,1
0,01
10
3,24
0,4
0,04
11
1,6
0,2
0,01
12
6
0,8
0,04
13
1,2
0,035
0,01
14
4,8
0,14
0,04
Влияние добавок
на оптическую плотность моиокультур
м
ЛимlПИРУЮЩИЙ
среды
ресурс по модели
11
ВМУ, биология, Nl
лимитирующих
1
ресурсов.
В
С
2
Добавка
R
S
М
С
121
220
110
N
91
102
96
Р
62
100
94
с
220
140
217
N
Р
4
6
указанных сред было проведено модель­
выявление
не удалось добавлять питательные вещества
Таблица
Состав сред по углероду, азоту и Фосфору
в начале опыта ДJlJI моио- И смешанных культур (мгjмл)
.Для
из рас­
туры;
1
Таблица
ное
с ре­
Необходимо от­
именно на стационарной стадии роста куль­
ды
среды
сравнивали
метить, что ряд экспериментов исключили
сре­
Ng
полученные данные
смотрения. Это связано с двуМя обстоятельствами:
в начале опыта ДJlJI монокультур (мгjмл)
s-
азот
R
Затем
Состав сред по углероду, азоту и фосфору
R-диссоциант
yrлерод
зультатами опытов с добавками.
Таблица
м
Ресурс
Диссоциант
диссоци­
сред в расчете
и
1
20
3
Значения потребностей (10-12 мгjкл)
диссоциантов Р. aeruginosa в ресурсах среды
(Фурсова и др., 2004)
среда.
Были проведены
3).
Фур­
1994;
ращиванию монокультур диссоциантов на
(Фурсова
значения потребностей (табл.
рас-
С
Р
N
97
80
74
Р
106
115
109
с
94
62
100
N
95
100
68
Р
134
114
105
·Вторая повторность опыта с S-диссоциантом.
4
ВЕСТН. МОСК УН-ТА. СЕР. 16. БИОЛОГИЯ. 2004.
22
N2 1
Таблица
5
Влиянне добавок на OIпическую плотность моно- н смешанных IQ'ЛЬТУР
1'w
ЛимИ1ИРУЮЩИЙ
среды
ресурс по модели
2
С
Добавка
N
3
С
S
с
I • I
С
7
С
9
Р
11
S
R
М
в
некоторых
дальнейшего
к
ления
проведенных
84
98
100
78
81
С
95
N
Р
100
90
92
96
104
96
143
112
100
104
104
116
128
95
104
97
96
92
100
100
С
122
160
142
160
160
150
N
100
90
75
100
90
71
Р
100
110
75
100
90
71
с
212
97
N
162
66
79
Р
235
89
83
с
129
129
143
120
120
Н3
N
86
100
86
100
93
75
Р
86
93
100
80
87
100
и
С
131
101
119
103
143
76
68
81
81
102
Р
87
57
72
73
92
С
112
103
109
129
N
91
88
81
91
94
95
82
108
из-за
диссоциации
и
взаимодействия
изменялся
изменение
среды
и
как
состав
потреб­
следст­
экспериментов
процентное
47
удов­
изменение оп­
тической плотности культуры в результате добав­
ления
питательного
контролю. В
после
35
добавки
вещества
экспериментах
вещества,
по
отношению
к
рост возобновился
определенного
моделью
как лимитирующего.
Таким образом, полученные результаты позво­
ляют
сделать
фикации
зание
в
вывод
75%
ресурсов,
о
том,
что
теорема
случаев дает адекватное
ограничивающих
логического сообщества.
рост
Возможной
бавок
на
Чтобы
страти­
предска­
микробио­
бактерий
отсутствия
является
срок экспозиции
избежать
экспериментах
8-16
причиной
рост
4-часовой
сутствие
необходимым требованиям.
В табл. 4
5 указаны номера сред (в соответствии с табл. 1
2), предсказываемый модельными расчетами ли­
митирующий ресурс и
121
N
летворяли
и
87
Р
характер лимитирования.
116
89
59
стадии
из
RSM
82
что вызывало
ресурсов
-
вие
SM
С
конкурентного
стационарной
культуры,
Из
опытах
RМ
N
Р
2)
RS
влияния
следует
культур
лагфазы,
проверять
возобновления
влияния до­
недостаточный
с добавками.
в дальнейших
наличие
роста не через
4,
или
от­
а через
ч после внесения добавок. Еще одним уточ­
нением методики дальнейших опытов с добавка­
ми бьmа бы необходимость вносить не только от­
дельные ресурсы, но и их комбинации для про­
верки многофакторноголимитирования (т.е. по до­
стижении стационарной стадии разделять культуру
не на
4,
а на
Авторы
7
пробирок).
выражают
В.Н. Максимову
и
глубокую
Н.Г. Булгакову
благодарность
за
плодотвор­
ные обсуждения материалов и помощь в работе.
* * *
Работа въmолнена при финансовой поддержке Российского
фОlШа фундаментальных исследований (грант
02-04-48085).
ВЕСТН. МОСК УН-ТА. СЕР.
16.
БИОЛОГИЯ.
2004. N2 1
23
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Л е в и ч А. П.
1980.
Структура экологических со­
обществ. М.
Левич
л И Н
А.П.,
В. А.
1994.
Алексеев
Математические
В.Л.,
аспекты вариацион­
ного моделирования в экологии сообществ
ческое моделирование.
Нику­
//
Математи­
6. N2 5. 55-76.
Левич А.П., Замолодчиков Д.Г., Алек­
с е е в В. Л. 1993. Правило лимитирующего звена для
многовидовых
биологии.
экологических
сообществ
Журн. общ.
//
54. N2 3. 282-297.
Левич А.П., Максимов В.Н., Бул­
г а к о в Н. Г. 1997. Теоретическая и эксперименталь­
ная экология
фитопланктона.
Управление
структурой
и
функциями сообществ: Учеб. пособие. М.
Максимов
в и ч
В.Н.,
Милько
Е.С.,
Ле­
А. П.
2001. Потребности диссоциантов Pseudo­
monas aeruginosa в глюкозе, нитратах и фосфатах. Ли­
митирующие
рост концентраuии
веществ при культиви­
ровании без пополнения запаса ресурсов
Сер. биол. N2 5. 607-612.
Фур с о в а П. В.
// Изв. РАН.
2003. Расчеты видовых обил ий
и областей лимитирования в вариационной модели эко­
логического сообщества
ние. 15. N2 5. 115-128.
//
Математическое моделирова­
Фурсова П.В., Милько Е.С., Ильи­
ных И.А., Максимов В.Н., Левич А.П.
2004. Определение потребностей диссоциантов Pseudo­
monas aeruginosa
в
углероде,
зультатам культивирования
азоте
и
фосфоре
по
ре­
без пополнения запасов ре­
сурсов
// Микробиология. 73. N2 1. 1-6.
L е v i с h А. Р. 2000. Variational modelling theo­
rems and algocoenoses functioning principles / / EcoJogica!
Modelling. 131. 207-227.
п ОС1)'IIИЛа в редакцию
8.04.03
REVEALING OF ТНЕ RESOURCES, LIMIТING MONO- AND MIXED
PSEUDOMONAS AERUGINOSA. DISSOCIANТS CULTURES GROwrн
Р. V.
Fursova,
Е.5.
Mi/'ko,
I.А.
l/'inykh,
А.Р.
Levich
The model and experimenta! revealing of lirniting resources оп the data of experiments with
mono- and пlixеd Pseudomonas aeruginosa dissociants cultures carried out. ln 75% of cases the
theoretica! calculation taBy with independent experimental results. Тhe probable explanations of
resu!ts discrepancies, and also specification to methods of the subsequent experiment rcalization
are offered.
УДК
574.635:574.632.017
ЭЛЕМЕНТЫ КАЧЕСТВЕННОЙ ТЕОРИИ
БИОТИЧЕСКОГО САМООЧИЩЕНИЯ ВОДНЫХ ЭКОСИСТЕМ.
ПРИЛОЖЕНИЕ ТЕОРИИ К ПРИРОДООХРАННОЙ ПРАКТИКЕ
С.А. Остроумов
(кафедра гидробиологии)
Ни одна истина в науке не изолиро­
вана,
она
вступает
ми в теоретические
с
другими
истина­
связи.
Эдмунд Гуссерль
Многими
авторами
исследовались
различные
стороны системы биотических процессов, участву­
ющих в функционировании и самоочищении вод-
17
ЯМУ
'';яnnnгяg
N> I
ных
экосистем,
в
формировании
качества
воды
(Сущеня, 1975, Алимов, 1981; 2000, Монаков, 1998,
Моисеенко, 1999; Wetzel, 2001, Израэль, Цыбань,