Alkaline Phosphatase Activity and Phosphatase-Active Bacteria in Lake Baikal Water Column and Major Tributaries

M. Yu. Suslova; Суслова М. Ю.; G. V. Podlesnaya; Подлесная Г. В.; I. V. Tomberg; Томберг И. В.; M. V. Sakirko; Сакирко М. В.; O. I. Belykh; Белых О. И.

doi:10.31857/S0026365624020235

Активность щелочной фосфатазы и фосфатаза-активные бактерии в водной толще оз. Байкал и его основных притоках

Авторы: Суслова М.Ю.¹, Подлесная Г.В.¹, Томберг И.В.¹, Сакирко М.В.¹, Белых О.И.¹
Учреждения:
1. Лимнологический институт Сибирского отделения РАН
Выпуск: Том 93, № 2 (2024)
Страницы: 223-227
Раздел: КРАТКИЕ СООБЩЕНИЯ
URL: https://bakhtiniada.ru/0026-3656/article/view/262571
DOI: https://doi.org/10.31857/S0026365624020235
ID: 262571

Цитировать

Полный текст

Аннотация
Полный текст
Об авторах
Список литературы
Дополнительные файлы
Статистика

Аннотация

Фосфор — один из важнейших биогенных элементов, поступление которого способствует процессу эвтрофикации вод озера. Основная часть его запасов в водных экосистемах находится в органической форме. Способность водных микроорганизмов усваивать фосфор из фосфорорганических соединений обусловлена действием щелочных фосфатаз, активность которых дает возможность судить о состоянии экосистемы, нагрузке фосфатами и качестве воды. В настоящей работе исследованы активность щелочной фосфатазы (АЩФ) и численность фосфатаза-активных бактерий (ФАБ) в пелагиали озера Байкал и в приустьевых участках основных притоков. Выявлено, что в пелагической части значения АЩФ и численности ФАБ с глубиной снижаются, что говорит об основных процессах генерации фосфатов в трофическом слое озера. Показано, что в основных притоках озера значение АЩФ и численности ФАБ значительно выше, чем в пелагиали. Полученные данные свидетельствуют о том, что в приустьевых участках рек проходят активные биохимические процессы трансформации органических соединений фосфора. Процессы деструкции обеспечивают регенерацию фосфатов, которые полностью вовлекаются в биологический круговорот, тем самым обеспечивая развитие фитопланктона.

Ключевые слова

озеро Байкал, фосфор, активность щелочной фосфатазы, фосфатаза-активные бактерии (ФАБ), фосфатаза продуцирующие бактерии

Полный текст

Круговорот фосфора имеет огромное значение для продуктивности водоемов. Фосфор в водоемах присутствует в виде неорганических и органических соединений. Основная часть запасов его в водной экосистеме находится в органической форме. В воде озера Байкал органический фосфор присутствует в небольших количествах, в среднем от 3.6 до 11 мкг/л (Eletskaya, Tomberg, 2020; Domysheva et al., 2023); в реках его концентрация выше: от 0.143 мг/л в Баргузине (Сороковикова и соавт., 2022) и, в среднем, от 16 до 80 мкг/л в Селенге (Сороковикова и соавт., 2018). Главным источником органического фосфора в водах Байкала является фито- и зоопланктон. Микроорганизмы высвобождают его из отмерших организмов, и он вновь включается в биологический круговорот. Микроорганизмы способны производить целый ряд видоизменений в состоянии отдельных форм фосфора. Микробиальные процессы имеют большое значение в круговороте фосфора, так как ни одна из реакций преобразования фосфатсодержащих веществ не идет самопроизвольно. Способность водных микроорганизмов усваивать фосфор из фосфорорганических соединений обусловлена действием щелочных фосфатаз, которые катализируют гидролиз эфиров и ангидридов фосфорной кислоты (Хупер, 1977). АЩФ обнаружена как в фитопланктоне, так и в бактериопланктоне (Chrost, Overbeck, 1987; Martinez, Azam, 1993). АЩФ рассматривают как информативный показатель обеспеченности гидробионтов фосфором и минерализации органических веществ (Boavida, Heath, 1988). Так же АЩФ дает возможность судить о состоянии экосистемы, нагрузке фосфатами и качестве воды (Miettinen et al., 1997). Ранее в экосистеме Байкала исследования АЩФ проводили в районе дельты р. Селенги, где было показано, что начиная с июня, развитие фитопланктона обеспечивается регенерацией фосфатов, основная роль в которой принадлежит АЩФ (Максименко и соавт., 2008).

Цель исследования — определить значения активности щелочной фосфатазы и численность фосфатаза-активных бактерий в водах озера Байкал и его основных притоках.

Пробы воды для исследования отбирали в июне 2021–2023 гг. на центральных станциях южной котловины оз. Байкал — Листвянка‒Танхой (Л‒Т), средней — Ухан‒Тонкий (У‒Т) и северной — Елохин‒Давша (Е‒Д) с глубин 0, 5, 15, 100, 400, 600 м, придонного слоя (1400, 1550 и 850 м) и в приустьевых участках рек Голоустная, Селенга, Бугульдейка, Анга, Сарма, Турка, Баргузин, Томпуда, Рель, Тыя, Кичера и Верхняя Ангара (рис. 1а).

Активность щелочной фосфатазы определяли с помощью набора Щелочная фосфатаза-Витал В09.02 (АО “Витал Девелопмент Корпорэйшн”, Россия). Пробу в двух повторностях фильтровали через аналитическую трековую мембрану АТМ-0-0-0-25 с диаметром пор 0.2 мкм (ООО “РЕАТРЕК-Фильтр”, Россия). Затем один фильтр помещали в стерильный стеклянный сосуд (объемом 13‒15 мл) с 1 мл раствора п-нитрофенилфосфата, второй хранили в морозильной камере при ‒18C. В качестве контроля параллельно подготавливали стерильный стеклянный сосуд с этим же раствором. Стеклянные сосуды экспонировали в течение 1 сут в темноте при 20‒22C, после чего в контрольный помещали фильтр из морозильной камеры. Для остановки реакции добавляли по 10 мл NaOH (20 ммоль/л), оптическую плотность определяли при длине волны 405 нм в кювете 1 см напротив контроля на спектрофотометре ПЭТ 5400ВН. Показатель фосфатазной активности выражали в нмоль/(л сут), рассчитывая по калибровочной кривой.

Численность фосфатаза-активных бактерий определяли на рыбо-пептонном агаре, разбавленном в 10 раз (РПА:10). После прорастания колоний в чашку заливали 10 мл среды с фенолфталеинфосфатом натрия и оставляли на 2‒3 ч, — под воздействием фосфатазы реактив расщепляется на свободный фенолфталеин и фосфор. Затем добавляли 0.5 мл раствора аммиака и проводили учет ярко-розовых колоний, т. к. аммиак с освободившимся фенолфталеином дает указанное окрашивание (Родина, 1965).

Исследования показали, что АЩФ в пелагиали озера в среднем составила 60 нмоль/(л сут), в приустьевых участках рек — 1021 нмоль/(л сут), численность ФАБ — 109 и 887 КОЕ/мл, соответственно.

В пелагиали АЩФ колебалась от 3 до 428 нмоль/(л·сут), численность ФАБ от 60 до 2400 КОЕ/мл. Максимальные значения АЩФ и ФАБ выявили в поверхностном слое, которые составляли среднем 167 нмоль/(л·сут) и 545 КОЕ/мл; на глубинах 5 и 15 м значения составили в среднем 66 нмоль/(л·сут) и 24 КОЕ/мл, а на глубине 100 м — 34 нмоль/(л·сут) и 6 КОЕ/мл. Минимальные значения АЩФ выявлены на глубинах 400, 600 м и в придонных слоях — в среднем 12 нмоль/(л·сут), а численность ФАБ — 13 КОЕ/мл (рис. 1б). В трофическом слое водной толщи, где наблюдали высокие показатели АЩФ и низкую численность ФАБ, очевидно, фосфатаза-активные цианобактерии и фитопланктон играют основополагающую роль в высвобождении фосфатов из органического фосфора (Belykh, Sorokovikova, 2003; Cabello-Yeves et al., 2022). Также, вероятно, высокие показатели АЩФ в поверхностном слое связаны с тем, что, в отличие от кислой и нейтральной фосфатаз, более чувствительных к интенсивности света, ее активность возрастает в поверхностном, более освещенном, слое воды. Для внеклеточных и кислых фосфатаз характерна обратная зависимость от освещения (Wynne, Bergstein Ben-Dan, 1995).

Рис. 1. Карта станций отбора проб (а); Численность ФАБ и АЩФ в водной толще южной, средней и северной котловин оз. Байкал в июне 2021‒2023 гг. (б).

Высокие значения АЩФ в поверхностном слое наблюдали в 2022 г. в южной и средней котловинах — 428 и 250 нмоль/(л·сут), в то время, когда максимальные значения численности ФАБ детектировали только в южной котловине — 2400 КОЕ/мл (рис. 1б). В сравнении с полученным ранее данными за 2018 и 2019 годы (Suslova et al., 2020), численность ФАБ возросла от 200 и 700 КОЕ/мл до 2400 КОЕ/мл в 2022 г.

Значимую корреляцию между АЩФ и численностью ФАБ детектировали в поверхностных слоях (r = 0.8; p ≤ 0.05).

В притоках значения АЩФ колебались от 182 (р. Голоустная, 2022 г.) до 2517 нмоль/(л·сут) (р. Селенга, 2022 г.), численность ФАБ от 60 (р. Сарма, 2022 г.) до 4800 КОЕ/мл (р. Рель, 2023 г.) (рис. 2).

Рис. 2. АЩФ в приустьевых участках основных притоков оз. Байкал в июне 2021‒2023 гг.

Стабильно высокие значения наблюдали все три года на р. Кичера, где АЩФ составила 2212, 2374 и 2166 нмоль/(л·сут), соответственно, и стабильно низкие значения в р. Бугульдейка и р. Сарма — в среднем 408 нмоль/(л·сут) (рис. 2). Также выявили значимую корреляционную связь значений АЩФ с содержанием органического фосфора (r = 0.8; p ≤ 0.05), концентрация которого в среднем составила 0.019 мкг/л, с минимальными значениями в р. Сарма (0.004‒0.005 мкг/л) и максимальными в р. Баргузин (0.72 мкг/л).

Ранее полученные данные АЩФ в приустьевом участке р. Селенга в июне 2003 г. (Максименко и соавт., 2008) были сопоставимы с нашими результатами в 2021 г. — 580 и 532 нмоль/(л·сут), соответственно, (рис. 2). Подобные исследования проведены в эстуариях рек Олн и Элорн во Франции, где АЩФ варьировала от 50 до 506 нмоль/(л·сут), несмотря на очень ограниченное содержание фосфора (Labry et al., 2016).

В пелагической части значения АЩФ с глубиной понижаются от 167 до 12 нмоль/(л·сут), численность ФАБ — от 545 до 6 КОЕ/мл, соответственно, что говорит об основных процессах генерации фосфатов в трофическом слое озера за счет АЩФ. В основных притоках озера значение АЩФ выше, чем в пелагиали на порядок, а численность ФАБ в 8 раз. Полученные данные свидетельствуют о том, что в приустьевых участках рек проходят активные биохимические процессы трансформации органических соединений фосфора, тем самым обеспечивая доступность фосфора биоте. Притоки озера Байкал играют доминирующую роль в приходной части гидрологического и химического баланса веществ в озере. Исходя из этого, можно утверждать, что в Байкале протекает процесс обогащения озерных вод соединениями фосфора за счет речного стока, что, вероятно, может быть одной из причин последующей эвтрофикации водоема.

ФИНАНСИРОВАНИЕ

Работа выполнена в рамках темы госзадания № 0279-2021-0005 (121032300224-8) и № 0279-2021-0015 (121032300269-9).

СОБЛЮДЕНИЕ ЭТИЧЕСКИХ СТАНДАРТОВ

Настоящая статья не содержит результатов исследований, в которых в качестве объектов использовались люди или животные.