а Институт биофизики ФИЦ «Красноярский научный центр СО РАН»
б Сибирский федеральный университет
Каротиноид аллоксантин как индикатор трофической связи зоопланктона с криптофитовыми водорослями в озере Шира
Ю.В. Бархатова, В.В. Зыкова, Е.Б. Хромечека,
И.Г. Прокопкина, Д.Ю. Рогозина,б
Российская Федерация, Красноярск
Аннотация
Криптофитовые водоросли признаны важным трофическим звеном многих водных экосистем, однако остаются недостаточно изученными в плане трофических взаимодействий с другими компонентами экосистем. Они являются более качественной пищей, чем большинство других водорослей, и поэтому могут быть подвержены селективному выеданию со стороны зоопланктона. Следовательно, прямые измерения динамики их концентрации в озерах могут давать очень сильно заниженные показатели продукции. Одним из способов оценки потребления криптофитовых водорослей зоопланктоном служит определение содержания в нем специфического для криптомонад каротиноида аллоксантина.
В работе исследовалось содержание аллоксантина в осадочных илах, седиментационных ловушках и зоопланктоне озера Шира с помощью высокоэффективной жидкостной хроматографии. Была показана значимая корреляция между количеством некоторых видов зоопланктона, способных потреблять криптофитовые водоросли, и потоком осаждаемого аллоксантина, зафиксированным в седиментационных ловушках. Результат анализа проб зоопланктона (наибольший вклад в биомассу которого обеспечивал веслоногий рачок Arctodiaptomus salinus (Daday, 1885)) на содержание каротиноидов в течение весенне-летнего сезона показал наличие аллоксантина в количестве до 80 мкг/г, снижающееся к концу сезона, что коррелировало с биомассой криптофитовых водорослей в озере.
Ключевые слова: криптофитовые водоросли, зоопланктон, аллоксантин.
Abstract
Measuring Alloxanthin as a Proxy Approach in a Study of Trophic Relationships between Zooplankton and Cryptophyte Algae in Lake Shira
Yuri V. Barkhatova, Vladimir V. Zykova, Elena B. Khromecheka, Igor G. Prokopkina and Denis Y. Rogozinb
a Institute of Biophysics FRC «Krasnoyarsk Science Center SB RAS» Krasnoyarsk, Russian Federation
b Siberian Federal University Krasnoyarsk, Russian Federation
Cryptophyte algae are an important trophic link in many aquatic ecosystems, but they remain insufficiently studied in terms of trophic interactions with other components of ecosystems.
They are better quality food than most other algae and, therefore, can be subject to selective grazing by zooplankton; thus, direct measurements of the dynamics of their concentration in lakes may give very low productivity indicators.
One way to assess the consumption of cryptophyte algae by zooplankton is to determine the content of alloxanthin, a carotenoid specific for cryptophyte algae, in zooplankton.
The present study investigated the alloxanthin content of sedimentary silts, sedimentation traps, and zooplankton of Lake Shira using high performance liquid chromatography. A significant correlation was found between the abundance of some zooplankton species capable of consuming cryptophyte algae and the flux of precipitated alloxanthin recorded in sedimentation traps.
Analysis of zooplankton samples (the largest contribution to the biomass of which was made by the copepod Arctodiaptomus salinus (Daday, 1885)) for the content of carotenoids during the spring-summer season showed the presence of alloxanthin amounts reaching 80 pg/g, which decreased by the end of the season, and that correlated with the biomass of cryptophyte algae in the lake. Carotenoids associated with other groups of algae were observed in considerably smaller amounts. Thus, the copepod A. salinus exhibits high selective consumption of cryptophyte algae, which may serve as a confirmation of a close trophic relationship between them.
Keywords: Cryptophyte algae, zooplankton, alloxanthin.
Введение
Характерной чертой многих стратифицированных водоемов является наличие многочисленной популяции криптофитовых водорослей или криптомонад (Cryptophyceae), адаптированной к низкому уровню освещенности в области хемоклина (Reynolds, 1992; Gervais, 1998). Представители семейства Cryptophyceae относятся к числу самых продуктивных жгутиконосцев в большинстве водных сред (Klaveness, 1988). Несмотря на небольшое видовое разнообразие (около 200 видов), криптофитовые водоросли характеризуются достаточно широкой экологической амплитудой, обитая как в пресных, так и в соленых водоемах (Науменко, 2014). Будучи источником незаменимых полиненасыщен- ных жирных кислот (Sushchik, 2008) и важным трофическим звеном многих солоноводных и пресноводных экосистем, они, тем не менее, остаются недостаточно изученными в плане трофических взаимодействий с другими компонентами экосистем.
Представляя собой одного из основных потребителей бактериальной биомассы хемоклина (Porter, 1988; Marshall, Laybourn-Parry, 2002), криптомонады сами служат источником пищи для множества других организмов, в основном неспособных к длительному существованию в условиях отсутствия кислорода. Это инфузории, коловратки, кладоцеры и копеподы (Knisely, Geller, 1986). В зоне хемоклина пресс зоопланктона на криптофитовые водоросли значительно уменьшается, поскольку их важнейшие потребители не способны мигрировать в слои с низким уровнем кислорода, однако в озерах, где практически вся популяция криптомонад находится вне сульфидной зоны, она, очевидно, подвергается активному выеданию.
Также известно, что криптомонады являются более качественной пищей, чем большинство других водорослей (Sushchik, 2008), и могут быть подвержены селективному выеданию со стороны зоопланктона (Eilertsen et al., 1989; Gladyshev et al., 1999; Tonno et al., 2016), поэтому прямые измерения динамики их концентрации в озерах могут давать очень сильно заниженные показатели продукции. Отмечается высокое содержание питательных веществ в культурах криптофитовых водорослей. Они содержат до 64 % сухой массы белка с аспартатом, аланином, глутаматом, глицином, серином, лейцином и лизином в качестве основных аминокислот (Dunstan et al., 2005).
Активные потребители криптофитовых водорослей среди прочих - веслоногие ракообразные (копеподы) (Talling, 2003; Tonno et al., 2016). Потребление такой питательной пищи ведет к более быстрому росту и ускоряет размножение копепод. Веслоногие ракообразные могут быть избирательными в потребляемой ими пище (Head, Harris, 1994; Meyer-Harms et al., 1999), и поэтому состав сообщества фитопланктона не обязательно отражается в содержании их кишечника. Эта особенность используется в определении спектра питания зоопланктона путем анализа содержания характерных для различных групп фитопланктона пигментов в кишечниках веслоногих рачков (McLeroy- Etheridge, McManus, 1999; Antajan, Gasparini, 2004; Oechsler-Christensen et al., 2012; Tonno et al., 2016; D'Souza, Gauns, 2018). Также веслоногие рачки способны накапливать эти пигменты (каротиноиды) в тканях своего организма, что связывают в основном со способом защиты копепод от ультрафиолетовой радиации (Hairston, 1976; Sommaruga, 2010).
Одним из озер, в котором присутствует значительная популяция Cryptophyceae (Rhodomonas salina (Wislouch, 1924), ранее - Cryptomonas salina), а доминирующим видом зоопланктона является веслоногий рачок Arctodiaptomus salinus (Daday, 1885), считают озеро Шира (Республика Хакасия) (N54°30' E90°11') (Rogozin et al., 2017). Шира представляет собой меромиктическое соленое озеро с площадью поверхности 35,9 км2 и максимальной глубиной 24 м (Degermendzhy et al., 2010). Концентрация растворенной соли в миксолимнионе колеблется с глубиной от 11,5 до 14,5 г/л, снижаясь до 9,5 г/л вблизи поверхности после таяния льда в мае. Трофический статус озера Шира оценивается как мезотрофный. Хемоклин в летние месяцы обычно располагается на глубине 13-16 м (Rogozin et al., 2009). В 2015-2016 годах произошло временное разрушение меромиксии озера, сопровождающееся значительными изменениями биомассы всех компонентов его экосистемы, в том числе криптофитовых водорослей, увеличивших свою численность в сотни раз (Rogozin et al., 2017).
Каротиноид аллоксантин хорошо известный таксономический маркер Cryptophyceae в природных водоемах (Leavitt, 1993; Antajan, Gasparini, 2004). Лютеин - характерный пигмент зеленых водорослей и высшей водной растительности, зеаксантин часто встречается у цианобактерий (Leavitt, 1993). Оба этих пигмента присутствуют в донных отложениях озера Шира, как и аллоксантин (Rogozin et al., 2011), и имеют схожую временную динамику. И зеленые водоросли, и цианобактерии постоянно присутствуют в фитопланктоне озера (Gaevsky et al., 2002).
В данной работе мы в первую очередь исследовали корелляционные связи потока осаждающегося на дно аллоксантина и биомассы различных компонентов экосистемы пелагиали озера Шира за период 2012-2017 годов. Конечной целью работы было определение трофической связи зоопланктона озера и криптофитовых водорослей и проверка гипотезы о возможности их селективного выедания. Для этого мы определяли содержание аллоксантина путем хроматографического анализа непосредственно в составе тканей зоопланктона озера Шира в течение весеннелетнего сезона 2020 года одновременно с мониторингом всех групп зоопланктона и криптофитовых водорослей в пелагиали озера.
Материалы и методы
Из центральной зоны озера Шира (N54°30'23.2'' E90°11'17.8'') зоопланктон отбирали в течение весенне-летнего сезона с помощью зоопланктонной сети Джеди (82 мкм). Отбор проводили 15.05.2020, 26.06.2020 и 20.08.2020 с глубины 1-5 м. Отфильтрованный зоопланктон (большую часть которого по массе составляли рачки A. salinus) частично сразу замораживали, а частично экспонировали в течение суток в небольшом количестве озерной воды, взятой с того же горизонта в то же время, что исключало для зоопланктона возможность полноценного питания, но давало возможность опорожнения кишечника, после чего тоже замораживали.
Замороженные пробы впоследствии использовали для хроматографического анализа на каротиноид аллоксантин, а также на каротиноиды лютеин и зеаксантин, которые считаются трофическими маркерами зеленых водорослей и цианобактерий соответственно. Пигментный анализ проводился по адаптированной методике (Wright et al., 1991) аналогично (Zykov et al., 2012).
Образец рачков весом 2-4 г перемещали в отдельную пробирку-фалькон объемом 15 мл и заливали 10 мл 90 %-го водного раствора ацетона. Экстракцию пигментов проводили при температуре минус 20 оС в течение суток. Затем экстракты центрифугировали при 6000 g в течение 10 мин, супернатант извлекали и до анализа хранили в темном месте при температуре минус 20 оС. HPLC-анализ производили на установке Agilent 1200 с DAD-детектором, хроматографическое разделение осуществляли по модифицированной методике Wright et al. (1991) на колонке Eclipse XDB-C18 (ср. диаметр частиц 5 микрон), линейные размеры - 4,6 на 150 мм, также использовали предколонку Eclipse XDB-C18 с линейными размерами 4,6 на 12,5 мм. Разделение производили при температуре 400 оС. Длина детектора 455 нм с шириной оптической щели 4 нм, референсный сигнал - 880 нм, ширина оптической щели 20 нм. Концентрацию каротиноидов в пробе рассчитывали по площади пика хроматограммы с калибровкой на основе стандарта каротиноидов по методике, изложенной в (Zykov et al., 2012). Поскольку для задачи хроматографического анализа необходимо было получать и использовать как можно большую биомассу, это делало невозможным дифференциацию видов зоопланктона в пробах, однако параллельно в те же числа (15.05.2020, 26.06.2020 и 20.08.2020) производили мониторинг вертикального распределения всех групп зоопланктона и была рассчитана биомасса копепод и коловраток в столбе воды. Пробы зоопланктона и криптофитовых водорослей отбирали в центральной части озера шланговым пробоотборником с разных глубин с интервалом 1 м от поверхности до нижней границы кислородного слоя. Пробы непосредственно после отбора фиксировали раствором Кузьмина (10 г йодида калия, 50 мл водяного дистиллята, 5 г йода, 5 мл хромовой кислоты (1 %), 10 мл уксусной кислоты, 80 мл формалина (40 %) (1 %) конечная концентрация) (Кузьмин, 1975).
Перед подсчетом образцы концентрировали методом отстаивания (Hasle, 1978) от 1000 мл до примерно 50 мл. Криптофитовые водоросли подсчитывали в камере Фукса-Розенталя под световым микроскопом с использованием 10 псевдоповторностей. Определение биомассы криптофитовых водорослей осуществлялось методом клеточного объема согласно (Радченко и др., 2010). Концентрацию зоопланктона определяли подсчетом в камере Богорова с использованием всего объема пробы. Расчет биомассы зоопланктона осуществлялся согласно уравнению зависимости массы тела зоопланктера от его длины (Тевяшова, 2009) по среднему размеру организма в популяции озера Шира.
Седиментационные ловушки представляли собой открытые с верхнего конца полипропиленовые цилиндры длиной 580 мм, диаметром 103 мм с прозрачным днищем из плексигласа. Ловушки экспонировались на глубине 20 м в анаэробной зоне, в центральной глубоководной части озера. При постановке точное местонахождение каждой ловушки фиксировали с помощью GPS (N 54.30.350, E 90.11.350) (Rogozin et al., 2017). На одном горизонте устанавливали две ловушки, данные по которым усредняли. Ловушки размещали на одном капроновом шнуре, установленном на якоре, с буем на верхнем конце для придания шнуру вертикального положения. Буй располагался на глубине 2-3 м от поверхности воды для снижения воздействия волн, а также во избежание вмораживания в лед.
Ловушки экспонировались без сигнального буйка, а извлекались методом траления. Точные даты постановки и выемки ловушек приведены в табл. 1. В марте ловушки устанавливали через отверстие во льду. Поскольку извлечь ловушку в марте из-подо льда было невозможно, мы поступали следующим образом: ловушка, установленная в октябре перед ледоставом, извлекалась в мае одновременно с ловушкой, установленной в марте. Разность содержимого ловушки «октябрь-май» и ловушки «весна» интерпретировалась как осадочный поток в период октябрь-март.
После извлечения из воды и транспортировки на берег ловушки выдерживали в вертикальном положении 4 ч, затем сливали верхнюю часть воды через сливные отверстия, расположенные на уровне 100 мм от дна.
Остаток тщательно размешивали в оставшемся объеме воды, равном 900 мл, полученную суспензию переливали в пластиковые емкости, герметично закрывали без пузырька воздуха и хранили в герметичных пластиковых бутылках без воздуха в темноте при 4 °C.
Таблица 1. Даты установки и выемки седиментационных ловушек в озере Шира за период 2012-2017 годов и рассчитанные потоки аллоксантина