Статья: Каротиноид аллоксантин как индикатор трофической связи зоопланктона с криптофитовыми водорослями в озере Шира

Table 1. Dates of installation and removal of sedimentation traps in Lake Shira over the period of 2012-2017 and calculated fluxes of alloxanthin

Для анализа каротиноидов (включая аллоксантин) определенный объем суспензии фильтровали через стекловолоконный фильтр GF/F и высушивали в темноте при комнатной температуре, а затем хранили фильтры при минус 20 °C в герметично запечатанных полиэтиленовых пакетах. Экстракцию каротиноидов из материала ловушек и их анализ с помощью высокоэффективной жидкостной хроматографии проводили, как описано Зыковым с соавторами (Zykov et al., 2012).

Седиментационный поток рассчитывали по формуле

Корреляционный анализ проводили между рассчитанным седиментационным потоком аллоксантина и численностью в столбе воды зоопланктона и криптофитовых водорослей, отобранных в даты конца периода экспонирования седиментационных ловушек.

Результаты и обсуждение

В 2012-2014 и 2016-2017 годах в озере экспонировались седиментационные ловушки, предназначенные для определения потока биогенных веществ, осаждаемых в придонную область в различные сезоны.

В ловушках также определялись пигменты, в том числе таксономический маркер криптофитовых водорослей аллоксантин, и был рассчитан его суточный поток (табл. 1). В донных илах содержание аллоксантина оценивалось ранее (Zykov et al., 2012) и составляло порядка 100 мкг/г сухого вещества в верхних слоях.

Однако динамика криптофитовых водорослей, непосредственно наблюдаемая в 2012-2020 годах в озере Шира, не показывает достоверной корреляции с содержанием аллоксантина как в донных отложениях, так и в осадочных ловушках.

Такая корреляция найдена только между содержанием аллоксантина в осадочных ловушках и численностью некоторых видов зоопланктона - веслоногого рачка A. salinus и коловратки Hexarthra sp. (рис. 1). Для другой присутствующей в озере коловратки Brachionus plicatilis (Muller, 1786) достоверной корреляции с содержанием аллоксантина в осадочных ловушках не наблюдается.

Рис. 1. Связь численности Arctodiaptomus salinus и Hexarthra sp. в озере Шира и потока осаждаемого аллоксантина за период 2012-2017 гг. R - коэффициент корреляции Пирсона

Fig. 1. Relationship between the abundance of Arctodiaptomus salinus and Hexarthra sp. in Lake Shira and the flux of precipitated alloxanthin for the period of 2012-2017. R is Pearson's correlation coefficient

Коэффициент корреляции Пирсона составляет 0,63 для копеподы A. salinus и 0,65 для коловратки Hexarthra sp. и является достоверным для уровня 0,95. криптофитовый водоросль зоопланктон шира

Таким образом, эти положительные достоверные корреляции косвенно могут свидетельствовать, что эти организмы служат потребителями источника аллоксантина в озере, то есть криптомонад R. salina, в значительных количествах. Вертикальные распределения веслоногого рачка A. salinus и коловраток Hexarthra sp. и B. plicatilis (рис. 2) в 2020 году характерны для озера и близки к таковым в предыдущие годы наблюдений. Они более или менее равномерно распределены по всей кислородной зоне. Численность A. salinus достаточно стабильна весь сезон и составляет от 15 до 40 экз/л, число коловраток возрастает к концу лета и достигает 80 экз/л в основном за счет B. plicatilis.

Рис. 2. Вертикальное распределение численности копепод и коловраток (верхняя ось) и криптофитовых водорослей (нижняя ось) в пелагиальной зоне озера Шира в 2020 году

Fig. 2. Vertical distribution of the abundance of copepods and rotifers (upper axis) and cryptophyte algae (lower axis) in the pelagic zone of Lake Shira in 2020

Согласно полученным вертикальным распределениям рассчитана биомасса копепод и коловраток в столбе воды (рис. 3).

Рис. 3. Биомассса зоопланктона (а) и криптофитовых водорослей (b) в столбе воды озера Шира в весеннелетний сезон 2020 года

Fig. 3. Biomass of zooplankton (a) and cryptophyte algae (b) in the water column of Lake Shira in the springsummer season of 2020

Во все даты наибольший вклад в биомассу зоопланктона обеспечивал веслоногий рачок A. salinus.

Криптофитовые водоросли R. salina во все даты присутствуют практически во всех тех же горизонтах, что и их потенциальные потребители - копеподы и коловратки (рис. 2).

Их вертикальное распределение показывает максимальную численность в начале сезона с заглубленным пиком и более ровное распределение в начале и конце лета (рис. 2) с достаточно сильным снижением биомассы в столбе воды к августу, от почти 1 до менее 0,3 г/м² (рис. 3). Хотя можно наблюдать некоторое подобие отдельных пиков распределения криптофитовых водорослей с распределением зоопланктона, достоверной корреляции между этими распределениями не наблюдается.

Результаты определения пигментов в пробах зоопланктона представлены на рис. 4. Прежде всего, видно, что аллоксантина, связанного с криптофитовыми водорослями, в экстрактах зоопланктона в любой из проб либо значительно больше, либо столько же, по сравнению с пигментами зеленых водорослей и цианобактерий. Тогда как последних в озере Шира обычно как минимум на порядок больше по биомассе, чем криптофитовых водорослей (биомасса зеленых водорослей и цианобактерий в столбе воды - до 25 г/м² (Gaevsky et al., 2002), криптофитовых водорослей - менее 1 г/м² (см. рис. 3). Также мы наблюдаем снижение содержания аллоксантина в зоопланктоне в летний период относительно весеннего, что соответствует снижению общей биомассы криптофитовых водорослей в озере в этот период (рис. 3 и 4).

Рис. 4. Содержание каротиноидов аллоксантина (а) и лютеина и зеаксантина (b) в зоопланктоне из озера Шира сразу после отбора из природной среды (1) и после содержания в течение суток без доступа к пище (2)

Fig. 4. The content of carotenoids alloxanthin (a) and lutein and zeaxanthin (b) in zooplankton from Lake Shira immediately after sampling from the natural environment (1) and after keeping for 24 hours without access to food (2)

Наконец, содержание аллоксантина в «голодных» рачках с опорожненными кишечниками выше, чем у рачков с кишечниками полными (рис. 4), что показывает активное накопление пигмента в теле рачка. На рис. 3 и 4 видно, что относительное уменьшение биомассы криптомонад и увеличение массы зоопланктона соответствует меньшему содержанию аллоксантина в тканях зоопланктона. Такая зависимость, среди других возможных гипотез, может объясняться селективным выеданием криптомонад зоопланктоном, поскольку при меньшем содержании криптомонад в среде веслоногие рачки уже не могут накапливать аллоксантин в достаточном для себя количестве.

Отсутствие же корреляции между содержанием аллоксантина в осадочных илах и седиментационных ловушках и численностью криптофитовых водорослей может говорить о том, что практически весь вырабатываемый R. salina аллоксантин перехватывается зоопланктоном, то есть почти вся популяция криптофитовых водорослей в озере выедается, а в седиментационные ловушки и донные осадки попадает в составе тел мертвого зоопланктона.

Полученные нами данные в целом согласуются с результатами других исследований. Так, в озере Выртсъярв веслоногие ракообразные (в основном Cyclops kolensis) предпочтительно потребляли криптофиты (идентифицируемые по аллоксантину в содержимом кишечника) в более холодные периоды, а в более теплые предпочитали диатомовые и зеленые водоросли (определяемые по диатоксан- тину и лютеину соответственно) (Tonno et al., 2016). Descy et al. (1999) описали эксперимент с кормлением Diaptomus minutus водорослевым сообществом, состоящим из равной биомассы диатомовых, криптомонад и зеленых водорослей, в котором криптомонады и диатомовые потреблялись более интенсивно, чем зеленые.

В исследовании (Antajan, Gasparini, 2004) аллоксантин всегда обнаруживался в экстрактах веслоногих рачков, обитающих в морской воде, но не было обнаружено корреляции с аллоксантином в воде и не наблюдалось значительного потребления Cryptophyceae. Из этого был сделан вывод, что аллоксантин может накапливаться рачками в тканях организма в течение долгого времени и его наличие не подходит для количественной или качественной оценки потребления криптофитовых в текущий момент.

Накопление аллоксантина (и вообще каротиноидных пигментов) у копепод часто описывается как пластическая адаптация, обеспечивающая фотозащиту от ультрафиолетового излучения. Некоторые исследования ставят эту гипотезу под сомнение. Например, Schneider et al. (2016) сообщают о максимумах содержания каротиноидов зимой, когда ультрафиолетовое излучение низкое, и вводят предположение, что такое накопление связано с метаболизмом липидов и антиоксидантной функцией каротиноидов, а не с фотозащитой, и что сезонные изменения содержания каротиноидов в тканях копепод связаны с циклом воспроизводства (Schneider et al., 2017).

Существуют данные и о том, что метод пигментного хроматографического анализа в исследовании питания копепод нужно использовать с осторожностью. Так, у (Descy et al., 1999) реальное потребление водорослей в экспериментах с кормлением Diaptomus minutus водорослевым сообществом не коррелировало с содержанием маркеров этих водорослей в кишечниках веслоногих рачков, причем именно маркер криптофитовых аллоксантин наблюдался в кишечниках постоянно.

В этом исследовании также отмечается, что каротиноиды могут разрушаться, находясь в кишечниках копепод и аллоксантин наименее подвержен такому разрушению. Подобное утверждают и Pandolfini et al. (2000): пигментные профили экстрактов кишечника плохо отражали диету копепод. McLeroy- Etheridge, McManus (1999) описывают значительную вариабельность разрушения различных пигментов в кишечниках копепод в зависимости как от видов водорослей, так и от способа кормления веслоногих рачков. Antajan, Gasparini (2004) утверждают, что есть возможность преобразования веслоногими рачками в аллоксантин других потребленных каротиноидов. Тем не менее напомним, что источником аллоксантина в кишечниках и тканях копепод считаются только крипто- фитовые водоросли.

Заключение

Исследования содержания каротиноида аллоксантина в осадочных илах, седиментационных ловушках, зоопланктоне озера Шира и анализ связей между ними показали, что существует высокая вероятность того, что криптофитовые водоросли в озере Шира селективно выедаются веслоногим рачком A. salinus.

Список литературы / References

1. Кузьмин Г. В. (1975) Фитопланктон. Методика изучения биогеоценозов внутренних водоемов. Мордухай-Болтовской Ф.Д. (ред.) М., Наука, с. 73-87 [Kuzmin G. V. (1975) Phytoplankton. Methods of ecosystem studies in inland waters. Mordukhai-Boltovsky F.D. (ed.) Moscow, Nauka, p. 73-87 (in Russian)]

2. Науменко Ю. В. (2014) Криптофитовые водоросли в водотоках и водоемах западной Сибири. Растительный мир Азиатской России, 1: 3-8 [Naumenko Yu.V (2014) Cryptophyte algae in streams and water bodies of west Siberia. Plant Life of Asian Russia [Rastitelny mir aziatskoy Rossii], 1: 3-8 (in Russian)]

3. Радченко И. Г., Капков В. И., Федоров В. Д. (2010) Практическое руководство по сбору и анализу проб морского фитопланктона. М., Мордвинцев, 60 с. [Radchenko I. G., Kapkov V. I., Fedorov V. D. (2010) Manual on collection and analysis of marine phytoplankton. M., Mordvintsev, 60 p. (in Russian)]

4. Тевяшова О. Е. (2009) Сбор и обработка зоопланктона в рыбоводных водоемах. Методическое руководство (с определением основных пресноводных видов). Ростов-на- Дону, Изд-во АзНИИРХ, 84 с. [Tevyashova O. E. (2009) Collection and processing of zooplankton in fish-breeding reservoirs. Methodological guide (with the identification of the main freshwater species). Rostov-on- Don, Azov Research Institute of Fisheries, 84 p. (in Russian)]

5. Antajan E., Gasparini S. (2004) Assessment of Cryptophyceae ingestion by copepods using alloxanthin pigment: a caution. Marine Ecology Progress Series, 274: 191-198

6. D'Souza A.M., Gauns M. U. (2018) Temporal variability in copepod gut pigments over the central western continental shelf of India. Journal ofthe Marine Biological Association ofthe United Kingdom, 98(1): 149-159

7. Degermendzhy A. G., Zadereev E. S., Rogozin D. Y., Prokopkin I. G., Barkhatov Y. V., Tolomeev A. P., Khromechek E. B., Janse J. H., Mooij W. M., Gulati R. D. (2010) Vertical stratification of physical, chemical and biological components in two saline lakes Shira and Shunet (South Siberia, Russia). Aquatic Ecology, 44(3): 619-632