Нитчатые зелёные водоросли, внеклеточные щелочные фосфатазы и некоторые особенности цикла фосфора в прудах
##plugins.themes.bootstrap3.article.main##
Google Scholar
##plugins.themes.bootstrap3.article.details##
Аннотация
Зелёные нитчатые водоросли (ЗНВ) могут достигать высокой биомассы и играть важную функциональную роль в образовании продукции и круговороте биогенов в различных водоёмах. Активность внеклеточной щелочной фосфатазы ЗНВ может существенно влиять на процессы в цикле фосфора. В настоящее время наблюдается интенсивное развитие зелёных водорослей в различных пресноводных и морских водоёмах, что создаёт проблемы для деятельности людей и обуславливает необходимость исследования ЗНВ. Целью нашей работы было изучение ЗНВ в четырёх прудах Крыма и Китая. Определены показатели концентрации растворённого фосфора, уровня пигментов, степени активности и кинетических характеристик щелочных фосфатаз в воде и мембранах ЗНВ, а также выявлен состав и численность микроводорослей в планктоне. Видовой состав микроводорослей и биомасса ЗНВ в изученных прудах различались в широких пределах. Два пруда имели более чем 50%-ное покрытие поверхности воды ЗНВ с сырой биомассой выше 100 г∙м-2. Биомасса ЗНВ в двух других водоёмах составляла менее 2 г∙м-2. В прудах с низкой биомассой ЗНВ концентрация растворимого реактивного фосфора находилась на низком уровне (менее 10 мкг∙л-1), а содержание растворённого органического фосфора составляло максимальную долю общего фосфора (в среднем 23.1 мкг∙л-1) и находилось в диапазоне от 20.8 до 25.4 мкг∙л-1. Однако в прудах с высокой биомассой ЗНВ основная доля общего содержания фосфора принадлежала взвешенному фосфору и составляла 45.8 и 56.7 %, соответственно. Распределение активности внеклеточной щелочной фосфатазы по размерным фракциям частиц в водном столбе и распределение биомассы ЗНВ было аналогично и характеризовалось пространственной гетерогенностью. Реакция активности внеклеточной щелочной фосфатазы на различную концентрацию фосфата в водном столбе существенно отличалась от реакции в клеточной мембране ЗНВ, последняя из которых ингибировалась высокими концентрациями фосфата. Достоверно установленное ингибирование фосфором активности щелочных фосфатаз в клеточных мембранах ЗНВ свидетельствует о том, что рост водорослей лимитируется фосфором. Несоответствие между низкой концентрацией растворённого в воде фосфора и высокой биомассой ЗНВ может быть обусловлено увеличением скорости круговорота биогенов за счёт активности щелочных фосфатаз. Выделение в среду щелочных экзофосфатаз ЗНВ, микроводорослями и бактериями может ускорять круговорот фосфора различными путями. В прудах с высокой биомассой ЗНВ массово развивающиеся бактерии могут вносить дополнительный вклад в ускорение регенерации неорганического фосфора, который впоследствии поглощается зелёными водорослями. Эти бактерии также могут одновременно ограничивать развитие микроводорослей, таких как одноклеточные виды Chlorophyta. Например, Cladophora обеспечивают среду обитания для различных видов эпибионтов (бактерий и микроводорослей, в первую очередь диатомовых) и поддерживают мутуалистические взаимоотношения между водорослями и бактериями. Полученные результаты обуславливают необходимость изучения процесса интенсивного развития ЗНВ в различных водоёмах в контексте общего функционирования экосистемы.
Авторы
Библиографические ссылки
Auer M.T., Canale R. Ecological studies and mathematical modeling of Cladophora in Lake Huron: 2 phosphorus uptake kinetics. Journal of Great Lakes Research, 1982, vol. 8, pp. 84–92.
Berman T. Alkaline phosphatase and phosphorus availability in Lake Kinneret. Limnology and Oceanography, 1970, vol. 15, pp. 663–674.
Brooks C., Grimm A., Shuchman R., Sayers M., Jessee N. A satellite-based multi-temporal assessment of the extent of nuisance Cladophora and related submerged aquatic vegetation for the Laurentian Great Lakes. Remote Sensing of Environment, 2015, vol. 157, pp. 58–71.
Canale R.P., Auer M.T. Ecological studies and mathematical modeling of Cladophora in Lake Huron: 7. Model verification and system response. Journal of Great Lakes Research, 1982, vol. 8, pp. 134–143.
Cao X., Song C., Zhou Y., Štrojsová A., Znachor P., Zapomělová E., Vrba J. Extracellular phosphatases produced by phytoplankton and other sources in shallow eutrophic lakes (Wuhan, China): taxon-specific versus bulk activity. Limnology, 2009, vol. 10, iss. 2, pp. 95–104.
Cao X., Song C., Zhou Y. Limitations of using extracellular alkaline phosphatase activities as a general indicator for describing P deficiency of phytoplankton in Chinese shallow lakes. Journal of Applied Phycology, 2010, vol. 22, iss. 1, pp. 33–41.
Chrost R.J., Siuda W., Halemejko G.Z. Longterm studies on alkaline phosphatase activity (APA) in a lake with fish-aquaculture in relation to lake eutrophication and phosphorus cycle. Archiv Fur Hydrobiologie, 1984, vol. 70, pp. 1–32.
Curiel D., Rismondo A., Bellemo G., Marzocchi M. Macroalgal biomass and species variations in the Lagoon of Venice (Northern Adriatic Sea, Italy): 1981–1998. Scientia Marina, 2004, vol. 68, pp. 57–67.
Dodds W.K., Gudder D.A. The ecology of Cladophora. Journal of Phycology, 1992, vol. 28, pp. 415–427.
Dondajewska R., Frankowski T., Wojak P. Changes in the vegetation of filamentous green algae in the Antoninek preliminary reservoir. Oceanological and Hydrobiological Studies, 2007, vol. 36, pp. 121–128.
El-Shahed A.M., Ibrahim H., Abd-Elnaeim M. Isolation and characterization of phosphatase enzyme from the freshwater macroalga Cladophora glomerata Kützing (Chlorophyta). Pakistan Journal of Biological Sciences, 2006, vol. 9, pp. 2456–2461.
Golterman H.L., Clymo R.S., Ohmstad M.A.M. 1978. Methods for physical and chemical analysis of Fresh waters. Oxford: Blackwell Scientific Publications, 1978, 214 p.
Gordon D.M., McComb A.J. Growth and production of the green alga Cladophora montagneana in a eutrophic Australian estuary and its interpretation using a computer program. Water Research, 1989, vol. 23, iss. 5, pp. 633–645.
Gubelit Y. I., Berezina N. A. The causes and consequences of algal blooms: the Cladophora glomerata bloom and the Neva estuary (eastern Baltic Sea). Marine Pollution Bulletin, 2010, vol. 61, iss. 4-6, pp. 183–188.
Higgins S. N., Pennuto C. M., Howell E. T., Lewis T. W., Makarewicz J. C. Urban influences on Cladophora blooms in Lake Ontario. Journal of Great Lakes Research, 2012, vol. 38, pp. 116–123.
Kwon H. K., Oh S. J., Yang H. S. Ecological significance of alkaline phosphatase activity and phosphatase-hydrolyzed phosphorus in the northern part of Gamak Bay, Korea. Marine pollution bulletin, 2011 vol. 62, iss. 11, pp. 2476–2482.
Labry C., Delmas D., Herbland A. Phytoplankton and bacterial alkaline phosphatase activities in relation to phosphate and DOP availability within the Gironde plume waters (Bay of Biscay). Journal of Experimental Marine Biology and Ecology, 2005, vol. 318, iss. 2, 213–225.
Lapointe B.E., O’Connell J. Nutrient-enhanced growth of Cladophora prolifera in Harrington Sound, Bermuda: Eutrophication of a confined, phosphorus-limited marine ecosystem. Estuarine Coastal and Shelf Science, 1989, vol. 28, pp. 347–360.
Lembi C.A. Control of nuisance algae. In: Freshwater algae of North America:Ecology and classification. New York: Academic Press, 2003, pp. 805–834.
Lin C.K. Accumulation of water soluble phosphorus and hydrolysis of polyphosphates by Cladophora glomerata (Chlorophyceae). Journal of Phycology, 1977, vol. 13, pp. 46–51.
Malkin S.Y., Guildford S.J., Hecky R.E. Modeling the growth response of Cladophora in a Laurentian Great Lake to the exotic invader Dreissena and to lake warming. Limnology and Oceanography, 2008, vol. 53, pp. 1111–1124.
Mantai K.E. The response of Cladophora glomerata to changes in soluble orthophosphate concentrations in Lake Erie. Verhandlungen des Internationalen Verein Limnologie, 1978, vol. 20, pp. 347–351.
Murphy J., Riley P. A modified single solution method of the determination of phosphate in natural waters. Analytica Chimica Acta, 1962, vol. 27, pp. 1–36.
Okada H., Watanabe Y. Effect of physical factors on the distribution of filamentous green algae in the Tama River. Limnology, 2002, vol. 3, pp. 121–126.
Painter D.S., Kamaitis G. Reduction of Cladophora biomass and tissue phosphorus in Lake Ontario, 1972-83. Canadian Journal of Fisheries and Aquatic Sciences, 1987, vol. 44, pp. 2212–2215.
Parker J.E., Maberly S.C. Biological response to lake remediation by phosphate stripping: Control of Cladophora. Freshwater Biology, 2000, vol. 44, pp. 303–309.
Planas D., Maberly S.C., Parker J.E. Phosphorus and nitrogen relationships of Cladophora glomerata in two lake basins of different trophic status. Freshwater Biology, 1996, vol. 35, pp. 609–622.
Power M.E. Hydrologic and trophic controls of seasonal algal blooms in northern California rivers. Archiv fur Hydrobiologie, 1992, vol. 125, pp. 385–410.
Prazukin A.V., Bobkova A.N., Evsigneeva I.K., Tankovska I.N., Shadrin N.V. Structure and seasonal dynamics of the phytocomponent of bioenert system marine hypersaline lakeon of cape of Chersonessus (Crimea). Morskoy Ekologicheskiyj Zhurnal, 2008, vol. 7, pp. 61–79. (in Russ.).
Ren L., Wang P., Wang C., Peng Z., Hu B., Wang R. Contribution of alkaline phosphatase to phosphorus cycling in natural riparian zones in the Wangyu River running into Lake Taihu. Desalination and Water Treatment, 2016, vol. 57, iss. 44, pp. 20970–20984.
Scott N.H., Robert E.H., Stephanie J.G. Environmental controls of Cladophora growth dynamics in eastern Lake Erie: Application of the Cladophora growth model (CGM). Journal of Great Lakes Research, 2006, vol. 32, pp. 629–644.
Scott N.H., Sairah Y.M., Todd H., Stephanie J.G., Linda C., Veronique H., Robert E.H. An ecological review of Cladophora Glomerata (Chlorophyte) in the Laurentian great lakes. Journal of Phycology, 2008, vol. 44, pp. 839–854.
Sharma K., Inglett P.W., Reddy K.R., Ogram A.V. Microscopic examination of photoautotrophic and phosphatase-producing organisms in phosphorus-limited Everglades periphyton mats. Limnology and Oceanography, 2005, vol. 50, pp. 2057–2062.
Valiela I., Mcclelland J., Hauxwell J., Behr P. J., Hersh D., Foreman K. Macroalgal blooms in shallow estuaries: Controls and ecophysiological and ecosystem consequences. Limnology and Oceanography, 1997, vol. 42, pp. 1105–1118.
Vollenweider R.A. A manual on methods for measuring primary production in aquatic environments. 2nd ed. Oxford: Blackwell Sc. Publ., 1974, 225 p. (IBP Handbook; no. 12).
Watson S. B., Miller C., Arhonditsis G., Boyer G. L., Carmichael W., Charlton M. N., Matisoff G. The re-eutrophication of Lake Erie: Harmful algal blooms and hypoxia. Harmful Algae, 2016, vol. 56, pp. 44–66.
Wellburn A.R. The spectral determination of chlorophylls a and b, as well as total carotenoids using various solvents with spectrophotometers of different resolution. Journal of Plant Physiology, 1994, vol. 144, pp. 307–313.
Young E. B., Tucker R. C., Pansch L. A. Alkaline phosphatase in freshwater Cladophora – epiphyte assemblages: regulation in response to phosphorus supply and localization. Journal of Phycology, 2010, vol. 46, iss. 1, pp. 93–101.
Zulkifly S. B., Graham J. M., Young E. B., Mayer R. J., Piotrowski M. J., Smith I., Graham L. E. The genus Cladophora Kützing (Ulvophyceae) as a globally distributed ecological engineer. Journal of Phycology, 2013, vol. 49, iss. 1, pp. 1–17.
Zulkifly S., Hanshew A., Young E. B., Lee P., Graham M. E., Graham M. E., Piotrowski M., Graham L. E. The epiphytic microbiota of the globally widespread macroalga Cladophora glomerata (Chlorophyta, Cladophorales). American Journal of Botany, 2012, vol. 99, no. 9, pp. 1541–1552.
