New records and morphology of Chrysococcus furcatus (Chrysophyceae, Chromulinales) in the waterbodies of the Southern Ural

全文:

Хризофитовые – одноклеточные или колониальные водоросли, характеризующиеся способностью формировать эндогенные кремнистые стоматоцисты (статоспоры) в определенные стадии своего развития или под воздействием изменений окружающей среды (Duff et al., 1995). Морфология стоматоцист видоспецифична, но большинство из них не соотнесено с конкретными видами. Определить видовую принадлежность стоматоцист возможно в случае наблюдения их формирования в природных водоемах или при культивировании (Škaloud et al., 2012; Škaloud et al., 2013). В настоящее время описано более 1000 морфотипов стоматоцист, указанных под соответствующими номерами в атласах-определителях (Duff et al., 1995; Wilkinson et al., 2001; Pla, 2001; Kapustin, Kapustina, 2018) и в отдельных публикациях (Vorobyova et al., 1996; Firsova, Likhoshway, 2006; Bazhenova et al., 2012; Bazhenova, 2021; Safronova, Voloshko, 2013; Voloshko, 2016; Firsova et al., 2017, 2018; Safronova, 2015; Kapustin et al., 2016; Snit`ko, Voloshko, 2017, 2018).

Некоторые хризофиты производят стоматоцисты с очень специфичным внешним видом, например, Chrysococcus furcatus (Dolgoff) Nicholls, 1981 (Duff et al., 1995; Kapustin, Kapustina, 2018), благодаря чему становится возможной правильная идентификация вида на основе морфологии. Стоматоциста C. furcatus первоначально была описана в группе эвгленовых водорослей как Trachelomonas furcata Dolgoff (Dolgoff, 1922), а впоследствии перенесена в состав золотистых водорослей в род Chrysastrella Chodat под названием Chrysastrella furcata (Dolgoff) Deflandre, 1934 (Deflandre, 1934; Cronberg, Kristiansen, 1980; Duff et al., 1995). Вегетативная стадия Chrysococcus furcatus описана в 1981 г. (Nicholls, 1981), но впоследствии такая же окремнелая клетка описывалась из донных отложений в Арктике как “стоматоциста 17” Duff, Smol (Duff, Smol, 1988). Стоматоцисты C. furcatus отмечались в Северной Америке, Гренландии, Европе, а вегетативные клетки зарегистрированы в Канаде (Nicholls, 1981; Duff et al., 1995). В России стоматоцисты обнаружены в Центре, на Севере и Северо-Западе (Dolgoff, 1922; Usatschev, 1928; Woronichin, 1933; Kapustin, Kapustina, 2018), в Сибири в Байкальском регионе в р. Верхняя Ангара (Firsova et al., 2018).

В ходе многолетних исследований золотистых водорослей в планктоне водоемов Южного Урала и Зауралья нами обнаружены вегетативные клетки и стоматоцисты Chrysococcus furcatus, что является первой для Урала находкой вида.

Цель данной работы – документально зафиксировать новые находки редкого вида C. furcatus в России и проанализировать морфологическую изменчивость стоматоцист.

Материалы и методика

Пробы отбирали круглогодично планктонной сетью с ячеей 14 мкм в диаметре в 2015–2022 гг. в небольших озерах, водохранилищах и реках Южного Урала, наибольшое внимание уделяли холодноводным периодам. Всего обследовано свыше 40 водоемов. Стоматоцисты Chrysococcus furcatus обнаружены только в трех горно-лесных водоемах: Тесьминское водохранилище с мая по июнь 2020 г. (в большом количестве), дериваты оз. Тургояк (оз. Инышко и пруд городского пляжа) – в мае 2022 г. Вегетативные клетки вида C. furcatus обнаружены единично в Тесьминском водохранилище в мае 2020 г. Эти водоемы расположены в горной местности близ границ водоразделов крупнейших речных бассейнов Обского и Волго-Камского, водосборы частично или полностью находятся на территории национального парка “Таганай”. Географические характеристики водоемов приведены в табл. 1, основные гидрохимические показатели – в табл. 2. В периоды формирования стоматоцист C. furcatus отбор проб проводили еженедельно одновременно с измерением температуры воды, описанием сообществ фитопланктона и видового состава золотистых водорослей (табл. 3).

Исследование вегетативных клеток и стоматоцист C. furcatus проводили с помощью сканирующего электронного микроскопа (СЭМ) Tescan Vega 3Sbu при увеличении в (2–20) × 10³ раз. Для изучения объектов в СЭМ аликвоту сгущенного планктона наносили на токопроводящий скотч на алюминиевом диске и высушивали, напыление золотом производили с помощью ионно-плазменного напылителя Quorum Q150R ES. Энергодисперсионные спектрограммы (ЭДС) для анализа элементного состава оболочки клеток и стоматоцист выполняли с помощью рентгеноспектрального микроанализатора Oxford Instruments X-act.

Измерение гидрохимических характеристик, СЭМ и ЭДС выполнены на базе Южно-Уральского центра коллективного пользования по исследованию минерального сырья (аттестат аккредитации № РОСС RU.001.514536).

 

Таблица 1. Значения некоторых физико-географических показателей водоемов – местообитаний Chrysococcus furcatus на Южном Урале

Table 1. Values of some physiographical parameters in the waterbodies – habitats of Chrysococcus furcatus in Southern Ural

Озера, водохранилища, пруды Lakes, reservoirs, ponds		Площадь, км2 Area, km2	Глубина, м Depth mid./max, m	Высота над уровнем моря, м Altitude, m a. s. l.	Координаты Coordinates
					N	E
Водоемы горно-лесной зоны Волго-Камского бассейна Waterbodies of mountain-forest zone of the Volga-Kama basin
Тесьминское вдхр. Tesminskoye Reservoir		0.48	Уровень воды упал на 4 м 2021 г. Water level fell down 4 m in 2021 2/10	469	55°12'56.3"	59°45'53.4"
Водоемы горно-лесной зоны Обского речного бассейна Waterbodies of mountain-forest zone of the Ob River basin
Дериваты оз. Тургояк Derivatives of Turgoyak Lake	Пруд городского пляжа Pond of city beach	0.01	1/1.2	320	55°09'12.5"	60°06'58.2"
	Озеро Инышка Inyshka Lake	0.32	2/4.0	331	55°11'21.5"	60°05'30.0"

 

Таблица 2. Гидрохимические показатели водоемов местообитаний Chrysococcus furcatus на Южном Урале

Table 2. Hydrochemical parameters of the waterbodies – habitats of Chrysococcus furcatus in Southern Ural

Гидрохимические параметры / Водоемы Hydrochemical parameters / Waterbodies	Дериваты оз. Тургояк Derivatives of Turgoyak Lake		Тесьминское вдхр. Tesminskoye Reservoir
	Пруд городского пляжа Pond of city beach	Озеро Инышко Inyshkо Lake
Гидрокарбонаты Bicarbonates, mg/dm−3	111.02	89.7 ± 10.8	37.8 ± 4.8
Сульфаты Sulfates, mg/dm−3	16.30	7.7 ± 1.0	8.23 ± 2.5
Кальций Calcium, mg/dm−3	25.05	19.6 ± 2.2	12.0 ± 1.3
Магний Magnesium, mg/dm−3	12.80	8.84 ± 1.33	2.43 ± 0.36
Натрий+калий Sodium+Potassium, mg/dm−3	9.15	9.70 ± 0.68	2.67 ± 0.3
Азот нитратный Nitrаte nitrogen, mg/dm−3	0.30	0.0053 ± 0.0026	0.006 ± 0.003
Азот нитритный Nitrite nitrogen, mg/dm−3	<0.003	0.27 ± 0.05	0.69 ± 0.14
Азот аммонийный Ammonium nitrogen, mg/dm−3	0.16	<0.1	0.14 ± 0.04
Хлориды Chlorides, mg/dm−3	10.06	4.43 ± 0.45	1.83 ± 0.29
Сумма ионов, ∑, mg/dm-3	194.84	140.24 ± 17.15	65.79 ± 9.73
Фосфор общий Total phosphorus, mg/dm−3	0.134	0.084 ± 0.042	0.010 ± 0.04
рН	7.2 ± 0.2	7.5 ± 0.2	7.5 ± 0.2
УЭП Conductivity, μS/cm−1	255.1	121	21.0–55.0
Цветность воды, градус шкалы Pt–Со Water color, degree of Pt–Со scale	27.4	24.6 ± 4.9	–

 

Рис. 1. Вегетативная клетка Chrysococcus furcatus (СЭМ) из Тесьминского водохранилища 18.05.2020. Вегетативная клетка указана стрелкой. Масштабная линейка – 10 мкм.

Fig. 1. Vegetative cell (arrow) of Chrysococcus furcatus (SEM) from the Tesminskoye Reservoir 18.05.2020. Scale bar – 10 μm.

 

Результаты и обсуждение

Обнаружены две окремнелые вегетативные клетки Chrysococcus furcatus пирамидальной формы. Размеры округло-треугольного основания клетки 11.2–11.4 мкм, с правильной вдавленной порой, воротничок отсутствует, поверхность орнаментирована округлыми углублениями диаметром 1.8–2.5 мкм. В углах клетки расположены игольчатые шипы, диаметр у основания до 4.5 мкм, длина до 21 мкм (рис. 1).

Вегетация вида C. furcatus отмечена при температуре воды 10°C в олиготрофных условиях одновременно с многочисленными стоматоцистами, осаждающимися на дно.

Ниже приводится описание стоматоцист C. furcatus, обнаруженных нами в водоемах замедленного стока на Южном Урале (рис. 2, 3).

 

Таблица 3. Изменение состава видов золотистых водорослей при изменении температуры воды в исследованных дериватах озера Тургояк и Тесьминском водохранилище

Table 3. Changes in the composition of chrysophyte species with increase in water temperature in the studied derivatives of Turgoyak Lake and Tesminskoye Reservoir

Водоем / Дата Reservoir / Date	Дериваты озера Tургояк, 2022 г. Derivatives of Turgoyak Lake, 2022					Тесьминское вдхр., 2020 г. Tesminskoye Reservoir, 2020
	пруд городского пляжа Pond of city beach				озеро Инышко Inyshkо Lake
	28.04	04.05	14.05	27.05	14.05	13.05	23.05	15.06
Температура / Temperature (°С)	лед / ice, 2°	9°	12°	18°	12°	9°	11°	16°
Стоматоцисты Ch. furcatus со скрученным / нескрученными шипами 3, орнаментация нерегулярными выростами Stomatocysts of Ch. furcatus with spine twisted appearance/not twisted 3, ornamented with irregularly arranged scabrae	–	+	++	–	–	+++	+	–
Стоматоцисты Ch. furcatus бифуркатный шип Stomatocysts of Ch. furcatus, bifurcate spine	–	+	+	–	+	–	++	+
Chrysosphaerella brevispina Korshikov	–	–	+	–	–	+	+	–
Dinobryon spp.	++	+	+	+++	+	+	+	+
Synura americana Kynčlová et Škaloud	+	++	+++	+	–	++	++	+
Synura mammilosa Takahashi 1972	–	–	–	–	–	+++	++	+
Synura petersenii Korshikov 1929 emend. Škaloud et Kynčlová	–	–	–	–	–	+	+	+++
Synura spinosa Korschikov 1929 f. spinosa	–	–	–	–	–	+	+	–
Synura uvella Ehrenberg emend. Korschikov 1929	–	+	++	+	–	–	–	–
Mallomonas acaroides Perty emend. Ivanoff 1899 var. acaroides	–	–	–	+	–	–	+	+
Mallomonas alpina Pascher et Rutter emend. Asmund et Kristiansen 1986	–	–	–	–	–	+	+	–
Mallomonas caudata Ivanov emend. Krieger 1930	–	–	–	–	–	+	–	–
Mallomonas crasissquama (Asmund) Fott 1962 var. crassisquama	–	–	–	–	–	+	–	–
Mallomonas cratis Harris et Bradley	–	+	++	+	–	–	–	–

Примечание: – отсутствие вида; + присутствие вида, ++ доминирование в сообществе, +++ массовое развитие вида.

Note: – species missing; + species present, ++ species dominates in community, +++ species occurs in abundance.

 

Стоматоциста сферическая, 9.7–10.5 мкм в диаметре. При измерении десятков экземпляров значительных колебаний в диаметре стоматоцист южно-уральской популяции не обнаружено. Лишь один экземпляр в деривате оз. Тургояк с бифуркатным шипом имел диаметр 11.6 мкм (рис. 2е).

Воротничок. Цисты имели высокий (2.0–5.0 мкм) обратноконический воротничок. Форма воротничка преимущественно широко коническая: в основании диаметр 2.0–2.5 мкм, у вершины воротничка диаметр 3.9–4.1 мкм, внутреннее отверстие 1 мкм (рис. 3d). Пора не наблюдалась. В деривате оз. Тургояк (оз. Инышко) единично отмечены также экземпляры (рис. 2f), где базальный край воротничка орнаментирован вертикальными полосами (Duff et al., 1995).

Орнаментация поверхности стоматоцист: неравномерно расположенные тупые конические выросты, а также острые конические выступы близ воротничковой зоны. Экземпляры со сглаженными коническими выростами по всей поверхности стоматоцисты обнаружены в деривате оз. Тургояк в мезоэвтрофных условиях в конце периода образования (рис. 2с, е).

 

Рис. 2. Стоматоцисты Chrysococcus furcatus (СЭМ): а – стоматоциста со скрученным шипом; b – стоматоциста с бифуркатным шипом и с одним нескрученным шипом на заднем полюсе; c, е, f – стоматоцисты с раздвоенным бифуркатным шипом на заднем полюсе; f – стоматоциста с базальным краем воротничка, украшенным вертикальными полосами; d – стоматоциста с 3 игольчатыми шипами на заднем полюсе стоматоцисты. Масштабная линейка – 5 мкм.

Fig. 2. Stomatocysts of Chrysococcus furcatus (SEM): а – stomatocyst with a twisted spine; b – stomatocyst with a bifurcate spine and a non-twisted spine located on the posterior pole; c, е, f – stomatocysts with a bifurcate spine located on the posterior pole; f – stomatocyst with a basal collar edge decorated with vertical stripes; d – stomatocyst with 3 needle-like spines on the posterior pole.

Scale bar – 5 μm.

 

Орнаментация стоматоцисты может изменяться в процессе развития. Например, в Центральной России (Dolgoff, 1922; Usatschev, 1928) обнаруживали гладкие образцы. Воронихин (Woronichin, 1933) наблюдал как гладкие, так и шероховатые, и шиповатые стоматоцисты C. furcatus на Северо-Западе России в реках Нева и Большая Невка. В исследовании Д. А. Капустина и Н. В. Капустиной (Kapustin, Kapustina, 2018) стоматоцисты из искусственного пруда в п. Борок (Ярославская область) были орнаментированы острыми короткими шипиками, имели высокий цилиндрический воротничок и, как правило, скрученный игольчатый шип, а экземпляры из реки в Мурманской области были гладкими с коротким цилиндрическим воротничком.

Шипы. Обнаружена морфологическая изменчивость шипов, выходящих из заднего полюса стоматоцисты: отмечены простые, бифуркатные, и множественные шипы – от двух до четырех, чаще три. Часть найденных образцов имела единственный игольчатый отросток, раздваивающийся при созревании, как описывается в литературе (Duff, Smol, 1988, 1989, 1994; Duff et al., 1992; Zeeb, Smol, 1993; Duff et al., 1995). Шип имел длину 18.5 мкм (рис. 2а).

 

Рис. 3. Популяция стоматоцист Chrysococcus furcatus (СЭМ) в Тесьминском водохранилище 13.05.2020: а, b – стоматоцисты с 3 шипами на заднем полюсе, орнаментированные нерегулярно распределенными коническими выростами; c – стоматоциста с 4 шипами на заднем полюсе; d – стоматоциста, диаметр отверстия внутри воротничка 1 мкм. Масштабная линейка: a, b, c – 10 мкм; d – 5 мкм.

Fig. 3. Population of Chrysococcus furcatus stomatocysts (SEM) in the Tesminskoye Reservoir 13.05.2020: а, b – stomatocysts with 3 needle-like spines located on the posterior pole, ornamented with irregularly arranged scabrae; c – stomatocyst with 4 needle-like spines located on the posterior pole; d – stomatocyst, diameter of the hole inside the collar is 1 μm.

Scale bar: a, b, c – 10 μm; d – 5 μm.

 

Рис. 4. Энергодисперсионный спектр (ЭДС) стоматоцист Chrysococcus furcatus: а, b – ЭДС спектр незрелых стоматоцист; с – ЭДС спектр зрелых стоматоцист с бифуркатным шипом.

Fig. 4. Energy-dispersive X-ray spectroscopy (EDX, EDS) of Chrysococcus furcatus stomatocysts: а, b – energy-dispersive X-ray spectrum of immature stomatocysts; с – energy-dispersive X-ray spectrum of mature stomatocysts with a bifurcate spine.

 

Исследователи Северной Америки отмечают: “обычно шип имеет скрученный или похожий на веревку вид и, по-видимому, полый” (Duff et al., 1995: 102). По находкам в России также описывается шип данной стоматоцисты, как имеющий “обычно скрученный вид” (Kapustin, Kapustina, 2018: 384). В нашем исследовании простой шип в виде “скрученной веревки” обнаружен на нескольких образцах.

Множественные игольчатые шипы отмечены у большинства экземпляров в южноуральских популяциях (рис. 2d, рис. 3a, b, c). На рис. 3с видно четыре игольчатых шипа, выходящих из заднего полюса стоматоцисты. Обнаруженные морфотипы свидетельствуют о морфологической изменчивости стоматоцисты C. furcatus, не отмеченной ранее в литературе. Стоматоцисты с множественными шипами удалось обнаружить в двух природных водоемах и проследить за их формированием: в Тесьминском водохранилище весной 2020 г. при прогревании воды с 9 до 16°C (наибольшее скопление); а также в деривате оз. Тургояк весной 2022 г. при прогреве воды с 9 до 12°C (см. табл. 3).

Стоматоцисты только с бифуркатным шипом отмечены единично в середине июня при прогреве воды до 16°C. Шип становится бифуркатным на более поздних стадиях созревания стоматоцисты (Duff et al., 1995). Длина шипа до бифуркации 2.2–5.2 мкм, после бифуркации 18.0–21.5 мкм; у основания диаметр шипа 1.1–1.2 мкм (рис. 2b, c, e, f). Выявленные в южноуральской популяции значения длины шипа входят в диапазоны, описанные в литературе (Duff et al., 1995; Kapustin, Kapustina, 2018).

Таким образом, обнаружена морфологическая изменчивость и новая форма стоматоцист C. furcatus со множественными игольчатыми шипами: одновременно присутствовали цисты с простым шипом, бифуркатным шипом, большая часть цист была с тремя шипами (рис. 2a–f; табл. 3). Стоматоцисты со множественными шипами абсолютно преобладали 13.05.2020 в Тесьминском водохранилище при температуре воды 9°C (рис. 3a, с). Отмечена стоматоциста с присутствием как бифуркатного, так и простого шипов на заднем полюсе стоматоцисты (рис. 2b).

Энергодисперсионные спектры (ЭДС). На рис. 4 представлены фрагменты спектров с максимумами преобладающих химических элементов в составе стоматоцисты. Спектры показывают доминирование в химическом составе кремния (Si), но выраженность максимумов разная. При изучении спектрограмм C. furcatus из южноуральских популяций отмечено, что у более зрелых образцов стоматоцист с бифуркатным шипом выражено преобладание в составе оболочки кремния по сравнению с органической (C, O) составляющей (рис. 4с).

 

Рис. 5. Энергодисперсионный спектр (ЭДС) вегетативных клеток стоматоцист Chrysococcus furcatus.

Fig. 5. Energy-dispersive X-ray spectroscopy (EDX, EDS) of vegetative cells of Chrysococcus furcatus stomatocysts.

 

Фрагменты спектрограмм незрелых стоматоцист новой формы с тремя игольчатыми шипами, интерпретируемой как менее зрелая, чем циста с бифуркатным шипом, показали заметное содержания аллюминия, магния (Al, Mg) в оболочке (рис. 4a, b).

Энергодисперсионный спектр вегетативной клетки C. furcatus показан в полном виде на рис. 5: выявлено преобладание кремния по сравнению с органикой, характеризующейся заметно меньшими пиками углерода (C) и кислорода (O), как и в зрелых стоматоцистах с бифуркатным шипом.

Таким образом, на основании анализа представленных ЭДС можно сделать вывод о том, что в формирующихся стоматоцистах содержание органических соединений выше концентрации кремния. Оболочка стоматоцист при формировании более пластична, присутствует слизь: значимые пики магния, аллюминия на спектрограмме могут свидетельствовать об усиленной адсорбции металлов на поверхности оболочки (рис. 4a, b). У зрелых стоматоцист с бифуркатным шипом накопление металлов было меньше границы обнаружения.

Экологические особенности. Вид C. furcatus описан в литературе как криофильный, предпочитающий холодные воды, часто встречается в арктических водоемах, наиболее распространен в олиготрофных участках водоемов при низких температурах воды (Cronberg, Kristiansen, 1980; Duff, Smol, 1988, 1989; Duff et al., 1992). Стоматоцисты вида отмечены в отложениях послеледниковых озер умеренной климатической зоны (Duff, Smol, 1988; Duff et al., 1995) и в подледный период в водоемах России (Kapustin, Kapustina, 2018). На Южном Урале вегетативные клетки вида C. furcatus обнаружены в олиготрофном горно-лесном водоеме при низкой температуре воды. Формирование и созревание стоматоцист C. furcatus в южноуральских популяциях отмечены весной после схода льда в горно-лесных водоемах в холодной воде: при олиготрофных условиях (фосфор общий 0.010 мг × дм⁻³) наблюдали большое скопление стоматоцист; в мезо-эвтрофных условиях, характеризующихся содержанием фосфора от 0.084 до 0.134 мг × дм⁻³, стоматоцисты вида встречали единично (см. табл. 3). В мезо-эвтрофных условиях наблюдали морфотипы с бифуркатным шипом. На Южном Урале местообитания C. furcatus имеют нейтральную реакцию среды рН 7.5.

Температурный режим для вегетативных клеток C. furcatus составлял 10°C, одновременно присутствовали многочисленные стоматоцисты. Стоматоцисты с тремя игольчатыми шипами обнаружены весной при температуре воды с 9 до 12°C, наибольшее скопление при 9°C. Количество цист резко снижается при 14°C и они полностью оседают на дно и не обнаруживаются в водоемах при температуре 16°C.

Состав золотистых водорослей в водоемах при массовом формировании стоматоцист C. furcatus, которые могут быть связаны аллелопатическими связями, представлен в табл. 3. Наиболее заметный вклад в планктонные сообщества вносили несколько видов Synura: S. americana, S. mammilosa, S. petersenii (Snit`ko et al., 2021, 2022).

Заключение

В ходе обширного многолетнего отбора проб из пресных водоемов Урала описаны новые местообитания золотистой водоросли Chrysococcus furcatus. Установлено, что этот вид является редким для Южного Урала.

Впервые обнаружена морфологическая изменчивость стоматоцист C. furcatus: в частности, с множественными шипами, выходящими из заднего полюса.

Впервые в условиях природных водоемов при прогреве воды проведено наблюдение за массовым образованием стоматоцист и охарактеризованы экологические условия их формирования. Установлено, что вид развивается в олиготрофных условиях весной подо льдом, а массовое формирование стоматоцист происходит сразу после схода льда. Методом энергодисперсионной спектроскопии впервые получены данные об увеличении содержания кремния в оболочках стоматоцист C. furcatus при их созревании.

В целом, экологические условия выявленных местообитаний C. furcatus характеризуются нейтральными показателями рН, низкой минерализацией и электропроводностью воды, уровнем продуктивности от олиготрофии до эвтрофии. Расширены представления об экологическом диапазоне: вид C. furcatus вегетирует не только в олиготрофных условиях, но и мезоэвтрофных.

Благодарности

Работа выполнена в рамках государственного задания по плановой теме ЮУФНЦ Минералогии и Геоэкологии УрО РАН № 122040800079-3. Авторы благодарят сотрудника лаборатории электронной микроскопии ЮУФНЦ МиГ УрО РАН Блинова И. А. за помощь в работе на СЭМ.

作者简介

L. Snit’ko

South Ural Scientific Centre of Mineralogy and Environmental Geology of the Ural Branch RAS

编辑信件的主要联系方式.
Email: lvs223@yandex.ru
俄罗斯联邦, Ilmensky Reserve, Miass, Chelyabinsk Region, 456317

V. Snit’ko

South Ural Scientific Centre of Mineralogy and Environmental Geology of the Ural Branch RAS

Email: lvs223@yandex.ru
俄罗斯联邦, Ilmensky Reserve, Miass, Chelyabinsk Region, 456317

参考

补充文件