Выявление универсальных признаков индикаторных планктонных организмов для каждой зоны сапробности пресноводных водоемов Текст научной статьи по специальности «Биологические науки»

Аннотация научной статьи по биологическим наукам, автор научной работы — Фролова Людмила Леонидовна, Курынова Анна Александровна

В работе предпринята попытка выявления универсальных морфологических и экологических признаков индикаторных планктонных организмов, характерных для каждой зоны сапробности пресноводных водоемов с целью определения индикаторной значимости потенциальных видов. Достоверная и оперативная оценка повысит результативность природоохранных работ, что особенно актуально в регионах интенсивного антропогенного воздействия на окружающую среду, например, в Республике Татарстан при добыче, переработке, транспортировке углеводородного сырья и полезных ископаемых.

Identification of the universal features of the indicators planktons species for each zone of saprobity of freshwater reservoirs

In this article we show the attempt to define the universal morphological and ecological features of indicators planktons organisms for each zone saprobity of freshwater reservoirs. Based on them our purpose was to determine the potential species of planktons as bioindicators.

Текст научной работы на тему «Выявление универсальных признаков индикаторных планктонных организмов для каждой зоны сапробности пресноводных водоемов»

Л.Л. Фролова, A.A. Курынова

Казанский (Приволжский) федеральный университет, Казань

ВЫЯВЛЕНИЕ УНИВЕРСАЛЬНЫХ ПРИЗНАКОВ ИНДИКАТОРНЫХ ПЛАНКТОННЫХ

ОРГАНИЗМОВ ДЛЯ КАЖДОЙ ЗОНЫ САПРОБНОСТИ ПРЕСНОВОДНЫХ ВОДОЕМОВ

Ключевые слова: морфологические признаки, экологические ниши, сапробность, пресноводные водоемы, индикаторные виды планктонных организмов.

В настоящее время индикаторные виды планктонных организмов используются для оценки сапробности, которая характеризует уровень органического загрязнения водоема. Многие авторы проводят собственные долгосрочные исследования, на основе которых составляются списки индикаторных видов. Так, например, список индикаторных организмов по В.Сладечеку включает около 600 видов фитопланктонных организмов (Бкёееек, 1973), а список индикаторных видов фитопланктона по С.Барино-вой с соавторами содержит уже более 3000 видов (Бари-нова и др., 2006).

На основе знаний, накопленных экспертами в данной области (Б1аёесек, 1973; Макрушин, 1974; Баринова и др. 2000, 2006; 1983), нами предпринята попытка выявления общих морфологических и экологических признаков планктонных организмов, характерных для каждой зоны сапробности пресноводоных водоемов, с использованием общепринятых определителей видов (Виноградова и др., 1980; Голлербах и др., 1953; Дедусенко-Щеголева и др., 1959, 1962; Федоров, 1977; Забелина, 1951; Киселев, 1954; Матвиенко, 1954; Мошкова, 1986; Цалолихин, 1994; Паламарь-Мордвинцева, 1982; Рундина, 1998; Царенко, 1990).

В работе рассматривается широко применяемый на практике список индикаторных видов планктонных организмов по В.Сладечеку (Б1аёесек, 1973). Разработанные нами сводные базы данных включают описания морфологических признаков и экологических ниш обитания планктонных организмов, которые сгруппированы в соответствии с зоной сапробности водного объекта.

Наличие корреляции между внешними признаками (такими как морфологические и экологические) и сапроб-ностью индикаторных планктонных организмов пресноводных водоемов позволит использовать эти признаки в качестве универсальных маркеров с целью определения потенциальных планктонных видов как биоиндикаторов сапробности водоемов.

Материалы и методы

Объектами исследования являются 581 и 438 индикаторных видов фито-, зоопланктона соответственно из классификации Сладечека (1973), описание их морфологических признаков и экологических ниш обитания (Виноградова и др., 1980; Голлербах и др., 1953; Дедусенко-Щеголева и др., 1959, 1962; Федоров, 1977; Забелина, 1951; Киселев, 1954; Матвиенко, 1954; Мошкова, 1986; Цалолихин, 1994; Пала-марь-Мордвинцева, 1982; Рундина, 1998; Царенко, 1990).

В работе использовано программное обеспечение MS Office Excel для обработки большого массива исходных данных.

Результаты и их обсуждение

Анализ морфологических признаков индикаторных видов планктонных организмов, сгруппированых по зонам сапробности водоемов

Разработанная база данных морфологических признаков индикаторных видов планктонных организмов содержит описание 100 и 135 морфологических признаков для фитопланктона и зоопланктона соответственно.

Морфологические признаки объединены в группы по зонам сапробности водоемов, включающие типы (классы) с указанием количества входящих в них видов фито-, зоопланктона: а (альфамезасапробионты), а-в (альфа-бе-тамезасапробионты), в (бетамезасапробионты), в-а (бета-альфамезасапробионты), в-o (бета-олигосапробионты), o (олигосапробионты), o-в (олиго-бетамезасапробионты), ox (олиго-ксеносапробионты), p (полисапробионты), p-а (поли-альфасапробионты), x (ксеносапробионты), x-o (ксе-но-олигосапробионты) (Табл. 1).

Из таблицы 1 видно, что виды распределяются по разным группам сапробности неравномерно. Для фитоплан-ктонных организмов самая многочисленная группа сапробности - b, представлена организмами, принадлежащими типам Cyanophyta, Chrysophyta, Bacillariophyta,

I еоресурсы 2 (52) 2013

ХапЛорЪуга, РуггорЬу1а, Euglenophyta, СЫогорЬу1а (классы Уо^остеае, СЫогососсопеае, Ulotrichophyceae, 81рЬопорЬусеае, Conjugatophyceae). Самая малочисленная группа сапробности - о-х, представлена организмами, принадлежащими типам БасШапорЬуа, Eug1enophyta, СЫогорЬуа (класс Уo1vocineae), Rhodophyta. Обе группы объединились по морфологическому признаку - хрома-тофоры без пиреноида.

Распределение морфологических признаков фитопланктона по группам сапробности приведено на рисунке 1.

Как показано на рис. 1, связь между морфологическими признаками и сапробностью фитопланктона не выявлена, поскольку одни и те же морфологические признаки принадлежат видам-индикаторам разных зон сапробности. Например, признак наличие жгутиков встречается у видов - индикаторов двух зон сапробно-сти: а-в ир-а, а признак хроматофоры без пиреноида - у видов, принадлежащим к 8 разным группам сапроб-ности.

В процентном отношении минимальное совпадение по морфологическим признакам для фитопланктона составляет 1%, а максимальное не превышает 73%. Минимальные значения 1-2% показывают, что в данной группе сапробности встречаются 1-2 вида с одинаковыми морфологическими признаками, например, трихомы, вакуоли, перешнурованные трихомы, изогнутые три-

хомы, квадратные клетки, круглые клетки, эллипсоидные колонии, круглые колонии, шаровидный домик, палочковидные клетки, прямые клетки. Следовательно, данные признаки не могут считаться универсальными.

Максимальные совпадения по морфологическим признакам объясняются тем, что данная группа содержит всего 10 видов фитопланктона, 7 из которых принадлежат одному типу Euglenophyta, а, как известно, практически все виды эвгленид имеют 1-2 жгутика. Другие наиболее высокие проценты совпадения 62% и 63% по морфологическим признакам - веретеновидные клетки, хроматофоры с пиреноидом и хроматофоры без пиреноида, встречаются в той же группе сапробностиp-а, и в такой же малочисленной группе сапробности o-x, включающей 8 видов, 5 из которых принадлежат типу Bacillariophyta. В среднем, совпадения по морфологическим признакам у фитопланктонных организмов составляют 19%.

Следовательно, данные морфологические признаки также не могут быть использованы в качестве универсальных для определения фитопланктонных видов - потенциальных индикаторов.

Для зоопланктонных организмов самая многочисленная группа сапробности - о, представлена организмами, принадлежащими типам Cladocera, Rotatoria и Copepoda. Самая малочисленная группа сапробности - x-o представ-

Зона сапробности Количество видов/типы (классы), сгруппированных по морфологическим признакам

а 43 СуапорЬу1а, ВасШапорЬуга, РуггорЬуга, Ег^1епорЬу1а, СЫогорЬу1а (класс Уо1уостеае) 5 Cladocera, Rotatoria

a-ß 14 СуапорЬуга, ВасШапорЬуга, Е^1епорЬу1а, СЫогорЬу1а (классы Уо1уостеае, ШойсЬорЬусеае, Согу1ща1:орЬусеае, СЫогососсопеае) -

ß 226 СуапорЬу1а, СЫуворЬ^а, ВасШапорЬу1а, ХапЙюрЬ^а, РуггорЬуга, Е^епорЬ^а, СЫогорЬ^а (классы Уо1уостеае, СЫогососсоп еае, ШоМсЬорЬусеае, 81рЬопорЬусеае, Соху1^а1:ор11усеае) 77 Cladocera, Rotatoria, Copepoda

ß-a 33 СуапорЬу1а, ВасШапорЬ^а, Е1^1епорЬ)4а, СЫогорЬу1а (классы Уо1уостеае, СЫогососсопеае, ШойсЬорЬусеае, Conjugatophyceae) 5 Cladocera, Rotatoria

ß-o 17 СуапорЬуга, ОиузорЬ^а, ВасШапорЬ^а, РуггорЬу1а, Е^епорЬ^а, СЫогорЬу1а (классы СЫогососсопеае, ТЛойсЬорЬусеае) 7 Cladocera, Rotatoria, Copepoda

о 92 СуапорЬуга, СЫузорЬ^а, ВасШапорЬ^а, ХапНюрЬ^а, РуггорЬуга, Euglenophyta, СЫогорЬу1а (классы СЫогососсопеае, ШоМсЬорЬусеае, Сопщяа1:ор11усеае, отдел Rllodophyta) 222 Cladocera, Rotatoria, Copepoda

o-ß 62 СуапорЬ^^а, ВасШагюрИ^а, ХапНюрЬ^^а, РуггорЬ^а, Euglenophyta, СЫогорЬуга (классы Уо1уосшеае, СЫогососсопеае, ШоМсЬорЬусеае, 81рЬопорЬусеае, Conjugatophyceae) 113 Cladocera, Rotatoria, Copepoda

о-х 8 ВасШапорЬуга, Еи§1епорЬу1а, СЫогорЬуга (класс Уо1уостеае), КЬоёорЬ^а -

p И СуапорЬуга, СЫогорЬуга (классы Уо1уосшеае, СЫогососсопеае) -

р-а 10 СуапорЬу1а, Euglenophyta, СЫогорЬу1а (классы Уо1уостеае, СЫогососсопеае) -

X 30 СуапорЬуга, ВасШагюрИ^а, ХапШорЬуга, СЫогорЬуга (класс Уо1уостеае), Rhodophyta, РЬаеорЬу1а 5 Copepoda

x-o 29 СуапорЬу1а, СЫуворЬ^а, ВасШапорЬуга, ХапНюрЬ^а, СЫогорЬуга (классы ЕГкЛпсЬорЬусеае, Conjugatophyceae Rhodophyta) 3 Cladocera, Rotatoria

Табл. 1. Планктонные организмы, сгруппированные по морфологическим признакам и зонам сапробности водоемов.

лена организмами, принадлежащими типам Cladocera, Rotatoria.

Распределение морфологических признаков зоопланктона по группам сапробности приведено на рис. 2.

Как видно из рисунка 2, взаимосвязь между морфологическими признаками и группами сапробности зоопланктона не установлена. Например, такие признаки как шипы, одно глазное пятно встречаются у представителей раз-

Рис. 1. Распределение морфологических признаков фитопланктона по группам сапробности.

Рис. 2. Распределение морфологических признаков зоопланктона по группам сапроб-ности.

ных групп сапробности.

В процентном отношении минимальное совпадение по морфологическим признакам для зоопланктона составляет 1%, а максимальное не превышает 67%. Минимальные значения 1-2% показывают, что в данной группе сапробности встречаются 1-2 вида с одинаковыми морфологическими признаками, например, гребень, плавники, панцирь сплющенныш, тело толстое, тело круглое, панцирь конусовидный, домик, ма-нубрии палочковидные, голова выпуклая, антенны с шипами, коготки изогнутые.

Максимальные совпадения по морфологическим признакам 60% и 67% объясняются малочисленностью сап-робной группы. Группа сапробности а-альфамезасапробионты с совпадением 60% включает 5 организмов, группа x-o-ксено-олигосапробионты с совпадением 67% включает 3 организма. Среднее значение совпадения по морфологическим признакам у зоопланктона составляет 23%.

Следовательно, морфологические признаки не могут считаться универсальными для определения вида зоопланктона как индикатора сапробно-сти.

Анализ экологических ниш обитания индикаторных видов планктонных организмов, сгруппированых по зонам сапробности водоемов

Разработанная база данных экологических ниш обитания индикаторных видов планктонных организмов содержит описание 28 и 39 экологических ниш обитания для фитопланктона и зоопланктона, которые объединены по зонам сапробности водоемов (Табл. 2).

Экологические ниши обитания планктонных организмов прописаны только у видов и разновидностей, благодаря чему данные по этому параметру более конкретизированы и точны. Несмотря на это встречались неточные описания, например указание на обитание в различных водоемах.

На рисунке 3 приведено распределение экологических ниш обитания фитопланктона по группам сап-робности.

Как видно из рисунка 3, связь между экологическими признаками фитопланктона и группами сапроб-ности не установлена. Например, такие признаки как обитание на дне

ШЬ Георесурсы 2 (52) 2013

Рис. 3. Распределение экологических ниш обитания фитопланктона по группам сап-робности.

Рис. 4. Распределение экологических ниш обитания зоопланктона по группам сапробности.

водоемов и солоноватых водах, встречаются у видов -индикаторов в стоячих водах, двух зон сапробности - ß, ox и а, ß-а соответственно. Признаки - обитание в стоячих водах и текучих водах - встречаются у видов - индикаторов 4-х и 3-х различных зон сапробности соответственно.

В процентном отношении минимальное совпадение по экологическим нишам обитания для фитопланктона составляет 1%, а максимальное не превышает 50%. Максимальное совпадение встречается в группе сапробнос-ти а-Ь-альфа-бетамезасапробионты по месту обитания в стоячих водах. Группа а-b содержит всего 14 видов и, хотя виды и принадлежат разным типам: Cyanophyta, Bacillariophyta, Euglenophyta, Chlorophyta (классы

Volvocineae, Ulotrichophyceae, Conjugatophyceae, Chlorococconeae), такой высокий процент совпадения по данному месту обитания встречается лишь в одной группе сапроб-ности и это обусловлено ее малочисленностью. В среднем совпадения по экологическим признакам для фитопланктона составляют 18%, что недостаточно для того, чтобы считать экологические признаки универсальными для определения вида как индикатора сапробности.

На рисунке 4 приведено распределение экологических ниш обитания зоопланктона по группам сапробно-сти.

Как видно из рисунка 4, связь между экологическими нишами обитания зоопланктона и группами сап-робности не установлена.

В процентном отношении минимальные совпадения по экологическим признакам для зоопланктона составляют 12%, максимальное совпадение - 60% в малочисленных группах сапробности а-альфамезасапробионты и x-ксеносапро-бионты, содержащих по 5 зоопланктон-ных организмов.

Среднее значение совпадения по экологическим нишам обитания для зоопланктона составляет 21%.

Таким образом, экологические ниши обитания - это признаки, которые не могут быть универсальными для определения вида как потенциального индикатора сапробности.

В работе показано, что совпадение морфологических признаков, экологических ниш обитания индикаторных планктонных организмов по зонам сапробнос-ти водоемов составляет от 18% до 23%.

Это свидетельствует о слабой связи между внешними признаками и сапробностью индикаторных планктонных организмов пресноводных водоемов. Эти признаки не могут быть использованы в качестве универсальных маркеров для определения планктонных видов как потенциальных биоиндикаторов.

Следует отметить, что использование определителей видов требует значительных усилий и времени, в особенности у молодых специалистов. Для идентификации одного организма необходимо четко знать в среднем до 30 морфологических признаков. Кроме того, часть организмов может быть механически повреждена при отборе проб или утрачена в естественной среде обитания. Если по какой-либо причине произошло повреждение или потеря таксономически значимого признака, правильно идентифицировать организм довольно сложно.

Зона Количество видов,

ности по экологическим нишам

Табл. 2. Индикаторные виды фито- и зоопланктонных организмов, сгруппированные по экологическим нишам обитания и зонам сапробности.

В то же время, современные генетические технологии, например ДНК-штрихкодирование (Folmer et al, 1994), позволяют достоверно определить вид по любому его фрагменту путем секвенирования нуклеотидной последовательности. Известные нуклеотидные последовательности заносятся в международную базу данных GenBank (http://www.ncbi.nlm.nih.gov/genbank/). Поиск молекулярных последовательностей в базе данных GenBank требует намного меньше времени для идентификации, чем поиск внешних признаков с помощью определителей видов.

Таким образом, генетические методы позволяют обрабатывать большее количество экологически-значимой информации для эффективной оценки качества воды. Достоверная и оперативная оценка повысит результативность природоохранных работ, что особенно актуально в регионах интенсивного антропогенного воздействия на окружающую среду, например, в Республике Татарстан при добыче, переработке, транспортировке углеводородного сырья и полезных ископаемых.

Баринова С.С., Медведева Л.А., Анисимова О.В. Биоазнооб-разие водорослей-индикаторов окружающей среды. Тель Авив: PiliesStudio. 2006. 498 с.

Баринова С.С., Медведева Л.А., Анисимова О.В. Экологические и географические характеристики водорослей-индикаторов. Водоросли-индикаторы в оценке качества окружающей среды. М.: ВНИИприроды. 2000. С.60-150.

Виноградова К.Л., Голлербах М.М., Зауер Л.М., Сдобникова Н.В. Зеленые водоросли. Класс сифонокладиевые, сифоновые, красные водоросли, бурые водоросли. Определитель пресноводных водорослей СССР. Л.: Наука. 1980. Вып.13. 248 с.

Голлербах М.М., Касинская Е.К., Полянский В.И. Синезеленые водоросли. Определитель пресноводных водорослей СССР. М.: Наука. 1953. Вып. 2. 652 с.

Дедусенко-Щеголева Н.Т., Голлербах М.М. Желтозеленые водоросли. Xanthophyta. Определитель пресноводныгх водорослей СССР. М.; Л.: Изд-во АН СССР. 1962. Вып. 5. 272 с.

Дедусенко-Щеголева Н.Т., Матвиенко А.М., Шкорбатов А.А. Зеленые водоросли. Класс вольвоксовые (Chlorophyta: Volvocineae). Определитель пресноводныгх водорослей СССР. М.; Л.: Изд-во АН СССР. 1959. Вып. 8. 230 с.

Жизнь растений в 6-ти томах. Том 3. Водоросли. Лишайники.

Под ред. A.A. Федоров. М.: Просвещение. 1977. 277.

Забелина М.М., Киселев И.А., Прошкина-Лавренко А.И., Ше-шукова B.C.. Диатомовые водоросли. Определитель пресноводных водорослей СССР. М.: Наука. 1951. Вып. 4. 619 с.

Киселев И.А. Пирофитовые водоросли. Пирофитовые водоросли. Определитель пресноводных водорослей СССР. М.: Наука. 1954. Вып. 6. 212 с.

Макрушин A.B. Биологический анализ качества вод. Под ред. Г.Г. Винберга. Л.: Изд-во ЗИН АН CCCP. 1974. 60 с.

Макрушин A.B. Возможности и роль биологического анализа в оценке степени загрязнения водоемов. Гидробиологический журнал. 1974. № 2. C.98-104.

Матвиенко А.М. Золотистые водоросли. Определитель пре-сноводныгх водорослей СССР. М.: Наука. 1954. Вып. 3. 188.

Мошкова Н.А., Голербах М.М. Зеленые водоросли. Класс улот-риксовые. Порядок улотриксовых. Определитель пресноводныгх водорослей СССР. Л.: Наука. 1986. Вып. 10. 360.

Определитель пресноводных беспозвоночных России и сопредельных территорий. под ред. C. Я. Цалолихина. CM.: Наука. 1994. 394 с.

Паламарь-Мордвинцева Г.М. Зеленые водоросли. Класс конъ-югаты. Порядок десмидиевые. Определитель пресноводныгх водорослей СССР. Наука, Ленингр. отд-ние. 1982. Вып. 11. 620 с.

Рундина Л.А. Зигнемовые водоросли России (Chlorophyta: Zygnematophyceae, Zygnematales). ^б.: Наука, 1998. 351 с.

Царенко П.М. Краткий определитель хлорококковых водорослей Украинской CCP. Киев: Наук. Думка, 1990. 206 с.

Folmer, O., Black M., Hoeh W., Lutz R., and Vrijenhoek R. DNA primers for amplification of mitochondrial cytochrome c oxidase subunit I from diverse metazoan invertebrates. Mol. Mar. Biol. Biotechnol 3. 1994. Pp. 294-297.

Sladecek V. System of water quality from the biological point of view. Ergeb. Limnol. 1973. bd. 7.

Wegl R. Index fur die Limnosaprobitat. Gewässer und Abwasser. 1983. №26. Pp. 1-175.

Identification of the universal features of the indicators planktons species for each zone of saprobity of freshwater reservoirs

Keywords: morphological and ecological features, saprobity, fresh water reservoirs, indicators species of planktons organisms.

Людмила Леонидовна Фролова

Кандидат технических наук, доцент кафедры генетики Казанского (Приволжского) федерального университета. Научные интересы: биоинформатика, молекулярная генетика, экология водоемов.

Анна Александровна Курынова

Выпускница 2011 года кафедры генетики биолого-почвенного факультета Казанского (Приволжского) федерального университета.

Институт фундаментальной медицины и биологии Казанского (Приволжского) федерального университета

📎📎📎📎📎📎📎📎📎📎

Аннотация научной статьи по биологическим наукам, автор научной работы — Фролова Людмила Леонидовна, Курынова Анна Александровна

Похожие темы научных работ по биологическим наукам , автор научной работы — Фролова Людмила Леонидовна, Курынова Анна Александровна

Identification of the universal features of the indicators planktons species for each zone of saprobity of freshwater reservoirs

Текст научной работы на тему «Выявление универсальных признаков индикаторных планктонных организмов для каждой зоны сапробности пресноводных водоемов»