Alkaline Phosphatase Activity and Phosphatase-Active Bacteria in Lake Baikal Water Column and Major Tributaries

M. Yu. Suslova; Суслова М. Ю.; G. V. Podlesnaya; Подлесная Г. В.; I. V. Tomberg; Томберг И. В.; M. V. Sakirko; Сакирко М. В.; O. I. Belykh; Белых О. И.

doi:10.31857/S0026365624020235

Alkaline Phosphatase Activity and Phosphatase-Active Bacteria in Lake Baikal Water Column and Major Tributaries

Authors: Suslova M.Y.¹, Podlesnaya G.V.¹, Tomberg I.V.¹, Sakirko M.V.¹, Belykh O.I.¹
Affiliations:
1. Limnological Institute, Siberian Branch, Russian Academy of Sciences
Issue: Vol 93, No 2 (2024)
Pages: 223-227
Section: SHORT COMMUNICATIONS
URL: https://journal-vniispk.ru/0026-3656/article/view/262571
DOI: https://doi.org/10.31857/S0026365624020235
ID: 262571

Cite item

Full Text

Abstract
Full Text
About the authors
References
Supplementary files
Statistics

Abstract

Phosphorus is one of the major biogenic elements. Its inflow facilitates eutrophication of lake water. In aquatic ecosystems, phosphorus is present mostly in organic compounds. Ability of aquatic microorganisms to assimilate phosphorus from organophosphorous compounds results from activity of alkaline phosphatases; activity of these enzymes may be an indicator of the state of the ecosystem, phosphate load, and water quality. In the present work, alkaline phosphatase activity (APA) and abundance of phosphatase-active bacteria (PAB) in Lake Baikal pelagic zone and in the mouths of its major tributaries was studied. In the pelagic zone, APA and PAB abundance decreased with depth, indicating that the main processes of phosphate generation occurred in the trophic layer of the lake. In the main tributaries, both APA and PAB abundance were considerably higher than in the pelagic zone. These results indicate active biochemical processes of transformation of organophosphorous compounds occur in the estuarine zones of the rivers. The degradation processes result in regeneration of phosphates, which are completely incorporated in the biological turnover, providing for phytoplankton development.

Keywords

Lake Baikal, phosphorus, alkaline phosphatase activity, phosphatase-active bacteria, phosphatase-producing bacteria

Full Text

Круговорот фосфора имеет огромное значение для продуктивности водоемов. Фосфор в водоемах присутствует в виде неорганических и органических соединений. Основная часть запасов его в водной экосистеме находится в органической форме. В воде озера Байкал органический фосфор присутствует в небольших количествах, в среднем от 3.6 до 11 мкг/л (Eletskaya, Tomberg, 2020; Domysheva et al., 2023); в реках его концентрация выше: от 0.143 мг/л в Баргузине (Сороковикова и соавт., 2022) и, в среднем, от 16 до 80 мкг/л в Селенге (Сороковикова и соавт., 2018). Главным источником органического фосфора в водах Байкала является фито- и зоопланктон. Микроорганизмы высвобождают его из отмерших организмов, и он вновь включается в биологический круговорот. Микроорганизмы способны производить целый ряд видоизменений в состоянии отдельных форм фосфора. Микробиальные процессы имеют большое значение в круговороте фосфора, так как ни одна из реакций преобразования фосфатсодержащих веществ не идет самопроизвольно. Способность водных микроорганизмов усваивать фосфор из фосфорорганических соединений обусловлена действием щелочных фосфатаз, которые катализируют гидролиз эфиров и ангидридов фосфорной кислоты (Хупер, 1977). АЩФ обнаружена как в фитопланктоне, так и в бактериопланктоне (Chrost, Overbeck, 1987; Martinez, Azam, 1993). АЩФ рассматривают как информативный показатель обеспеченности гидробионтов фосфором и минерализации органических веществ (Boavida, Heath, 1988). Так же АЩФ дает возможность судить о состоянии экосистемы, нагрузке фосфатами и качестве воды (Miettinen et al., 1997). Ранее в экосистеме Байкала исследования АЩФ проводили в районе дельты р. Селенги, где было показано, что начиная с июня, развитие фитопланктона обеспечивается регенерацией фосфатов, основная роль в которой принадлежит АЩФ (Максименко и соавт., 2008).

Цель исследования — определить значения активности щелочной фосфатазы и численность фосфатаза-активных бактерий в водах озера Байкал и его основных притоках.

Пробы воды для исследования отбирали в июне 2021–2023 гг. на центральных станциях южной котловины оз. Байкал — Листвянка‒Танхой (Л‒Т), средней — Ухан‒Тонкий (У‒Т) и северной — Елохин‒Давша (Е‒Д) с глубин 0, 5, 15, 100, 400, 600 м, придонного слоя (1400, 1550 и 850 м) и в приустьевых участках рек Голоустная, Селенга, Бугульдейка, Анга, Сарма, Турка, Баргузин, Томпуда, Рель, Тыя, Кичера и Верхняя Ангара (рис. 1а).

Активность щелочной фосфатазы определяли с помощью набора Щелочная фосфатаза-Витал В09.02 (АО “Витал Девелопмент Корпорэйшн”, Россия). Пробу в двух повторностях фильтровали через аналитическую трековую мембрану АТМ-0-0-0-25 с диаметром пор 0.2 мкм (ООО “РЕАТРЕК-Фильтр”, Россия). Затем один фильтр помещали в стерильный стеклянный сосуд (объемом 13‒15 мл) с 1 мл раствора п-нитрофенилфосфата, второй хранили в морозильной камере при ‒18C. В качестве контроля параллельно подготавливали стерильный стеклянный сосуд с этим же раствором. Стеклянные сосуды экспонировали в течение 1 сут в темноте при 20‒22C, после чего в контрольный помещали фильтр из морозильной камеры. Для остановки реакции добавляли по 10 мл NaOH (20 ммоль/л), оптическую плотность определяли при длине волны 405 нм в кювете 1 см напротив контроля на спектрофотометре ПЭТ 5400ВН. Показатель фосфатазной активности выражали в нмоль/(л сут), рассчитывая по калибровочной кривой.

Численность фосфатаза-активных бактерий определяли на рыбо-пептонном агаре, разбавленном в 10 раз (РПА:10). После прорастания колоний в чашку заливали 10 мл среды с фенолфталеинфосфатом натрия и оставляли на 2‒3 ч, — под воздействием фосфатазы реактив расщепляется на свободный фенолфталеин и фосфор. Затем добавляли 0.5 мл раствора аммиака и проводили учет ярко-розовых колоний, т. к. аммиак с освободившимся фенолфталеином дает указанное окрашивание (Родина, 1965).

Исследования показали, что АЩФ в пелагиали озера в среднем составила 60 нмоль/(л сут), в приустьевых участках рек — 1021 нмоль/(л сут), численность ФАБ — 109 и 887 КОЕ/мл, соответственно.

В пелагиали АЩФ колебалась от 3 до 428 нмоль/(л·сут), численность ФАБ от 60 до 2400 КОЕ/мл. Максимальные значения АЩФ и ФАБ выявили в поверхностном слое, которые составляли среднем 167 нмоль/(л·сут) и 545 КОЕ/мл; на глубинах 5 и 15 м значения составили в среднем 66 нмоль/(л·сут) и 24 КОЕ/мл, а на глубине 100 м — 34 нмоль/(л·сут) и 6 КОЕ/мл. Минимальные значения АЩФ выявлены на глубинах 400, 600 м и в придонных слоях — в среднем 12 нмоль/(л·сут), а численность ФАБ — 13 КОЕ/мл (рис. 1б). В трофическом слое водной толщи, где наблюдали высокие показатели АЩФ и низкую численность ФАБ, очевидно, фосфатаза-активные цианобактерии и фитопланктон играют основополагающую роль в высвобождении фосфатов из органического фосфора (Belykh, Sorokovikova, 2003; Cabello-Yeves et al., 2022). Также, вероятно, высокие показатели АЩФ в поверхностном слое связаны с тем, что, в отличие от кислой и нейтральной фосфатаз, более чувствительных к интенсивности света, ее активность возрастает в поверхностном, более освещенном, слое воды. Для внеклеточных и кислых фосфатаз характерна обратная зависимость от освещения (Wynne, Bergstein Ben-Dan, 1995).

Рис. 1. Карта станций отбора проб (а); Численность ФАБ и АЩФ в водной толще южной, средней и северной котловин оз. Байкал в июне 2021‒2023 гг. (б).

Высокие значения АЩФ в поверхностном слое наблюдали в 2022 г. в южной и средней котловинах — 428 и 250 нмоль/(л·сут), в то время, когда максимальные значения численности ФАБ детектировали только в южной котловине — 2400 КОЕ/мл (рис. 1б). В сравнении с полученным ранее данными за 2018 и 2019 годы (Suslova et al., 2020), численность ФАБ возросла от 200 и 700 КОЕ/мл до 2400 КОЕ/мл в 2022 г.

Значимую корреляцию между АЩФ и численностью ФАБ детектировали в поверхностных слоях (r = 0.8; p ≤ 0.05).

В притоках значения АЩФ колебались от 182 (р. Голоустная, 2022 г.) до 2517 нмоль/(л·сут) (р. Селенга, 2022 г.), численность ФАБ от 60 (р. Сарма, 2022 г.) до 4800 КОЕ/мл (р. Рель, 2023 г.) (рис. 2).

Рис. 2. АЩФ в приустьевых участках основных притоков оз. Байкал в июне 2021‒2023 гг.

Стабильно высокие значения наблюдали все три года на р. Кичера, где АЩФ составила 2212, 2374 и 2166 нмоль/(л·сут), соответственно, и стабильно низкие значения в р. Бугульдейка и р. Сарма — в среднем 408 нмоль/(л·сут) (рис. 2). Также выявили значимую корреляционную связь значений АЩФ с содержанием органического фосфора (r = 0.8; p ≤ 0.05), концентрация которого в среднем составила 0.019 мкг/л, с минимальными значениями в р. Сарма (0.004‒0.005 мкг/л) и максимальными в р. Баргузин (0.72 мкг/л).

Ранее полученные данные АЩФ в приустьевом участке р. Селенга в июне 2003 г. (Максименко и соавт., 2008) были сопоставимы с нашими результатами в 2021 г. — 580 и 532 нмоль/(л·сут), соответственно, (рис. 2). Подобные исследования проведены в эстуариях рек Олн и Элорн во Франции, где АЩФ варьировала от 50 до 506 нмоль/(л·сут), несмотря на очень ограниченное содержание фосфора (Labry et al., 2016).

В пелагической части значения АЩФ с глубиной понижаются от 167 до 12 нмоль/(л·сут), численность ФАБ — от 545 до 6 КОЕ/мл, соответственно, что говорит об основных процессах генерации фосфатов в трофическом слое озера за счет АЩФ. В основных притоках озера значение АЩФ выше, чем в пелагиали на порядок, а численность ФАБ в 8 раз. Полученные данные свидетельствуют о том, что в приустьевых участках рек проходят активные биохимические процессы трансформации органических соединений фосфора, тем самым обеспечивая доступность фосфора биоте. Притоки озера Байкал играют доминирующую роль в приходной части гидрологического и химического баланса веществ в озере. Исходя из этого, можно утверждать, что в Байкале протекает процесс обогащения озерных вод соединениями фосфора за счет речного стока, что, вероятно, может быть одной из причин последующей эвтрофикации водоема.

ФИНАНСИРОВАНИЕ

Работа выполнена в рамках темы госзадания № 0279-2021-0005 (121032300224-8) и № 0279-2021-0015 (121032300269-9).

СОБЛЮДЕНИЕ ЭТИЧЕСКИХ СТАНДАРТОВ

Настоящая статья не содержит результатов исследований, в которых в качестве объектов использовались люди или животные.