plik do pobrania - Wydział Biologii UW

mgr Tomasz Adamczewski
Zakład Ekologii Mikroorganizmów UW
Autoreferat rozprawy doktorskiej
„Występowanie i zróżnicowanie morfologiczne bakterii oraz ich aktywność i produkcja biomasy
w jeziorach o różnej trofii wód”
Praca doktorska wykonana w Zakładzie Ekologii Mikroorganizmów (Instytut Botaniki, Wydział
Biologii, Uniwersytet Warszawski), pod kierunkiem Prof. dr hab. Ryszarda J. Chrósta.
Recenzenci:
– Prof dr hab. Wojciech Donderski (Zakład Mikrobiologii Środowiskowej i Biotechnologii,
Wydział Biologii i Nauk o Ziemi, Uniwersytet Mikołaja Kopernika w Toruniu);
– Prof. dr hab. Zbigniew Mudryk (Zakład Biologii Eksperymentalnej i Ochrony Środowiska,
Wydział Matematyczno-Przyrodniczy, Akademia Pomorska w Słupsku).
Zastosowanie najnowszych technik biochemiczno-molekularnych oraz analizy instrumentalnej
do badań ekofizjologii mikroorganizmów wodnych doprowadziło w ostatniej dekadzie do rewizji
poglądów na temat roli i znaczenia drobnoustrojów w funkcjonowaniu ekosystemów wodnych.
W chwili obecnej, jednym z najważniejszych zadań współczesnej ekologii i ekofizjologii
mikroorganizmów wodnych jest powiązanie wiedzy o strukturze bakteriocenoz (ilościowej,
morfologicznej, fizjologicznej, taksonomicznej) z ich funkcją w dynamicznie zmiennych warunkach
fizyko-chemicznych i biologicznych środowisk wodnych.
W naturalnych ekosystemach wodnych zespoły bakterii heterotroficznych podlegają dwóm
mechanizmom kontroli: (i) od podstawy piramidy troficznej (regulacja „bottom-up”), poprzez stężenie
i dostępność organicznych substratów pokarmowych i pierwiastków biogennych; (ii) od szczytu
piramidy troficznej (regulacja „top down”), poprzez presję pokarmową ze strony bakteriożernych
pierwotniaków, głównie nano- i mikrowiciowców oraz orzęsków (Rys. 1).
Mimo, iż koncepcja mechanizmów kontroli zespołów bakteryjnych jest powszechnie
przyjmowana w ekologii mikroorganizmów wodnych nadal nie przesądza ona definitywnie, który
z typów regulacji i w jakich warunkach troficznych wpływa, w głównej mierze, na kształtowanie
struktury bakteriocenoz w ekosystemach wodnych oraz intensywność procesów mikrobiologicznych
zachodzących przy ich udziale w obrębie pętli mikrobiologicznej.
Nadrzędnym celem niniejszej pracy była szczegółowa analiza liczebności, biomasy
i aktywności bakterioplanktonu oraz struktury wielkościowej i zróżnicowania morfologicznego
komórek bakteryjnych w wodach zróżnicowanych troficznie jezior Pojezierza Mazurskiego, w oparciu
o zaawansowane techniki komputerowej analizy obrazu mikroskopowego. Uzyskane wyniki badań
posłużyły do weryfikacji hipotez badawczych dotyczących wpływu mechanizmów kontroli „bottomup” i „top-down” na badane właściwości bakteriocenoz.
Rys. 1. Schemat mechanizmów kontroli „bottom-up” i „top-down” w obrębie pętli mikrobiologicznej
oraz ich oddziaływania na strukturę bakteriocenoz w naturalnych ekosystemach wodnych. Liniami
ciągłymi zaznaczono bezpośrednie oddziaływania na strukturę bakteriocenoz, liniami przerywanymi
– oddziaływania pośrednie.
Założone cele badawcze zrealizowano w oparciu o trzy, powiązane ze sobą etapy, obejmujące:
– badania „in situ” – w wodach powierzchniowych i przydennych ciągu 17, zróżnicowanych
troficznie jezior (od mezotrofii do hypereutrofii), wchodzących w skład kompleksu Wielkich Jezior
Mazurskich;
– badania eksperymentalne w modelowych układach „mesocosms” – służące określeniu wpływu
wzbogacenia wody jeziornej w mineralne i organiczne związki azotu i fosforu na strukturę
bakteriocenoz, z użyciem wody pochodzącej z mezotroficznego jeziora Kuc (kontrola „bottomup”);
– badania eksperymentalne w modelowych układach „microcosms” – służące ocenie wpływu
i roli heterotroficznych nanowiciowców (HNF) w kształtowaniu struktury bakteriocenoz, z użyciem
wody pochodzącej z eutroficznego Jeziora Mikołajskiego (kontrola „top down”).
Szczegółową analizę mikroskopową bakterioplanktonu (liczebność, biomasa, udział komórek
aktywnych metabolicznie, udział klas wielkości komórek bakteryjnych w liczebności i biomasie
– „size and biomass distribution” oraz zróżnicowanie morfologiczne komórek bakterii – długość,
szerokość, współczynniki kształtu) przeprowadzono w oparciu o system komputerowej analizy obrazu
mikroskopowego (KAOM) i oprogramowanie LUCIA General 4.8, z użyciem barwników
fluoroforowych (DAPI, LIVE/DEAD).
Opracowana i wdrożona do standardowych analiz mikrobiologicznych metodyka
automatycznego zliczania i pomiarów komórek bakterii pozwoliła na znaczne skrócenie czasu analiz
preparatów mikroskopowych, w porównaniu do metod tradycyjnych, zapewniła obiektywizację
procesu zliczania, dużą powtarzalność i odtwarzalność uzyskiwanych wyników oraz uzyskanie
statystycznie wiarygodnych i pozbawionych subiektywnego błędu danych.
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
W badaniach przeprowadzonych w gradiencie troficznym jezior wykazano:
występowanie bardzo licznych i drobnych bakterii (o objętości komórek < 0.1 µm3), których
ujawnienie w istotny sposób modyfikuje dotychczasowe oceny ilościowe bakterioplanktonu
w wodach badanych jezior;
największe różnice w strukturze bakteriocenoz i intensywności procesów mikrobiologicznych
stwierdzono pomiędzy warstwą powierzchniową i przydenną badanych wód, co potwierdza
zróżnicowany w obu warstwach wód wpływ wód czynników abiotycznych i biotycznych;
szczegółowa analiza obrazów mikroskopowych wykazała istotne statystycznie różnice
w wymiarach komórek bakteryjnych pochodzących z warstw powierzchniowych i przydennych,
przy czym różnice te najwyraźniej uwidaczniały się w obrębie komórek bakterii aktywnych
metabolicznie (MEM+);
w badanych jeziorach stwierdzono niską liczebność bakterii MEM+, przy czym ich udział
w warstwie powierzchniowej (9%) był niższy niż w przydennej (14%);
stwierdzono pozytywną korelację pomiędzy liczebnością i biomasą bakterii oraz tempem produkcji
biomasy bakteryjnej a indeksem stanu troficznego badanych jezior;
przeprowadzona analiza regresji wielokrotnej wykazała istnienie ścisłego związku pomiędzy
stężeniem chlorofilu a a liczebnością i biomasą bakterii, udziałem bakterii MEM+ oraz
aktywnością aminopeptydazy, jak również pomiędzy stężeniem DOC a tempem produkcji i czasem
odnowy biomasy bakteryjnej.
W badaniach przeprowadzonych w układach eksperymentalnych „mesocosms” wykazano:
wyraźne zróżnicowanie właściwości bakteriocenoz oraz tempa procesów mikrobiologicznych
w poszczególnych wariantach eksperymentalnych uwarunkowane różnym stężeniem i rodzajem
dodawanych związków;
stwierdzono spowolnioną reakcję bakteriocenoz na wzbogacenie wody w związki mineralne oraz
gwałtowną reakcję w układach wzbogaconych w związki organiczne;
najbardziej wyraźne zmiany w strukturze bakteriocenoz stwierdzono w układach z jednoczesnym
wzbogaceniem w mineralne bądź organiczne związki N i P;
szczególnie wysoki (4 – 5 krotny) wzrost wielkości badanych parametrów (liczebność i biomasa
bakterii, tempo produkcji wtórnej) odnotowano w układach wzbogaconych w DNA, co wskazuje na
istotną rolę kwasów nukleinowych występujących w wodach jezior jako źródła P oraz innych
prekursorów wykorzystywanych przez bakterie.
W badaniach przeprowadzonych w układach eksperymentalnych „microcosms” wykazano, że:
– aktywność pokarmowa heterotroficznych nanowiciowców (HNF) skutkuje bezpośrednio spadkiem
liczebności bakterii oraz zmniejszeniem udziału komórek aktywnych metabolicznie (MEM+);
– selektywna presja pokarmowa HNF doprowadza do przebudowy struktury morfologicznej bakterii,
przyczyniając się do zmian rozmiarów komórek bakterii i wzrostu wielkości ich biomasy a także
rozwoju form opornych na wyjadanie (tzw. „grazing-resistant” lub „grazing-protected”), których
pojawienie się uwarunkowane jest nie tylko bezpośrednią presją pokarmową HNF, ale wynikać
może również, pośrednio, z obecności związków chemicznych wydzielanych podczas procesów
trawienia komórek bakterii przez komórki HNF (tzw. indukcja chemiczna plastyczności
fenotypowej komórek), bądź też stężenia i dostępności substratów pokarmowych (tzw. indukcja
substratowa plastyczności);
– spośród testowanych metod służących eliminacji bądź ograniczeniu presji pokarmowej ze strony
bakteriożernych pierwotniaków na bakterie (frakcjonowanie, rozcieńczenie, inhibicja) jedynie
zastosowanie inhibitorów eukariotycznych specyficznych dla HNF (cykloheksimidu i kolchicyny)
w największym stopniu ograniczyło aktywność pokarmową form wegetatywnych HNF oraz rozwój
obecnych w wodzie cyst, bez ich wyraźnego wpływu na aktywność metaboliczną bakterii i tempo
produkcji biomasy;
– pozostałe metody (frakcjonowanie, rozcieńczenie) nie tylko nie ograniczyły presji pokarmowej
HNF na bakterie, ale również naruszały istotnie naturalną strukturę bakteriocenoz (udział bakterii
swobodnie pływających i osiadłych), przez co ich przydatność w badaniach środowiskowych jest
mocno ograniczona.
Podsumowując uzyskane wyniki badań należy stwierdzić, że struktura badanych bakteriocenoz
(ilościowa, wielkościowa, morfologiczna, fizjologiczna, taksonomiczna) podlegała zróżnicowaniu
i dynamice będącej wynikiem jednoczesnego lub naprzemiennego oddziaływania dwóch
mechanizmów kontroli w obrębie pętli mikrobiologicznej – od podstawy piramidy troficznej („bottomup”) oraz od jej szczytu („top-down”). Z uwagi na ścisły związek pomiędzy ww. mechanizmami,
w rozważaniach nad rolą czynników abiotycznych i biotycznych w kształtowaniu badanych
właściwości bakteriocenoz w wodach jezior o różnej trofii nie należy ich traktować jako wzajemnie
wykluczających się alternatyw, jednakże z faktu ich jednoczesnego oddziaływania nie wynika
jednoznacznie, że są one jednakowo istotne.
Część przedstawionych w pracy doktorskiej wyników badań weszło w skład publikacji:
1. Chróst R.J., Adamczewski T., Kalinowska K., Skowrońska A. 2009. Abundance and structure of
microbial loop components (bacteria and protists) in lakes of different trophic status. J. Microbiol.
Biotechnol. 19 (9): 858-868;
2. Chróst R.J., Adamczewski T., Kalinowska K., Skowrońska A. 2009. Inorganic phosphorus and
nitrogen modify composition and diversity of microbial communities in water of mesotrophic lake.
Pol. J. Microbiol. 58 (1): 77-90;
3. Chróst R.J., Adamczewski T., Kalinowska K., Skowrońska A. 2009. Effect of organic phosphorus
and nitrogen enrichment of mesotrophic lake water on dynamics and diversity of planktonic
microbial communities – DNA and protein case studies. Pol. J. Microbiol. 58 (2): 163-180;
4. Adamczewski T., Chróst R.J., Kalinowska K., Skowrońska A. 2010. Relationships between
bacteria and heterotrophic nanoflagellates in lake water examined by means of different techniques
controlling grazing pressure. Aquat. Microb. Ecol. (in press)