Федеральное государственное бюджетное учреждение наук

и

Институт биологии внутренних вод им. И.Д. Папанина

Российской академии наук

На правах рукописи

Стройнов Ярослав Витальевич

Вириопланктон в разных пресноводных

экосистемах: роль вирусов в смертности

гетеротрофных бактерий.

Специальность 03.02.10 - гидробиология

Диссертация на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Научный руководитель д.б.н. Копылов А.И.

Борок - 2014

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

ГЛАВА 2. ВОДНЫЕ ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

ГЛАВА 3. СТРУКТУРНО-ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

БАКТЕРИОПЛАНКТОНА

ГЛАВА 4. ЧИСЛЕННОСТЬ И ПРОДУКЦИЯ ПЛАНКТОННЫХ ВИРУСОВ В

РАЗНЫХ ВОДНЫХ ЭКОСИСТЕМАХ. ВИРУС-ИНДУЦИРОВАННАЯ

СМЕРТНОСТЬ ГЕТЕРОТРОФНЫХ БАКТЕРИЙ

ГЛАВА 5. ОЦЕНКА ЗНАЧИМОСТИ ВИРУСОВ В СТРУКТУРНОФУНКЦИОНАЛЬНОЙ ОРГАНИЗАЦИИ ПЛАНКТОННЫХ МИКРОБНЫХ

СООБЩЕСТВ ВОДНЫХ ЭКОСИСТЕМ

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

ВЫВОДЫ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЯ

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ СОКРАЩЕНИЙ

PPH – первичная продукция фитопланктона PPH – первичная продукция фитопланктона в столбе воды, интегральная первичная продукция NV – общая численность вирусов FDC – частота делящихся клеток FVIC – частота отчтливо видимых инфицированных вирусами клеток бактерий BS – среднее число вирусов в инфицированных клетках бактерий FIC – доля инфицированных бактериальных клеток в общей численности VMB – гибель бактерий вызванная вирусным лизисом VIM - скорость вирус-опосредованной гибели бактерий PB– бактериальная продукция PV– продукция вириопланктона TV– время оборота численности вирусов NB – общая численность бактериопланктона V – средний объм бактериальной клетки BB – общая биомасса бактерий µ - удельная скорость роста NIB – количество бактерий с прикреплнными клетками вирусов NAV – количество вирусов прикреплнных к клеткам бактерий R – частота контактов между вирусами и бактериями TV – время оборота вирусов DOC – количество органического углерода поступающего в водную среду в результате вирусного лизиса бактерий СВ – скорость потребления органического углерода гетеротрофным бактериопланктоном ВМС – биомасса микробного сообщества G1 – потребление природными популяциями планктонных гетеротрофных нанофлагеллят свободных вирусов G2 – потребление природными популяциями планктонных гетеротрофных нанофлагеллят вирусов, прикреплнных к бактериальным клеткам Gсум – суммарное потребление бактериопланктона в водных экосистемах кл. – клеток ч. – частиц SOC – количество взвешенного органического углерода в воде ГНФ – гетеротрофные нанофлагелляты

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы Вирусы – мельчайшие существа-иждивенцы с простой биологической структурой, состоящей из одной или нескольких молекул РНК или ДНК (причем оба типа нуклеиновых кислот встречаются как в двуцепочечной, так и в одноцепочечной форме), заключенных в защитную белковую оболочку (капсид). Присутствие вирусов в водных объектах известно с середины прошлого века (Spencer, 1955; Крисс, 1959). Однако активные исследования их экологического значения в водных экосистемах начались только с работы Берга с соавторами (Bergh et al., 1989), которые обнаружили очень высокую концентрацию водных вирусов (1.5-254 106 ч./мл), в основном классифицируемых как бактериофаги. В водной среде вирусы существуют в двух фазах: внеклеточной и внутриклеточной. Продуктивное размножение вирусов происходит только внутри живых клеток и, в случае литической инфекции, заканчивается гибелью (лизисом) клетки. Последующие исследования (Proctor, Fuhrman, 1990; Suttle et al., 1990; Hara et al., 1991) подтвердили очень высокую численность вирусов в различных водных местообитаниях и установили, что вирусы могут инфицировать большое количество гетеротрофных бактерий (до 45,7% общей численности) и вызывать высокую смертность бактериопланктона (до 128.2% суточной бактериальной продукции) (Peduzzi, Luef 2009). В результате вирусного лизиса бактерий значительное количество органического вещества не поступает на более высокие трофические уровни планктонной пищевой сети, а вновь используется бактериальным сообществом (Thingstad et al., 1993; Bratbak, Heldal, 2000).

В настоящее время общепризнано, что вирусы являются важной и неотъемлемой частью биологических сообществ водных экосистем. Они влияют на численность, видовой состав и разнообразие планктонных микроорганизмов, а также изменяют потоки вещества и энергии в микробных сообществах (Fuhrman, 1999; Noble et al., 1999; Bratbak, Heldal, 2000; Thingstad, 2000). Кроме того, вирусы являются посредниками генетического обмена внутри вида и между видами через трансдукцию (Jiang, Paul, 1998).

Закономерности распределения и функционирования водных вирусов сложны и до сих пор недостаточно изучены. В связи с этим необходимость исследований роли вирусов-бактериофагов в функционировании микробного сообщества в разных водных экосистемах очевидна. Имеющиеся в литературе заключения о значении вирусов как компонента планктонных сообществ пресноводных экосистем основаны на результатах исследований вириопланктона, главным образом, в озерах, и в меньшей степени, водохранилищах и реках (Wommack, Colwell, 2000;Weinbauer, 2004; Peduzzi, Luef, 2009).

Исследования вириопланктона в пресноводных экосистемах России начались сравнительно недавно и пока весьма немногочисленны (Дрюкер, Дутова, 2009; Копылов, Косолапов, 2011). В тоже время сведения о количестве и активности вирусов необходимы для адекватной оценки структуры и функционирования планктонных сообществ водоемов и водотоков.

Цель и задачи исследований.

Цель работы – оценить роль вирусов в структуре и функционировании планктонных микробных сообществ в водохранилищах, реках и озере.

Для достижения цели, были поставлены следующие задачи:

1. Определить общую численность, биомассу и продукцию бактерий – основных хозяев планктонных вирусов.

2. Определить общую численность вириопланктона, в том числе:

свободноплавающих вирусов, вирусов прикрепленных к стенкам бактерий и фагов, находящихся внутри бактериальных клеток.

3. Определить количество инфицированных клеток бактерий и их долю в общей численности бактериопланктона. Выяснить доли разных морфотипов бактерий в общем количестве инфицированных бактериальных клеток.

4. Определить вирус индуцированную смертность бактериопланктона и оценить поступление органического углерода в окружающую водную среду в результате вирусного лизиса.

5. Определить продукцию вириопланктона и время оборота общей численности вирусов.

6. Выяснить вклад вириопланктона в суммарную биомассу планктонных микробных сообществ в разных водных экосистемах. Сравнить гибель бактерий в результате вирусного лизиса с их потреблением простейшими.

Оценить выедание вирусных частиц простейшими

ГЛАВА 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

Вирусы – мельчайшие существа-иждивенцы, неспособные к самостоятельной жизни вне заражаемых ими клеток (Агол, 1997).

Общеизвестно, что вирусы могут вызывать заболевания, и их размеры очень малы. Есть вирусы, размножающиеся в клетках животных (позвоночных и беспозвоночных), другие обитают в растениях, третьи (бактериофаги или просто фаги) паразитируют на бактериях. Состав, размеры и форма вирусов весьма разнообразны. Схематически вирусы представляют собой наследственный материал, помещенный в защитную белковую оболочку (капсид), иногда содержащую также липидные и углеводные компоненты. В наследственном веществе – молекуле или нескольких молекулах РНК или ДНК закодирована «минимальная потребительская корзина»: ферменты для копирования (репликации) этих вирусных нуклеиновых кислот, а также белки, входящие в состав вирусной частицы (вириона). Если у всех невирусных организмов наследственное вещество – это двухцепочечные молекулы ДНК (цепочки которых комплементарны), то вирусы могут содержать не только ДНК, но и РНК, причем оба типа нуклеиновых кислот встречаются как в двуцепочечной, так и в одноцепочечной форме. Для каждого вируса характерна определенная форма нуклеиновой кислоты.

Вирусы-бактериофаги были открыты дважды: Туортом в 1915 и ди Хирелли в 1917 (Duckworth, 1987). Для вирусов, вызывающих лизис бактерий, ди Хирелли предложил название «бактериофаги», что буквально означает «поедатели бактерий».

Присутствие вирусов в водных объектах известно с середины прошлого века (Spencer, 1955, Крисс, 1959), но считалось, что их количество в водной среде не превышает численность бактерий. В тоже время некоторые исследователи предполагали, что вирусы могут оказывать существенное влияние на численность, видовой состав, скорость роста популяции, а так же на биохимические характеристики микроорганизмов (Wiebe, Liston, 1968).

Огромный интерес и активные исследования экологического значения вирусов в водных экосистемах начались только с работы Берга с соавторами (Bergh et al., 1989), которые, используя значительно улучшенные методы исследования, обнаружили очень высокую концентрацию водных вирусов (1.5- ч./мл), в основном классифицируемых как бактериофаги.

Хотя большая часть вирусов в водных средах представлена вирусами прокариот, вирусы эукариот так же вносят значительный вклад в суммарную