Золотистые водоросли составляют значительную долю в биомассе фитопланктона континентальных водоемов умеренных широт, развиваясь преимущественно в малопродуктивных олиготрофных озерах. Кремниевые стоматоцисты (статоспоры) являются характерной покоящейся стадией жизненного цикла золотистых водорослей классов Chrysophyceae и Synurophyceae. Впервые в России исследования стоматоцист были проведены в Сибири [1, 2], на северо-западе России [3–5]. На Южном Урале специальные исследования хризофитовых начаты в недавнее время [6, 7]. В регионе распространены водоемы с пресной нейтрально-щелочной водой с высоким разнообразием и обилием фитопланктона мезо-эвтрофного уровня, летом уровень развития в малых озерах может достигать гипертрофии. Золотистые водоросли в регионе определяют облик зимне-весеннего планктона. При исследованиях впервые для Южного Урала обнаружены стоматоцисты Chrysophyta. Формирование стоматоцист отмечено в зимне-весенний период.
Материалы и методы исследования
В ряде малых водоемов Южного Урала лесной, лесостепной и степной зоны, а также отдельных водоемов Среднего Урала, с 2014 по 2017 г. проведен круглогодичный отбор планктонных проб. Живые пробы просматривались на световом микроскопе (СМ) Nikon Eclipse E600 с использованием объективов Nikon 60×/0.80, 40×/0.65 Ph2, 10×/0.25 Ph1. Изучение кремниевых структур панцирей и фотосъемка велись на сканирующем электронном микроскопе (СЭМ) Tescan Vega 3Sbu при увеличении 2–20×103. Для этого аликвоту сгущенного планктона наносили на токопроводящий скотч и высушивали, напыление золотом производили с помощью ионно-плазменного напылителя Quorum Q150R ES. Кремниевый состав оболочки стоматоцист хризофитовых оценивали с помощью рентгеноспектрального микроанализатора Oxford Instruments X-act.
Обследованные водоемы принадлежат Обскому (Тоболо-Исетскому) речному бассейну и бассейну реки Урал. Ледостав происходит в конце октября или начале ноября, сход льда отмечен в начале мая. В местах сбора проб измеряли температуру воды, водородный показатель (рН), электропроводность (УЭП), прозрачность по диску Секки, цветность, проводился химический анализ воды.
Прозрачность воды изменялась от 1,5 м до 3,5 м, с минимумом 0,8 м в летние месяцы при развитии цианобактерий в эвтрофных мелководных озерах. Цветность воды колебалась в различные сезоны от 32о до 87о по Pt–Co шкале, значения рН изменялись в диапазоне 6,5–7,4. Все обследованные водоемы пресные и характеризовались следующим диапазоном УЭП 86–559 μS cm-1.
Результаты исследования и их обсуждение
Стоматоцисты обнаружены в следующих водоемах: озерах Южного Урала в лесной зоне – Ильменское, Кошкуль, Барахтан, Киалимском водохранилище, прудах верхнего течения реки Миасс, в лесостепной зоне – Уйский пруд; на Среднем Урале – оз. Таватуй. Водоемы расположены вдоль 60º восточной долготы, в широтном диапазоне от 56º40' до 54º20' северной широты.
Процесс формирования стоматоцист хризофитовых впервые был отмечен с февраля до начала мая 2015 г. в подледном планктоне озер региона. Среди них с сохранившимися чешуйками на поверхности отмечены ст. Mallomonas caudata Ivanov emend. Krieger, ст. M. striata Asmund, ст. M. elongata Reverdin, ст. M. matvienkoae Asmund et Kristiansen. В оз. Ильменское в феврале при температуре воды 3,9 °С, рН 7,2, УЭП 350 мкС·cm-1 найдены стоматоцисты M. caudata, в апреле при температуре воды 2,5 °С, рН 7,5, УЭП 278 мкС·cm-1 – M. elongata. Стоматоцисты M. striata и M. matvienkoae отмечены в оз. Таватуй в мае при температуре воды 7,2 °С, рН 7,5, УЭП 215 мкС·cm-1.
В зимне-весенний период 2016–2017 гг. наиболее часто во многих водоемах Южного Урала встречали формирующиеся стоматоцисты M. striata (рис. 1).
Рис. 1. Формирующаяся стоматоциста Mallomonas striata с сохранившимися чешуйками, наиболее часто встречаемая в подледном и весеннем планктоне ряде озер и прудов Южного Урала в 2016–2017 гг. СЭМ. Масштабная линейка 5 мкм
Своеобразие процесса формирования стоматоцист состоит в том, что оболочка разрастается не вокруг протопласта, как у представителей других групп водорослей, а закладывается внутри клетки, эндогенно. При формировании стоматоцист происходит разрастание, изменение липидного состава, чешуйки на первоначальном этапе сохраняются. По оставшимся чешуйкам можно определить принадлежность стоматоцисты к виду. Образование цист происходит при половом и бесполом (автогамном и гологамном) размножении. Инцистирование часто связано с изменением химических и физических свойств воды, факторы, при которых происходит формирование стоматоцист золотистых водорослей, мало изучены.
Формирующиеся стоматоцисты M. striata были отмечены в прудах верхнего течения реки Миасс – Устиновский, Смородинка, Старогородский, Киалимском водохранилище, Уйском пруде на реке Уй, оз. Кошкуль в подледный период и сразу после схода льда при рН 7,2–7,5, температуре 3,2–7,9 °С и УЭП 190–345 мкС·cm-1. Отмечены новые местонахождения формирующихся стоматоцист M. caudata в оз. Барахтан в мае при температуре воды 10 °С, рН 6,6, УЭП 119 мкС·cm-1.
В обследованных водоемах были обнаружены также уже сформировавшиеся стоматоцисты хризофитовых различных типов. При морфологическом визуальном сходстве некоторых гладких и орнаментированных цист с домиками эвгленид рода Trachelomonas выполняли проверку химического состава оболочки с помощью рентгеноспектрального микроанализатора: энерго-дисперсионный спектр химических элементов, входящих в состав стоматоцисты, показал преобладание кремния (рис. 2), в отличие от домиков эвгленид, в составе которых преобладает железо, кальций, иногда марганец (рис. 3).
Рис. 2. Энерго-дисперсионный спектр стоматоцист хризофитовых показал преобладание в химическом составе кремния (Si) – максимальный пик спектра
Рис. 3. Энерго-дисперсионный спектр лорики эвгленид рода Trachelomonas (T. hispida) показывает преобладание в химическом составе железа, кальция (Fe, Ca) и незначительное содержание кремния (Si)
Рентгеноспектрометрический метод позволяет отличить морфологически схожие организмы друг от друга: стоматоцисту 230 Duff et Smol, 1994, принадлежащую Mallomоnas areolatа Nygaard, от лорики эвгленовой водоросли Trachelomonas hispida (Perty) F. Stein (рис. 4).
Рис. 4. Микрофотография вида Trachelomonas hispida (Euglenophyta), морфологически схожего со стоматоцистой 230 (Duff et Smol, 1994), принадлежащей Mallomоnas areolatа (Chrysophyta). СЭМ. Масштабная линейка 5 мкм
Принадлежность организма, представленного на микрофотографии (рис. 4) к эвгленидам определена по энерго-дисперсионному спектру, в котором отсутствует информация о преобладании кремния (Si) в составе оболочки (рис. 3): на графике присутствует незначительный пик Si. Как чешуйки представителей Chrysophyceae и Synuraphyceae, так и их стоматоцисты имеют преимущественно кремнистый состав. Поскольку оболочка формируется эндогенно, а не образуется в результате абсорбции или инкрустации солями в водной среде, преобладание кремния является хорошим диагностическим признаком для отличия стоматоцист от морфологически схожих лориков эвгленид.
Для полностью сформировавшихся стоматоцист, на поверхности которых не сохранилось чешуек, были предложены различные таксономические схемы. Обнаруженные в современном планктоне озер и прудов Южного Урала сформировавшиеся стоматоцисты были разделены на группы морфотипов в соответствии с работами K.E. Duff, J.P. Smol [8, 9], B.A. Zeeb, K.E. Duff, J.P. Smol [10], B.A. Zeeb, J.P. Smol [11], А.Д. Фирсовой [12–14] и Л.Н. Волошко [15]. Группы морфотипов отличаются по форме строения воротничка и характеру орнаментации. Выявлены стоматоцисты первого морфотипа – неорнаментированные, двух подтипов: с воротничком и без воротничка. Также обнаружены стоматоцисты второго типа орнаментированные (рис. 5).
Рис. 5. Представители стоматоцист водоемов Южного Урала, принадлежащие к морфотипам неорнаментированных стоматоцист (подтипы без воротничка и с воротничком) и к морфотипу орнаментированных стоматоцист (справа). СЭМ. Масштабная линейка 5 мкм
Представленное изображение неорнаментированной стоматоцисты без воротничка (рис. 5, слева) отнесено нами к морфотипу стоматоцисты 15 Duff et Smol, 1988 em. Zeeb et Smol, 1993 (сферическая гладкая, пора вдавленная), продуцирована золотистой водорослью Chrysosphaerella brevispina Korschikov. Гладкая стоматоциста с воротничком обратноконической формы диаметром 3,2 мкм, высотой 2,5 мкм, изображенная в центре (рис. 5), продуцирована видами рода Dinobryon. Гладкие стоматоцисты вышеуказанных морфотипов являются самыми многочисленными в планктоне пресноводных водоемов Южного Урала.
В обследованных водоемах Южного Урала обнаружены орнаментированные стоматоцисты различных подтипов: с гребневидными выростами на поверхности, с шипами различной длины, стоматоцисты со сложной комбинированной орнаментацией в виде шипов и трубчатых выростов. Орнаментированная стоматоциста с гребневидными выростами, изображение на рис. 5 (справа), не отнесена к конкретному морфотипу, напоминает стоматоцисту 111 Zeeb, Duff, Smol, 1990. Диаметр обнаруженных стоматоцист изменялся в пределах 2–13 мкм.
Заключение
Таким образом, формирование стоматоцист современного планктона в условиях малых пресноводных озер и прудов Южного Урала происходит в зимне-весенний период. Обнаружены стоматоцисты всех известных групп морфотипов и подтипов: неорнаментированные, принадлежащие двум подтипам, с воротничком и без воротничка, а также орнаментированные с простой и сложной орнаментацией. Большинство из обнаруженных стоматоцист не идентифицированы с конкретным известным морфотипом и требуют дальнейшего исследования методом культивирования для определения точной видовой принадлежности.
Работа выполнена при частичной финансовой поддержке Комплексной программы фундаментальных исследований Проекта № 18-5-5-43 Уральского отделения РАН.