Бактериальные биопленки (бактериоперифитон) – это организованные сообщества бактерий одного или нескольких видов, состоящие из активно функционирующих клеток и их покоящихся форм, включенных в покрывающий различные доступные поверхности внеклеточный матрикс [14]. Несмотря на то, что биопленки бактерий были открыты сравнительно давно [15], исследование этих микробиологических объектов приобрело систематический характер лишь в последнее десятилетие [5]. Но до сих пор сообщества бактерий обрастания в арктических морях изучены плохо, и экосистемы заливов Баренцева моря не являются исключением. Большинство исследований бактериоперифитона были выполнены в южных морях с использованием искусственных субстратов в отдельные сезоны, и анализу подвергались молодые сообщества микрообрастания [2; 4; 9; 10; 11 и др.], в то время как в нашей работе испытания проводили над уже сформированным сообществом.
Целью работы явилось исследование годовой динамики общей численности бактерий планктона и перифитона литорали Кольского залива Баренцева моря.
Материалы и методы исследования
Исследование бактериопланктона и бактериоперифитона проводили с октября 2012 по октябрь 2013 года на трех станциях, расположенных в южном и среднем коленах западного берега Кольского залива (рис. 1): станция 1 − Мыс Притыка, станция 2 – Абрам-мыс, станция 3 – бухта Белокаменка. Станции различаются гидролого-гидрохимическими характеристиками и степенью антропогенной нагрузки. Пробы воды отбирали стерильной стеклянной емкостью объемом 1 л.
Рис. 1. Карта-схема Кольского залива с обозначением станций отбора проб
Для проведения исследований бактерий эпилитона на каждой станции во время сизигийного отлива с нижнего горизонта литорали отбирали по 3 камня в стерильные емкости, транспортировали в лабораторию, где производили сбор эпилитона, сначала соскобом стерильным скальпелем, а затем смывом стерильной ватной палочкой с поверхности субстрата площадью 10 см2 и получали суспензию микроорганизмов в пробирке с 20 мл безбактериальной морской воды.
Подсчет общей численности бактерий проводили в соответствии с общепринятыми методиками [6] с использованием акридинового оранжевого в качестве флюорохрома. Бактерии планктона (объем пробы воды 2 мл) и перифитона (объем пробы смыва 0,2 мл) концентрировали на мембранных фильтрах марки «Сынпор» с диаметром пор 0,3 мкм, предварительно погашенных суданом черным. Подсчет численности бактерий проводили на люминесцентном микроскопе МИКМЕД-2-вар.2 не менее, чем в 20 полях зрения. Количество бактерий выражали в виде N∙106 кл/мл для бактериопланктона (ОЧБпл) и кл/см2 для бактериоперифитона (ОЧБпф).
Температуру морской воды в день наблюдений определяли на глубине 0,5 м, погружая термометр в предохранительной оправе на 5 мин. Соленость измеряли рефрактометром марки S/Mill-E ATAGO (Япония). Статистическую обработку данных проводили с помощью программного обеспечения Microsoft Excel 2007.
Результаты исследования и их обсуждение
За период исследований минимальная соленость воды (рис. 2) была зарегистрирована на станции 1 – 8,5 ‰ (от 2 до 16 ‰), что в соответствии с ГОСТ 17.1.2.04-77 [3] характеризует станцию как зону эстуарных вод. Станции 2 и 3 относятся к зонам морских вод с пониженной соленостью, так как на станции 2 средняя соленость была равна 21,3 ‰ (от 15 до 29 ‰), а на станции 3 – 27,4 ‰ (от 17 до 34 ‰).
Рис. 2. Годовой ход солености вод станций
Годовой ход температуры воды на станциях был подвержен сезонным изменениям, при этом различия значений температуры по станциям оказались незначительны и, возможно, зависели от солености воды. Так, минимальные значения температур воды на станциях были в феврале (–2–1,5 °С), максимальные – в июне (11,5–16,5 °С) и июле (14–15 °С) (рис. 3).
Рис. 3. Годовой ход температуры вод станций
По осредненным данным наибольшее количество бактерий планктона отмечено на станции 2 – (2,184 ± 0,355)∙106 кл/мл, средние значения ОЧБпл зарегистрированы на станции 3 ((1,736 ± 0,352)∙106 кл/мл), наименьшие – на станции 1 ((1,372 ± 0,112)∙106 кл/мл). Низкие значения численности бактериопланктона на станции 1, вероятно, обусловлены сильным течением и перемешиванием водных масс станции из-за впадения рек на этом участке залива. Акватория станции 2 испытывает антропогенную нагрузку в виде поступления бытовых и промышленных стоков, что приводит к увеличению плотности бактериального сообщества планктона. Станция 3 наиболее удалена от основных источников загрязнения, и сравнительно высокие значения ОЧБ на ней, по-видимому, обусловлены поступлением автохтонного органического вещества от обширной и богато населенной литорали.
В период наблюдений наименьшие значения общей численности бактериопланктона (рис. 4) были отмечены в феврале, когда температура вод станций снизилась до своего годового минимума. Наибольшие значения ОЧБпл были зарегистрированы в летний сезон, максимумы отмечены в июне 2013 года (ст. 1 – (4,958 ± 0,233)∙106 кл/мл; ст. 2 – (7,040 ± 0,742)∙106 кл/мл; ст. 3 – (5,533 ± 0,988)∙106 кл/мл), когда температура вод станций поднялась до наивысшей отметки за год. Столь значительное обилие бактерий в планктоне прибрежной зоны, по-видимому, обусловлено аномально теплым летом 2013 года, что подтверждается значимой корреляционной связью между численностью бактериопланктона и температурой водных масс (r = 0,57, при p < 0,05).
Обилие микроорганизмов на всех станциях в июне 2013 года в 3–5 раз превышало ранее определенные среднегодовые значения численности бактериопланктона в южном колене Кольского залива – 1440 тыс. кл/мл [12], в то время как в остальные периоды численность бактерий была близка к этим величинам.
Распределение бактерий перифитона литорали станций показало отличную от планктонного сообщества картину: наибольшие осредненные значения ОЧБпф были характерны для станции 1 ((56,257 ± 11,806)∙106 кл/см2), средние – для станции 2 ((44,778 ± 10,266)∙106 кл/см2), наименьшие – для станции 3 ((28,487 ± 7,514)∙106 кл/см2) (рис. 4). Возможно, что на бактериоперифитон влияют особенности биотопа станций. Так, литораль станции 1 в основном состоит из илистых мелкодисперсных грунтов [7], которые при перемешивании водных масс могут оседать на каменистые субстраты, полностью их покрывать и таким образом создавать собственные микроценозы, защищенные от негативного влияния изменений водного режима (осушение на отливе, затопление на приливе, высушивание летом, замораживание зимой и т.п.), что может способствовать увеличению плотности популяции бактерий эпилитона. На литорали станции 3 каменистые субстраты практически полностью покрыты макрофитами, которые также создают особые условия для существования естественных микроперифитонных сообществ. Здесь интересно отметить, что полученные в данной работе численности бактериоэпилитона были в несколько раз выше численности бактериоперифитона бурой водоросли Laminaria saccharina, отобранной с сублиторали Дальнезеленецкой бухты Баренцева моря [8]. В этом исследовании при использовании того же красителя, акридинового оранжевого, обилие бактерий составило от 3 (у основания пластины макрофита в зоне интенсивного роста) до 17 млн кл/см2 в верхней части таллома. Таким образом, обнаруженные нами наименьшие по сравнению с другими станциями значения численности бактерий эпилитона на станции 3 можно объяснить подавляющим воздействием зарослей макрофитов на их развитие.
В годовой динамике минимумы обилия бактерий перифитона пришлись на осенние периоды (октябрь-ноябрь 2012 г. и сентябрь-октябрь 2013 г.), ОЧБпф варьировала от (5,211 ± 1,518)∙106 кл/см2 на станции 3 до (15,239 ± 4,782)∙106 кл/см2 на станции 2. Вероятно, осеннее снижение численности бактерий связано с выеданием бактериальной пленки взрослыми детритофагами, а также резким снижением температур воды и воздуха, что особенно сильно влияло на литоральные биоценозы.
Численность бактерий перифитона станций достигла своих максимальных значений в марте 2013 года на станции 3 и в мае 2013 года на станциях 1 и 2, что может быть обусловлено влиянием теплоемкого субстрата (камней и обломков скал) на быстрое развитие сообщества перифитона. Максимальные значения ОЧБпф варьировали от (64,622 ± 6,977)∙106 кл/см2 на станции 3 до (157,864 ± 33,886)∙106 кл/см2 на станции 2.
Незначительные колебания в численности бактерий перифитона могут быть обусловлены гидрологическими и климатическими явлениями, например, интенсивным волновым перемешиванием, которое может приводить к смыву части пленки микрообрастания и спаду численности микроорганизмов. Другим фактором, влияющим на колебания численности бактериоперифитона, может быть естественный цикл развития биопленок, включающий стадию открепления части сообщества в планктон для дальнейшей миграции и расселения организмов [13].
Так как в течение исследованного промежутка времени скорость ветра была небольшой (4–5 баллов по шкале Бофорта), создаваемые им волны – невысокими и количество выпавших осадков в период с конца апреля по конец июня было минимальным за исследованный год [1], то можно предположить, что резкие и значительные скачки численности бактерий планктона и перифитона в июне 2013 года не зависели от этих климатических явлений, а явились, наряду с высокой температурой окружающей среды, следствием сезонной сукцессии бактериальных сообществ.
Заключение
В результате исследований общей численности бактерий планктона и перифитона литоральной зоны Кольского залива отмечена высокая плотность бактериальных популяций на станции 2, характеризующейся наибольшим органическим загрязнением. На других станциях (1 и 3) плотность бактериоперифитона в большей степени зависела от природных факторов, чем от антропогенного воздействия. На сезонное распределение бактерий в планктоне и перифитоне непосредственное влияние оказывала температура водных масс, а на последние, вероятно, и температура воздуха, а также не учтенная нами температура субстратов. Отмечено возможное взаимное влияние бактериальных сообществ литоральной зоны друг на друга, выражающееся в миграциях бактерий из перифитона в планктон, что, вероятно, приводит к резким сезонным колебаниям количественных характеристик бактериоценозов.
Рецензенты:
Перетрухина А.Т., д.б.н., профессор кафедры микробиологии и биохимии, ФГБОУ ВПО «Мурманский государственный технический университет», г. Мурманск;
Журавлева Н.Г., д.б.н., заведующая кафедрой биоэкологии, ФГБОУ ВПО «Мурманский государственный технический университет», г. Мурманск.
Работа поступила в редакцию 15.05.2014.