Kurkime ateitį drauge!

Dr. Zita Gasiūnaitė

Baltijos pajurio aplinkos tyrimu ir planavimo instututas (BPATPI)

Ko nejaudina azoto trūkumas: melsvabakterių gudrybės

 

Kiekvienam vandenyje gyvenančiam autotrofiniam organizmui yra būtinos mineralinės maistmedžiagės: vadinamieji mikroelementai (azotas, fosforas, siera, kalis, kalcis, magnis, geležis) ir mikroelementai (manganas, cinkas, varis, molibdenas ir kt.). Nuo šių medžiagų koncentracijos ir proporcijų priklauso populiacijų augimo galimybės bei tarprūšinės konkurencijos rezultatai, kurie, savo ruožtu, lemia bendrijų rūšinę sudėtį, sezoninę dominantų  kaitą ir pan.

 

Sugebantis greitai daugintis fitoplanktonas keičia maistmedžiagių koncentraciją vandenyje ir labai jautriai pats į tą kaitą reaguoja. Pavyzdžiui, pavasarį, kai didžioji dalis organinės medžiagos yra mineralizuota, o išlaisvintos maistmedžiagės yra pasklidusios po visą vandens storymę, susidaro itin geros sąlygos fitoplanktono augimui. Tuo metu dažname vandens telkinyje yra stebimas šaltamėgių rūšių (paprastai titnaginių dumblių) gausumo maksimumas. Šie dumbliai „išvalgo“ visas būtinąsias maistmedžiages ir palaipsniui išnyksta iš planktono- sistema pereina į „švaraus vandens“ fazę. Dalį pavasarinio augimo metu pagamintos organinės medžiagos suvartoja planktono filtratoriai, dalis nusėda į dugną, kur ją skaido bakterijos.

 

 

1 pav. Jūrinės ir gėlavandenės kilmės planktono vėžiagyvių rūšių santykinis gausumas druskingumo gradiente Kuršių mariose.

Kitas fitoplanktono augimo pikas seka po „švaraus vandens“ fazės, vasarą. Skaidymo metu išlaisvintos maistmedžiagės jau vėl prieinamos dumbliams, vanduo šiltas, dienos ilgos, fotosintezei reikalingos saulės šviesos daug... Ir istorija vėl kartojasi- maistmedžiagių pradeda trūkti. Dažniausiai fitoplanktono organizmai susiduria su azoto arba fosforo trūkumu- viena iš šių dviejų maistmedžiagių gali tapti limituojančia konkrečiame vandens telkinyje.

 

Azoto trūkumui yra jautrios praktiškai visos fitoplanktono rūšys, išskyrus kai kurias išradingas melsvabakteres. Pastarosios paprastai vyrauja eutrofiniuose vandens telkiniuose, kuriuose yra pakankamai neorganinio fosforo.

 

Azotas sudaro iki 10% sauso melsvabakterių svorio, taigi, jo svarba šiai organizmų grupei yra neabejotina. Kyla natūralus klausimas iš kur jos tiek azoto sugeba gauti. Pasirodo, kad nepritekliaus laikotarpiu melsvabakterės tiesiog fiksuoja atmosferos azotą, tiesiogiai neprieinamą nei sausumos, nei vandens augalams. Visos azotą fiksuojančios melsvabakterės, kaip ir kiti azotą fiksuojantys mikroorganizmai turi deguoniui jautrų fermentą nitrogenazę, o atmosferos azotas joms gali būti vienintelis azoto šaltinis. Nitrogenazės sistemą sudaro dvi baltymų molekulės: azoferredoksinas (geležies turintis baltymas) ir molibdoferredoksinas (molibdeno ir geležies turintis baltymas). Tiesa, reikia pažymėti, kad azoto fiksacija energetiškai yra labai brangi.

 

Azotą fiksuojančios melsvabakterės yra skirstomos į tris grupes (Whitton, Potts, 2000):

 

Heterocistas turinčios melsvabakterės. Tai siūlinių melsvabakterių rūšys, turinčios specializuotas ląsteles- heterocistas, kurių pagalba yra erdviškai atskiriama fotosintezė ir azoto fiksacija. Heterocistos turi pakitusią storą ląstelės sienelę, negali vykdyti fotosintezės tačiau būtent čia yra fiksuojamas atmosferos azotas. Storoje sienelėje yra specialūs lipopolisacharidai, kurie riboja deguonies patekimą į heterocistą, o nedidelis kiekis deguonies, patenkantis į heterocistą yra sunaudojamas kvėpavimui. Taigi, heterocista yra anoksinė. Dėka heterocistų šios melsvabakterės yra geriausiai prisitaikiusios azoto fiksavimui ir gali augti aerobinėmis sąlygomis- tiek vandenyje, tiek sausumoje. Be to, jos gali būti ir simbiontinės, ir laisvai gyvenančios. Heterocistas turinčios melsvabakterės dažniausiai sutinkamos gėluose vandenyse, gali būti sutinkamos druskėtuose, bet yra retos jūrinėje aplinkoje. Tipiškos rūšys: Anabaena, Nostoc, Aphanizomenon, Nodularia, Calothrix, Scytonema.

 

 

2 pav. Heterocistas turinčios melsvabakterės - (nuotrauka, bus vėliau).

 

Anaerobinės heterocistų neturinčios melsvabakterės. Tiek siūlinės, tiek vienaląstės, neturi specializuotų ląstelių, todėl azotą fiksuoti gali tik anaerobinėmis sąlygomis. Taigi, norėdamos pasinaudoti azoto fiksavimo galimybe šios melsvabakterės turi vengti aerobinės aplinkos, kas, savo ruožtu, natūraliomis sąlygomis yra gana sudėtinga. Praktiškai vienintelė vieta, kur šios melsvabakterės gali realizuoti savo galimybes- negyvą organiką skaidančių mikroorganizmų sankaupos, kuriose deguonies dažnai nebūna. Tokioje aplinkoje paprastai yra sieros vandenilio, kuris azoto fiksacijai netrukdo. Rūšys: Plectonema boryanum, Oscillatoria limnetica, Synechococcus sp., daugelis kitų melsvabakterių.

 

Aerobinės heterocistų neturinčios melsvabakterės. Taip pat ir siūlinės, ir vienaląstės, tačiau skirtingai nuo antrosios grupės, jos gali fiksuoti atmosferos azotą aerobinėje aplinkoje. Kaip šios melsvabakterės išvengia kenksmingo nitrogenazei deguonies poveikio iki šiol nėra gerai žinoma. Rūšių, priklausančių šiai grupei, nėra daug, jos sutinkamos tiek sausumoje, tiek jūrose, bet ne gėluose vandenyse. Tipiški pavyzdžiai: Gloeotece, Oscillatoria, Trichodesmium, Lyngbya, Microcoleus.

 

Taigi, gebėjimas pasiimti atmosferos azotą suteikia melsvabakterėms neabejotiną pirmenybę konkurencijoje su kitais fitoplanktono organizmais, paprastai žymiai smulkesniais ir geriau prisitaikiusiais imti maistmedžiages iš aplinkos. Tuo tarpu mokslininkams, bandantiems kovoti su eutrofikacija reikia atkreipti dėmesį į tai, kad viskas priklauso nuo fosforo: jei jo pakanka, trūkstamą azotą žydėjimus sukeliančios melsvabakterės pasiims iš atmosferos. O ten jo šaltiniai neišsenkami...

 

Literatūra:

 

Gasiūnaitė, Z. R., A. C. Cardoso, A.-S. Heiskanen, P. Henriksen, P. Kauppila, I. Olenina, R. Pilkaitytė, I. Purina, Razinkovas A, Sagert, S., Schubert, H. and Wasmund, N., 2005, Seasonality of coastal phytoplankton in the Baltic Sea: influence of salinity and eutrophication, Estuarine, Coastal and Shelf Science, 65 (1-2): 239-252.

 

Hubbell,  D.H., Kidder, B. Biological Nitrogen Fixation. http://edis.ifas.ufl.edu/SS180

 

Whitton, B.A., Potts, M. 2000. The Ecology of Cyanobacteria. Their Diversity in Time and Space. Kluver Academic Publishers.

 


Naturales Scientiae Omnibus