Анотація до роботи:

Муханов В.С. Теплопродукція пико- і фемтопланктону. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата біологічних наук за фахом 03.00.17 - гідробіологія. - Інститут біології південних морів НАН України, Севастополь, 2007.

У дисертації розглянуто можливості застосування мікрокалоріметрії як методу прямого вимірювання потоків енергії в мікробних угрупованнях пелагіалі й, зокрема, мікробної «петлі». Детально досліджено (у тому числі і засобами імітаційного моделювання) мікробні процеси, що відбуваються після концентрування угруповання пікопланктона на нітроцелюлозну мембрану, на основі чого запропоновано оптимальний протокол приготування проб гетеротрофного пікопланктона (0,2-2 мкм) для подальшого вимірювання їхньої теплопродукції мікрокалоріметричним методом. Отримано перші дані про інтенсивність теплопродукції гетеротрофного пікопланктона (2-75 фВт кл.^-1), швидкості продукції ентропії угрупованням (0,3-0,7 Дж м^-3 год.^-1 К^-1) і його питомої дисипативної функції (2-5 10^-4 год.^-1 К^-1). Встановлено, що, незважаючи на винятково низькі концентрації живої біомаси у фемтофракції планктона (<0,2 мкм), швидкість її теплопродукції є співзмірною з такою для пікопланктона. Експериментально показано, що джерело цієї теплопродукції — не метаболізм ультрамікробактерій, а деякі позаклітинні процеси, мабуть, гідроліз біополімерів, як наслідок екзоферментативної активності бактеріопланктона. Отримані результати підтверджують перспективність застосування мікрокалоріметричного методу в дослідженнях потоків енергії в природних мікробних угрупованнях.

1. Застосування мікрокалоріметрії для вимірювання теплопродукції пікопланктона методологічно виправдане. Проблема недостатньої чутливості методу може бути вирішена за допомогою концентрування клітин на нітроцелюлозну мембрану безпосередньо перед проведенням вимірювань. Тривалість готування проби й мікрокалориметрії - від 60 до 90 хв.

2. Мікробні процеси, що протікають у вимірювальній ампулі (утримуючої фільтрат морської води й мембрану з обложеними на ній мікроорганізмами) на тимчасовій шкалі від декількох годин до декількох доби після концентрування проби, включають: експорт (змив і міграцію) клітин з мембрани у фільтрат; ріст клітин на мембрані й у фільтраті; інгібування метаболізму клітин пропорційно до їхньої чисельності на мембрані; лізис клітин на мембрані.

3. Форма теплопродукційних кривих (тепловий патерн), одержуваних для даної проби пікопланктона, змінюється закономірно й передбачувано при збільшенні фильтруемого об’єму води (і, відповідно, збільшенні чисельності мікроорганізмів на мембрані). Ці зміни можуть пояснюватися концепцією процесів, представленою вище (п. 2) і задовільно описані математично.

4. Теплопродукційні криві, одержувані в ході багатогодинних експериментів, відображають сумарний метаболізм обох «популяцій» клітин, сконцентрованих на мембрані й суспендованих у воді, причому внесок останніх у загальну теплопродукцію зростає з часом.

5. Запропоновано наступні шляхи підвищення якості оцінок інтенсивності теплопродукції пікопланктона: А. Розрахунок з поправкою на придушення бактеріального метаболізму внаслідок концентрування клітин на мембрані. Б. Вибір об’єму фільтрації, при якому чисельність бактерій на мембрані становить близько 10⁸ кл., тобто досить велика для коректного виміру їхньої теплопродукції, і, у той же час, досить низка, щоб уникнути інгібування бактеріального метаболізму.

6. Не встановлено статистично достовірної залежності питомих потоків енергії через угруповання гетеротрофного пікопланктона від його розмірної структури (середнього розміру клітин). З результатів мікрокалоріметрії слідує, що пул ультрамікобактерій включає як спочиваючі (копіотрофи), так і фізіологічно активні бактеріальні клітини (олігобактерії).

7. Старіння накопичувальної культури гетеротрофного пікопланктона протягом 105 днів культивування супроводжувалося зменшенням середнього розміру бактеріальних клітин з 1,1 до 0,1 мкм³ і зниженням їхньої питомої теплопродукції на 3 порядки до значень, які ніколи не спостерігалися в природі (< 1 фВт кл^-1).

8. Метод розбавлень у його новій модифікації дозволяє: а) вимірювати швидкості росту й виїдання бактеріопланктону найпростішими з більшою точністю, ніж традиційний метод; б) досліджувати смертність і продукцію эпібактерій, що населяють планктонні агрегати, тобто одержувати інформацію про функціонування детритного харчового ланцюга.

9. У морський прибережної екосистемі питомі швидкості росту й виїдання бактерій нано- і мікрогетеротрофами у планктонних агрегатах були в 1,5-2 рази вище, ніж поза ними, у навколишній воді.

10. Активний ріст копіотрофних бактерій, спостережуваний у фемтофракції планктона після її концентрування, міг пояснити менш 10% загальної кількості теплової енергії, дисипованої фракцією за 24 год. Виходячи із цього, зроблений висновок, що більша частина теплопродукції фемтофракції обумовлена позаклітинними процесами, приблизно, гідролізом високомолекулярних органічних сполук. Якщо гіпотеза знайде підтвердження, мікрокалориметричний метод відкриє нові можливості у вимірі інтегральної активності бактеріальних екзоферментів у водних екосистемах.

11. Дослідженнями двох морських екосистем з різним температурним режимом і рівнем евтрофування встановлено, що: а) температура істотно впливала на інтенсивність метаболізму бактерій і сумарні трати угруповання бактеріопланктона на обмін (тобто потоки енергії); б) добова продукція біомаси бактеріопланктона (тобто потік речовини) була достовірно вищою в евтрофованій екосистемі незалежно від температурних умов; в) швидкість продукції ентропії угрупованням бактеріопланктона в одиниці об'єму води була вищою в евтрофованій екосистемі; г) відмінності екосистем по величині питомої дисипативної функції не було виявлено.

12. Інтенсивність теплопродукції пікопланктону в морських екосистемах становила в різні сезони від 2 до 75 фВт кл.^-1, у гіперсолоній водоймі у весняні місяці – не перевищувала 25 фВт кл.^-1. Апроксимація цього показника для морських эпібактерій, що населяють планктонні агрегати, склала 100 фВт кл.^-1.

13. Яскраво виражений дисбаланс (до 80:1) між фотоавтотрофними (первинною продукцією) і гетеротрофними (мінералізацією) процесами у водній товщі мілководної гіперсолоної водойми, спостережуваний у весняні місяці у період розвитку плаваючих матів кладофори, свідчив про низку ефективність планктонної мікробної «петлі». У результаті цього практично вся органічна речовина матів депонувалася у донних опадах.

14. Мікрокалориметрія й метод готування проб пікопланктону з повторними циклами фільтрації можуть бути використані в дослідженнях вірусної «петлі», зокрема, для оцінки її енергетичного бюджету.

Публікації автора:

1. Муханов В.С., Рылькова О.А., Лопухина О.А., Кемп Р.Б. Диссипация энергии, продуктивность и скорость оборота биомассы в сообществе бактериопланктона: сравнительные исследования двух водных экосистем. // Экология моря. – 2000. – Вып. 52. – С. 12 – 17.

2. Муханов В.С., Кирин М.П., Поликарпов И.Г. Кинетика роста и выедания бактериального населения планктонных агрегатов: оценка с помощью метода разбавлений. // Экология моря. – 2001. – Вып. 55. – С. 45 – 49.

3. Mukhanov V.S., Rylkova O.A., Lopukhina O.A., Kemp R.B. Productivity and thermodynamics of marine bacterioplankton: an inter-ecosystem comparison. // Thermochim. Acta. – 2003. – Vol. 397. – P. 31 – 35.

4. Mukhanov V.S., Naidanova O.G., Shadrin N.V., Kemp R.B. The spring energy budget of the algal mat community in a Crimean hypersaline lake determined by microcalorimetry. // Aquat. Ecol. – 2004. – Vol. 38. – P. 375 – 385.

5. Муханов В.С. Правила Клейбера и Рубнера в приложении к метаболической активности микропланктона. // Экология моря. – 2005. – Вып. 68. – С. 76.

6. Mukhanov V.S., Kemp, R.B. Microcalorimetry of the smallest plankton fraction: In search for the sources of heat dissipation // Морс. екол. журн. (Mar. Ecol. J.). – 2005. – Спец. вип. 1. – С. 84 – 98 (in English).

7. Mukhanov V.S., Kemp R.B. Simultaneous photocalorimetric and oxygen polarographic measurements on Dunaliella maritima cells reveal a thermal discrepancy that could be due to nonphotochemical quenching // Thermochim. Acta. – 2006. – Vol. 446. – P. 11 – 19.

8. Mukhanov V.S., Naidanova O.G., Lopukhina O.A., Kemp R.B. Cell-, biovolume- and biosurface-specific energy fluxes through marine picoplankton as a function of the assemblage size structure // Thermochim. Acta. – 2007. – Vol. 458. – P. 23 – 33.

9. Муханов В.С., Кирин М.П., Поликарпов И.Г. Кинетика роста и выедания бактериального населения планктонных агрегатов //Тез. докл. на Междун. Конф. Молодых ученых «Понт Эвксинский 2000» (Севастополь, 16-18 мая 2000 г.). - Севастополь, 2000. – С. 43 – 44.

10. Муханов В.С., Лопухина О.А., Рылькова О.А. Кемп Р.Б. Микрокалориметрия естественного сообщества бактериопланктона: методологическое исследование //Тез. докл. на Междун. Конф. Молодых ученых «Понт Эвксинский 2000» (Севастополь, 16-18 мая 2000 г.). – Севастополь, 2000. – С. 45 – 46.

11. Муханов В.С., Рылькова О.А. Гаврилова Н.А. Лопухина О.А. Кемп Р.Б. Диссипация энергии, продуктивность и скорость оборота биомассы в сообществе бактериопланктон: сравнительные исследования двух водных экосистем. // Тез. докл. на Междун. Конф. Молодых ученых «Понт Эвксинский 2000» (Севастополь, 16-18 мая 2000 г.). – Севастополь, 2000. – С. 54 – 55.

12. Mukhanov V.S., Rylkova O.A., Lopukhina O.A., Kemp R.B. The microcalorimetry of the natural bacterioplankton: a methodological investigation // 3^rd INTAS Interdisciplinary Symposium on “General Biochemistry, Biotechnology and Environment” (Moscow, 14-17 Dec. 2000). – M.: Moscow University, 2000. – P. 12 – 13.

13. Mukhanov, V.S, Kemp, R.B. Lopukhina, O.A., Naidanova, O.G. & Lopukhin, A.S. Bioenergetics of Pelagic Marine Bacteria in Relation to their Size Distribution // 4^th INTAS Interdisciplinary Symposium on “Physical and Chemical Methods in Biology, Medicine and Environment” (Moscow, May 30^th - June 3rd, 2001). – M.: Moscow University, 2001. – P. 45 – 46.

14. Mukhanov V.S., Rylkova O.A., Lopukhina O.A., Kemp R.B. Productivity and thermodynamics of marine bacterioplankton: an inter-ecosystem comparison // XIIth ISBC Conf. “Calorimetry: a tool in health and environmental studies” (Santiago de Compostela, Spain, 7-11 Sept. 2001). – Santiago de Compostela, 2001. – P. 38.

15. Mukhanov V.S., Naidanova O.G., Shadrin N.V., Lopukhin A.S., Kemp R.B. (2002) The Crimean hypersaline lakes: I. Bioenergetics of the microbial community and the sedimentation-to-mineralization ratio // 8^th International Conference on Salt Lakes (Zhemchuzhny, Republic of Khakasia, Russia, 23-26 July 2002). – Zhemchuzhny, 2002. – P. 55.

16. Муханов В.С., Кемп Р.Б. Микрокалориметрия: перспективы использования в микробиальной экологии и биотермодинамике // Понт Эвксинский III: Тез. конф. молодых ученых по проблемам Черного и Азовского морей (Севастополь, 27-30 мая 2003 г.). – Севастополь, 2003. – С. 74-76.

17. Mukhanov V.S., Kemp, R.B. Femto- versus picobacteria: Which is the major contributor to the energy budget of the plankton microbial loop? // XIII^th Conf. of the Intern. Soc. for Biol. Calorimetry (ISBC) “Energetics of Adaptation and Development. From Molecular Mechanisms to Clinical Practice”: Abstr. (Wrzburg / Veitshchheim, Germany, Sept., 27 – Oct., 01, 2003). – Wrzburg, 2003. – P. 34.

18. Mukhanov V.S., Naidanova O.G., Shadrin N.V., Kemp R.B.The spring energy budget of the algal mat community in a Crimean hypersaline lake // XIII^th Conf. of the Intern. Soc. for Biol. Calorimetry (ISBC) “Energetics of Adaptation and Development. From Molecular Mechanisms to Clinical Practice”: Abstr. (Wrzburg / Veitshchheim, Germany, Sept., 27 – Oct., 01, 2003). – Wrzburg, 2003. – P. 66.

19. Mukhanov V.S., Anesio A.M., Kemp R.B. Viral control of material flows, the energy budget and the efficiency of the planktonic microbial loop in the coastal waters of Cardigan bay // Proc. Int. Conf. “Aquatic Ecology at the Dawn of XXI Century” in honor of the 100th anniv. of Prof. G.G. Winberg (St. Petersburg, Russia, 3-7 Oct. 2005). – St. Petersburg, 2005. – P. 37.

20. Mukhanov V.S., Naidanova O.G., Lopukhina O.A., Kemp R.B. Vector and scalar heat fluxes of marine bacteria as a function of their cell size // Proc. XIVth Conf. Intern. Soc. for Biol. Calorimetry (ISBC) “The Amber ISBC” (Sopot, Poland, 2 – 6 June 2006). – Sopot, 2006. – P. 55 – 56.