Кубанский государственный технологический университет

Чтобы свести баланс азота, надо правильно посчитать фитопланктон

30-11-2011
Колонии Trichodesmium разной формы. Вверху «пуховка» (puff), внизу — «пучок» (tuft). Нижняя фотография сделана под большим увеличением — видно, что нити (трихомы) состоят из отдельных клеток. Фото с сайтов microscope.mbl.edu и www.

veda.cz

Азотфиксирующие цианобактерии (сине-зеленые «водоросли»), по-видимому, связывают в океане в 2-3 раза больше атмосферного азота, чем считалось ранее. К такому выводу пришли сотрудники Океанографического института в Вудс-Хоуле, применив принципиально новый подход к оценке численности морского фитопланктона. Вместо обычно используемых планктонных сетей, отфильтровывающих планктон из толщи воды и доставляющих его на борт судна, они спустили под воду микроскоп, снабженный видеокамерой, и протащили его на буксире через весь Атлантический океан — от Азорских островов до Бермудских. В результате были получены серии огромного числа снимков, на которых автоматически распознавались колонии Trichodesmium — самых массовых азотфиксаторов тропических и субтропических районов Мирового океана. Их численность оказалась значительно выше той, что была рассчитана на основе традиционного анализа планктонных проб.

Первичная продукция тропических и субтропических районов океана крайне низкая. Фитопланктону (микроскопическим водорослям и цианобактериям) не хватает здесь элементов минерального питания — прежде всего азота и фосфора. Однако эти низкопродуктивные акватории занимают огромные площади и поэтому играют важную роль в глобальном круговороте биогенных элементов. Общий баланс азота в океане известен только приблизительно, а если говорить честно — то его «расходные» и «доходные» статьи не сходятся. Отсюда — непрекращающиеся попытки исследователей уточнить цифры, характеризующие потоки этого элемента в океанической среде. В статье, недавно опубликованной в журнале Science, говорится о принципиально новом подходе в оценке численности цианобактерий рода Trichodesmium — важнейших азотфиксаторов в тропических и субтропических районах Мирового океана.

Азот, один из основных биогенных элементов, в минеральной, доступной для фитопланктона форме поступает в верхние освещенные слои океана с континентов и из глубинных слоев водной толщи. Подобная «подпитка» фитопланктона совершенно необходима, поскольку значительная часть синтезированного им органического вещества опускается вниз — в глубинную часть водной толщи. По существующим оценкам, этот экспорт азота из поверхностных вод составляет около 420 Тг (тераграммов; 1 Тг = 1 × 1012 г = 1 млн тонн) в год. Годовой приток азота с речными водами оценивается как 80 Тг, попадание его из атмосферы (с пылью и осадками) — как 60 Тг, а поступление с подъемом глубинных вод (в районах апвеллинга) — как 90 Тг. Очевидно, что отток существенно превышает суммарный приток. Правда, здесь не учтен еще один очень важный источник поступления азота, а именно деятельность азотфиксирующих цианобактерий.

12г. Рисунок из статьи Z.S.Kolber. На схеме изображен корабль и соединенная с ним подводная видеокамера. Стрелками обозначены основные потоки азота в поверхностных слоях океана, где идет фотосинтез фитопланктона (photosynthetic activity). Азот поступает с пылью и осадками из атмосферы (atmospheric deposition), с речным стоком (input from river), с подъемом глубинных вод (upwelling of deep-ocean nitrogen), а также из атмосферы за счет азотфиксации цианобактериями (nitrogen fixation). Вынос азота из поверхностных вод в глубинные (nitrogen sink) показан стрелкой вниз. Подведение баланса приходных и расходных статей выявляет нехватку поступления азота (missing nitrogen). Все цифры — потоки в Тг (тераграммах) в год. Тг = 1012г. Рисунок из статьи Z.S.Kolber. Getting a better picture of the ocean's nitrogen budget. Science. V.312. P.1479-1480

Азотфиксация, связывание атмосферного азота и превращение его в форму, доступную для использования организмами, — древнейший биосферный процесс, осуществляемый исключительно прокариотами. По-видимому, весь азот, циркулирующий в мире живых организмов, исходно был связан цианобактериями. Но процесс этот требует огромных энергетических затрат — ведь надо разорвать прочную тройную связь в молекуле N2. Кроме того, азотфиксаторам нужно в немалых количествах железо — этот элемент входит в состав нитрогеназы — ферментного комплекса, ответственного за связывание азота, а железа в океане часто не хватает, особенно в районах, удаленных от материков.

Планктонная сеть — традиционное орудие лова планктона (фото с сайта www.esf.edu)

Существующие оценки азотфиксации в океане сильно варьируют, но обычно принимаемая цифра — это 90 Тг азота в год. Если прибавить этот азот к другим источникам поступления его в поверхностные воды, то всё равно «расходная статья» остается выше «доходной». Не исключено, что мы просто недооцениваем численность азотфиксирующих цианобактерий, даже таких образующих крупные колонии видов, как представители рода Trichodesmium. Принципиально новый подход к оценке количества Trichodesmium применили недавно Кэбел Дэвис и Деннис Макгилликади из Океанографического института в Вудс-Хоуле. Вместо традиционных ловов планктонными сетями (процедуры, нередко разрушающей колонии водорослей и цианобактерий) они стали считать фитопланктон непосредственно в водной толще, не поднимая его на поверхность.

Для этого под воду спустили видеокамеру, связанную кабелем с кораблем. Камера делала 30 снимков в секунду, а ее линзы охватывали поле шириной 1,2 см с глубиной резкости 11,88 мм. Камеру буксировали за кораблем, причем вся спускаемая за борт конструкция была устроена таким образом, что по мере движения судна автоматически поднималась к поверхности, потом опускалась на глубину 130 м и поднималась снова, то есть описывала синусоиду, сканируя весь поверхностный слой водной толщи. Интервалы между снимками составляли 3,3 см по вертикали и 20 см по горизонтали. Анализ изображений проводился автоматически, при этом отдельно учитывались колонии в форме «пуховки» (puffs) и в форме «пучков» (tufts). За научно-исследовательским судном «Кнорр» камера, снимающая планктон, была пробуксирована с востока на запад почти через весь Атлантический океан — от Азорских островов до Бермудских, а потом на северо-запад до полуострова Кейп-Код (до Вудс-Хоула).

А это «видео-планктон-рекордер» — видеокамера, опускаемая под воду для непосредственного учета планктона, оказавшегося перед ее объективом. Прибор разработан в Океанографическом институте в Вудс-Хоуле. Фото с сайта zooplankton.lsu.edu

Анализ полученных данных показал, что численность колоний Trichodesmium, оцененная традиционным способом, была явно заниженной (по крайней мере в два-три раза). Кроме того, обнаружилось, что колонии весьма устойчивы к воздействию штормов. Расчет интенсивности процесса азотфиксации по новым данным (с учетом разной глубины нахождения цианобактерий, и соответственно, разной обеспеченности светом) показал, что она в 2,7–7,0 раз (по другой модели расчета — в 2,9–3,3 раз) выше, чем предполагалось ранее. Таким образом «сводимость» баланса азота в поверхностных слоях океана стала существенно лучше.

Источник: Cabell S. Davis, Dennis J. McGillicuddy Jr. Transatlantic abundance of the N2-fixing colonial сyanobacterium Trichodesmium // Science. 2006. V. 312. P. 1517–1520.

Алексей Гиляров

‹‹