Проект Изучение закономерностей развития сообщества перифитона в зависимости от

Проект
Изучение закономерностей развития сообщества перифитона в зависимости от
содержания биогенных элементов в водоеме
Автор работы:
Соколова Е.В. – преподаватель биологии
ГБОУ ЦО №57
Москва, 2014
Актуальность темы
Ключевая роль в формировании биоценоза водоема принадлежит биологическим
процессам, таким как первичная продукция органического вещества растениямипродуцентами, его потребление и переработка животными-консументами, минерализации
органики и превращение ее в неорганические соединения микроорганизмамиредуцентами. Эти процессы находятся в тесной связи с физико-химическими
характеристиками воды. Растворимые формы биогенных элементов служат субстратом
для развития водных растений, физические свойства воды – мутность, содержание
взвешенных веществ, определяют скорость фотосинтеза, активная реакция воды влияет на
жизнедеятельность микроорганизмов и т.д. В то же время существует и обратная связь, в
частности, микроскопические водоросли и другие водные растения потребляют из воды
биогенные элементы и гидрокарбонаты, микрофлора водоема обеспечивает процессы
азотфиксации, нитрификации и денитрификации, а концентрация растворимых
соединений фосфора зависит от жизнедеятельности организмов зоопланктона и процессов
деструкции органики.
В большинстве водоемов встречается несколько основных экологических групп
гидробионтов, каждая из которых включает в себя десятки и сотни видов живых
организмов. Это фито- и зоопланктон, фито- и зообентос, высшая водная растительность,
перифитон и др. Все компоненты связаны между собой множеством биотических
взаимодействий, в результате которых экосистема приобретает новые свойства, не
характерные для простой совокупности организмов. Это, прежде всего, устойчивость к
воздействию факторов внешней среды. Под термином «устойчивость» понимают
способность экосистемы сохранять неизменное состояние при нарушающих воздействиях,
интенсивность которых не превышает специфический для каждого водоема пороговый
уровень.
Определение устойчивости водной экосистемы является очень важной
экологической задачей, имеющей высокое прикладное значение. Определение
устойчивости позволяет прогнозировать состояние биоценоза в результате нарушающих
воздействий несистематического характера, таких как, например – залповые выбросы
загрязняющих веществ или неочищенных сточных вод. С другой стороны, устойчивость
экосистемы – это ключевая характеристика для определения предельно допустимого
уровня воздействий на экосистему водоема хозяйственной деятельности человека.
Так как устойчивость экосистемы является следствием взаимодействий между ее
компонентами, то ее оценка и все вытекающие практические выводы зависят от того,
насколько глубоко исследованы процессы, поддерживающие стабильность видовой
структуры. Эти процессы подвержены сезонным изменениям. Выраженные сезонные
изменения претерпевают численность и биомасса продуцентов - фитопланктонного и
перифитонного сообществ, от жизнедеятельности которых зависят все остальные
химические и биологические процессы.
Развитие сообществ продуцентов определяется абиотическими факторами – среди
которых важнейшее значение имеет концентрация биогенных элементов – азота, фосфора
и кремния. Реакция организмов на эти факторы может принципиально отличаться у
разных таксонов, входящих в состав одной экологической группы. Так, например,
диатомовые водоросли интенсивнее других групп микроводорослей развиваются при
2
дефиците фосфора и высокой концентрации кремния. Обратная ситуация – уменьшение
концентрации кремния при стабильном количестве фосфора приводит к доминированию
динофлагеллят или цианобактерий. Низкая концентрация азота, при достаточном
количестве фосфора благоприятствует массовому развитию азотфиксирующих
цианобактерий из порядка Nostocales (Patrick, 1963; Sommer, 1989). Таким образом,
основываясь на соотношении биогенных элементов можно научиться прогнозировать и
оценивать соотношение ключевых компонентов растительного сообщества.
В качестве модели для изучения сообщества выбран фитоперифитон – сообщество
микроорганизмов, поселяющихся на поверхности твердого субстрата, основу которого
составляют микроскопические водоросли и цианобактерии. Удобство работы с
фитоперифитоном заключается в использовании фиксированных искусственных
субстратов – предметных стекол, которые экспонируются в водоеме в течение различных
промежутков времени, позволяя наблюдать все стадии развития сообщества in vivo. При
этом отсутствует необходимость использовать специфические методы концентрации
организмов – фильтрацию через мембранные фильтры, планктонную сеть и др., что
позволяет свести к минимуму механические повреждения и потери клеток и, таким
образом, существенно повысить точность анализа.
Цель и задачи работы
Цель: раскрытие основных закономерностей реакции сообщества водных
продуцентов – фитоперифитона на изменение содержания биогенных элементов.
Задачи:
1. Изучить отличительные признаки основных таксонов микроскопических
водорослей и цианобактерий.
2. Овладеть практическими навыками гидробиологического анализа.
3. Научиться использовать методы химического анализа воды и продемонстрировать
аналитические способности в обработке полученных результатов.
Оборудование, материалы и методы исследований
Оборудование: спектрофотометр ПЭ-5400ВИ, центрифуга настольная ПЭ-6926,
микроскоп демонстрационный стереоскопический МС-4-ZOOM LED, микроскоп
учебный, цифровая видеокамера для работы с оптическими приборами ToupCam
UCMOS04100KPA, цифровые лаборатории Aquarius, портативная лаборатория «Я –
эколог», керамические пластины, предметные стекла, парафин.
Методика отбора проб
В качестве искусственного субстрата для перифитона используются предметные
стекла размером 75 х 15 х 2 мм, наклеенные с помощью парафина или влагостойкого
силиконового герметика на керамические пластины. На станции наблюдений
устанавливают пластины, на которые наклеены 15-20 предметных стекол. Еженедельно в
течение вегетационного сезона на станции наблюдений отбирают по одному стеклу.
Отобранные стекла помещают в стеклянный широкогорлый флакон с водой из водоема и
доставляют в лабораторию вместе с пробами воды для химического анализа.
Методы определения численности, биомассы и видового состава организмов
перифитона и фитопланктона
В лаборатории поверхность предметных стекол исследуют под бинокулярной
лупой и микроскопом при увеличении 10-40 Х.
При обильном развитии перифитона, не позволяющем производить
количественный учет организмов непосредственно на стекле, со всей поверхности
каждого стекла острой бритвой делают соскоб. Материал соскоба размешивают в
определенном объеме фильтрованной воды (50, 100, или 150 мл), который выбирают в
зависимости от плотности обрастаний так, чтобы концентрация полученной суспензии
3
позволяла проводить подсчет водорослей под микроскопом.
Количественный учет микроводорослей проводят непосредственно на стекле в
нескольких полях зрения микроскопа при увеличении 200-400 Х или в счетной камере. В
каждой пробе просчитывают 100-300 клеток для обеспечения репрезентативности
результатов. При микроскопировании пробы с помощью окуляра-микрометра измеряют
размеры нескольких клеток каждого вида. По их средним значениям высчитывают объем
наиболее близких по форме геометрических фигур. Средний объем, полученный для
каждого вида, умножают на его численность. Таким образом, получают значения биомасс
отдельных видов, суммируя которые получают общую биомассу.
Методы определения концентрации хлорофиллов “а”, “b” и “c” в перифитоне
Для определения пигментного состава фитоперифитона используют соскобы с
субстрата. 10 мл исследуемого материала помещают в центрифужную пробирку и
центрифугируют в течение 10 мин. при 4000 об/мин. Осадок гомогенизируют в 90%
ацетоне и ставят в холодильник на 20 мин для полной экстракции пигментов. После этого
экстракт очищают центрифугированием в течение 10 мин. при 4000 об./мин и измеряют
его оптическую плотность на спектрофотометре при длинах волн 630, 645, 663 и 750 нм.
Используя значения оптической плотности, вычисляют концентрацию хлорофиллов по
следующим формулам:
Схл. “а” = 
Схл. “b” = 
Схл. “c” = 
где Е663, Е645 и Е630 – приведенные значения оптической плотности, вычисляемые
по формуле VэlVп где – оптическая плотность экстракта при
длине волны  (663, 645 или 630); l – толщина кюветы в см, (равная 1 см); Vэ – объем
полученного экстракта в см3, а Vп – исходный объем пробы в см3. Полученные результаты
пересчитывают сначала на весь объем экстракта с каждой пробы, а потом делят на
площадь предметного стекла и таким образом получают удельную плотность обрастаний
на единицу площади.
Предполагаемые результаты
1. Общая характеристика сезонных изменений численности, биомассы и
концентрации хлорофилла “а” в перифитоне.
2. Содержание биогенных элементов: сезонная динамика. Изменение
таксономического состава водорослевых сообществ.
Список литературы:
1. Баклановская Т. Н. Фитообрастания канала Московского водопровода // Каналы
СССР гидрохимия и гидробиология. Киев: Наук. думка. – 1968. – С.218 – 229.
2. Горидченко Т. П. Опыт применения перифитона для оценки качества речных вод //
Научные основы контроля качества вод по гидробиологическим показателя. Труды
Всесоюзной конференции. Москва, 1-3 ноября 1978 г. Л.: Гидрометеоиздат. – 1981.
– С.194 – 200.
3. Девяткин В. Г., Метелева Н. Ю., Митропольская И. В. Гидрофизические факторы
продуктивности литорального фитопланктона: оценка и прогноз содержания
хлорофилла а и интенсивности фотосинтеза // Биология внутренних вод. – 2001. –
№1. – C.36 – 45.
4. Гидробиология каналов СССР и биологические помехи в их эксплуатации. Киев:
Наук. думка. – 1976.
5. Каналы СССР: гидрохимия и гидробиология. Киев: Наук. думка. – 1968.
4
6. Лукин В. Б. Перестройки в сообществе фитоперифитона в ходе сезонной сукцессии:
оседание планктонных форм и пресс фитофагов (личинок хирономид) // Журн.
общей биол. – 2002. – Т.63. – № 5. – С.439 – 446.
7. Оксиюк О. П. Водоросли каналов мира. Киев: Наукова думка. – 1973. – С.207.
8. Олейник Г. Н. Бактериальная флора воды и обрастаний в канале Сев. Донец. –
Донбасс // Каналы СССР гидрохимия и гидробиология. Киев: Наук. думка. – 1968.
– С.121 – 130.
9. Руководство по гидробиологическому мониторингу пресноводных экосистем / Под
ред. Абакумова В. А. // СПб.: Гидрометеоиздат. – 1992. – 319 C.
10. Федоров В. Д. О методах изучения фитопланктона и его активности. Москва: Издво Московского Университета. – 1979. – С. 167.
11. Юрченко В. В. Фитообрастания облицованных каналов юга УССР // Каналы СССР
гидрохимия и гидробиология. Киев: Наук. думка. – 1968. – С.100 – 110.
12. Patrick R. Structure of diatom communities under varying ecological conditions // Annals
New York Academy of sciences. – 1963. – Т.108. – №2. – P.353 – 358.
13. Schindler D. W. Evolution of phosphorus limitation in lake // Sciense. – 1977. – Т.195. –
Р. 260 – 262.
14. Sommer U. The role of competition for resources in phytoplankton succession // Plankton
Ecology: succession in plankton communities. Berlin, Heidelberg, New York, London,
Paris, Tokyo: Springer-Verlag. – 1989. – P.57 – 107.
Обзор литературы
Видовой состав и сезонность развития сообществ продуцентов
В ряде работ отмечаются значительные различия между составом организмов в
водоемах различной морфологии - водохранилищах, озерах, равнинных и горных реках и
т. д. (Юрченко, 1968; Оксиюк, 1973). Наиболее обильны и разнообразны сообщества
продуцентов в крупных, малопроточных водохранилищах на равнинных реках. Эти
водоемы характеризуются низкой мутностью воды и обилием в ней биогеных элементов,
поступающих с поверхностным стоком из водосборного бассейна.
Фитопланктон водохранилищ состоит из видов, которые в подавляющем
большинстве относятся к трем группам – Cyanobacteria, Chlorophyta и Bacillariophyta. В
табл. 1 и 2 представлены данные, отражающие число видов, биомассу и численность
организмов, относящихся к этим таксонам в водохранилищах канала им. Москвы и
некоторых других водоисточниках крупных каналов. В соответствии с ними, наибольшее
видовое разнообразие во всех водоемах демонстрируют зеленые и диатомовые водоросли;
в то же время по средней за вегетационный сезон численности клеток практически во всех
водохранилищах лидируют диатомеи и цианобактерии. На эти же группы приходится
основная доля биомассы поступающего в каналы фитопланктона. При этом соотношение
количественных показателей развития планктонных диатомовых водорослей и
цианобактерий наиболее сильно зависит от проточности и температуры. В малопроточных
хорошо прогреваемых водохранилищах, расположенных в южных областях,
цианобактерий больше, чем в северных водохранилищах, характеризующихся более
интенсивным водообменом, в которых, как правило, доминируют диатомеи.
Таблица 1
Средняя за вегетационный период доля представителей основных таксонов
фитопланктона (в %% от общего числа видов) в некоторых водохранилищах бывшего
СССР.
Водоем
Chlorophyta Bacillariophyta Cyanobacteria другие
Иваньковское вдхр. –
43-56
22-32
11-16
-
5
водоисточник канала им. Москвы
(по Баклановской, 1968)
Рыбинское вдхр.
(по Оксиюк,1973)
Дубоссарское вдхр.
(по Оксиюк, 1973)
Варварское вдхр. – водоист.
Волго-Донского канала (по
Оксиюк, 1973)
р. Сев. Донец ниже
Краснооскольского вдхр. (по
Оксиюк, 1973)
Каховское вдхр. –водоисточник
канала Днепр – Кривой Рог (по
Оксиюк, 1973)
41
23
17
19
49
20
10
21
48.8
17.9
12.8
20.5
56.3
21.3
7.5
14.9
38
29
16
17
Таблица 2
Средняя за вегетационный период доля основных таксонов фитопланктона (в %%
от общей численности и биомассы) в отдельных водохранилищах.
Водоем
Chlorophyta Bacillariophyta Cyanobacteria другие
Учинское вдхр. –
водоисточник Акуловского
15
41
42
2
канала (по Баклановской, 1968)
Иваньковское
вдхр.
–
водоисточник
судоходной
14
60
22
4
части канала им. Москвы (по
Баклановской, 1968)
Варварское вдхр. – водоист.
Волго-Донского канала (по
49.0
18.0-57.9
13.0
20.0
Оксиюк, 1973)
р.
Сев.
Донец
ниже
Краснооскольского
44.3/40.7*
38.4/46.5*
14.1/0.7*
3.2/12.1*
водохранилища (по Оксиюк,
1973)
Каховское
вдхр.
–
водоисточник канала Днепр – 5.4/7.9*
35.4/39.9*
57.5/47.7*
1.7/4.5*
Кривой Рог (по Оксиюк, 1973)
* в числителе – доля от общей численности клеток, в знаменателе – от биомассы.
Сезонная динамика видового состава фитопланктона в водохранилищах имеет те
же закономерности, что и озерный фитопланктон. Весной и осенью увеличивается объем
поверхностного стока в водоемы. В это время вода обогащается биогенными элементами.
Периоды паводка для водоемов средней полосы характеризуются преобладанием в
фитопланктоне диатомовых водорослей. Летом их вытесняют цианобактерии и зеленые
водоросли, причем в начале лета наблюдается общий спад численности всех планктонных
организмов, вызванный, с одной стороны – дефицитом биогенных элементов, которые в
период весеннего «цветения» воды потребляются водорослями и цианобактериями, и с
другой стороны — массовым развитием зоопланктона (Sommer, 1989). В середине лета
доминируют зеленые водоросли, представленные преимущественно протококковыми. В
конце лета – начале осени наступает период массового развития цианобактерий. Их
численность в водохранилищах определяется тремя основными факторами –
6
температурой воды, концентрацией биогенных элементов, главным образом – фосфора, и
проточностью данного водоема. При этом если первые два фактора положительно
коррелируют с численностью цианобактерий, то сильная проточность водоема, как
правило, отрицательно сказывается на интенсивности летне-осеннего “цветения”
(Sommer, 1989).
Есть все основания предполагать, что сообщество перифитона подвержено
аналогичным изменениям, так как источником биогенного питания его основы –
микроводорослей являются те же биогенные элементы, растворенные в толще воды. В
таблице 3 приведены известные нам литературные данные о видовом составе и
соотношении основных таксономических групп в перифитоне различных водоемов. В
соответствии с представленными данными, в состав фитоперифитона повсеместно входят
примерно одни и те же виды.
Таблица 3
Доля основных групп (в %), и наиболее массовые их представители в перифитоне
некоторых водоемов
Название водоема
Bacillariophyta
Chlorophyta
Cyanobacteria
(источник)
Нижнее течение Дуная, 52.6
21.1
18.6
Украина
Diatoma vulgare,
Cladophora spp.,
Oscillatoria spp.
(по Юрченко и др., Nitzschia spp.,
Oedogonium sp.
1968)
Melosira varians,
Cymbella spp.
Днепродзержинское и 47.2-59.4
-*
27.1–35.1
Запорожское водохран., Nitzschia sp.,
Cladophora
Phormidium sp.
Украина (по Юрченко, Cymbella ventricosa,
glomerata
1968)
Navicula spp.
Водоемы
нижнего 60.0 Diatoma
-*
-*
течения р.Учур, Якутия elongatum, Cymbella
Zignema sp.,
sp., Synedra
Ulotrix zonata,
Oscillatoria spp.
ulna,Cocconeis spp.,
Cosmarium sp.,
Gomphonema spp.
Closterium sp.
Канал
Днепр-Кривой 57.0
22.0
18.0
Рог,
Украина
(по Cymbella spp.,
Cladophora fracta, Lingbia kuetzingii,
Юрченко, 1968)
Fragillaria sp.,Diatoma C. glomerata,
Oscillatoria
spp., Aulacosira spp.,
Enteromorpha
tenuis,
Gomphonema, Synedra, intestinalis,
Phormidium sp.
Cocconeis placentula,
Hydrodiction sp.,
Rhoicosphenia curvata. Spirogyra sp.,
Stigeoclonium tenue
Канал Cев. Донец - 56.4
23.6
13.8
Донбасс, Украина (по Synedra ulna,
Cladophora fracta, Lingbia kuetzingii,
Юрченко, 1968)
Gomphonema spp.,
C. glomerata,
Oscillatoria
Aulacosira varians,
Enteromorpha
tenuis,
Diatoma vulgare,
intestinalis.
Phormidium
Cymbela turgida
ambigum, Ph.
Cocconeis placentula,
favosum
Rhoicosphenia curvata.
7
Перифитон р. Москвы
на
искусственном
субстрате
(по
Горидченко, 1981)
56.5
38.4
Cocconeis placentula,
Cladophora
Roicosphaenia curvata, glomerata, Ulotrix
Gomphonema spp.,
zonata,
Achnanthes lanceolata, Oedogonium sp.,
Navicula gracilis,
Nitzschia dissipata
*– количественные данные в цитируемых работах не приведены.
8.7
Oscillatoria,
Phormidium,
Lingbia
Во-первых, это нитчатые водоросли Cladophora glomerata, Ulotrix zonata,
Oedogonium spp., Spirogyra fluviatilis, Stigeoclonium tenue, и др. которые, как правило,
образуют основную массу перифитона. Во-вторых, это организмы, ассоциированные с
нитчатками. К ним относятся прикрепленные формы диатомовых водорослей Cocconeis
placentula, Roicosphaenia curvata и Gomphonema sp. образующие вторичные обрастания, а
также обитающие в толще нитчаток – Navicula, Nitzschia и др. В-третьих, это водоросли,
образующие микроперифитон (пленка, покрывающая поверхность субстрата). В
олиготрофных водоемах с прозрачной водой в ней доминируют лентовидные,
цепочковидные и стебельковые колонии диатомей — Gomphonema, Diatoma, Fragillaria,
Tabellaria, Aulacosira и др., которые демонстрируют наибольшее видовое разнообразие,
при этом структура обрастаний носит характер рыхлого войлочного налета. С
увеличением трофности водоема в перифитоне увеличивается доля цианобактерий
(Горидченко, 1981).