Экология сообществ обрастаний фототрофов в подземных полостях

ГЛАВА 1. ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ СООБЩЕСТВ
ОБРАСТАНИЙ, ХАРАКТЕРНЫХ ДЛЯ ПЕЩЕР

На основании данных литературы проанализированы: специфика подземных
местообитаний, экологические условия и ресурсы пещер, биоразнообразие
сообществ обрастаний подземных экосистем, комплексы физиологических и
морфологических адаптаций фототрофов к условиям подземной среды.

ГЛАВА 2. ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Объекты исследования
Исследованы полости естественного (пещеры Республики Абхазия:
Новоафонская им. Г.Ш. Смыр, Голова Отапа, Аняшка, Мааникварская, грот
Симона Кананита) и искусственного происхождения (пещеры Воронежской
области; подземные кельи скального монастыря «Успение Божьей Матери»,
Республики Молдова). Исследования проводили в подземных полостях,
заложенных в известняковых, гипсовых или меловых породах. Объекты
различались по степени антропогенной нагрузки и наличию в них водных потоков.
Исследованные полости находятся в сходных климатических зонах и
характеризуются близкими микроклиматическими параметрами (табл.1).

Таблица 1 – Микроклиматические параметры исследованных полостей
ГОНААхАхАнНАСКВОСОМаа
(лф)(лф)(вход)(вход)
СO2800-
500-800 300-800 300-500 50012100 200-300 300200300
(ppm)1200
T
12-13 11-168-1410-25 14-12 -2 +30 -2 +30 12-15 17-20 -2 +30
(ºC)
Hвозд
72-86 96-98 65-100 60-65 96-100 60-100 20-100 60-80 45-65 86-100
(%)
Примечание: ГО – п. Голова Отапа, НА – п. Новоафонская, Ах – п. Ахштырская, Ан – п.
Аняшка, СК – грот Симона Кананита, ВО – пещеры Воронежской области, СО – кельи Старого
Орхея, Маа – п. Мааникварская, лф – ламповая флора.
Методы исследования
Анализ видового состава и структуры сообществ обрастаний. Для
культивирования водорослей и цианобактерий использовали среды Бристоля и
Громова №6 (Гайсина и др., 2008). Для выделения чистых культур применяли
метод стекол обрастаний (Нетрусов, 2005) и метод истончающегося штриха
(Гайсина и др., 2008). Водоросли и цианобактерии определяли с использованием
определителей отечественных и зарубежных авторов (Забелина и др., 1951;
Голлербах и др., 1953; Мошкова, Голлербах, 1986; Андреева, 1998; John, Whitton,
2002; Whitton, 2011; Komárek, Anagnostidis, 2005). Мохообразные определяли по
Игнатову, Игнатовой (2003, 2004). Систематика цианобактерий и водорослей
приведена по Гюри (http://www.algaebase.org).
Для экспериментов межвидовых взаимодействий выделяли штаммы
микромицетов из сообществ обрастаний, используя методы, рекомендованные для
почв (Нетрусов, 2005). Культивирование проводили на среде Чапека-Докса с
концентрацией сахарозы 10 г/л, при температуре пещеры и 24°С. По мере
образования колоний микромицетов, их выделяли в чистую культуру. Определение
видов проводили по Domsch et al. (2007), Ramirez (1982). Систематика
микромицетов приведена по базе данных http://www.mycobank.org.
Представленность видов оценивали по показателям относительного обилия,
относительной встречаемости и встречаемости видов на участках обрастаний в
пещерах. Обилие видов в пробах оценивали с применением окуляр-микрометра
или камеры Горяева. При высокой плотности организмов в образце из фрагментов
обрастаний готовили суспензию, при оценке обилия учитывали разведение.
Обилие видов в пробах оценивали по 5-бальной шкале (аналог шкалы Браун-
Бланке) и усредняли для каждого участка обрастания в каждый момент времени
проведения исследования (Мазина, Максимов, 2011). Доминирующими считали
виды, имеющие наибольшее относительное обилие.
Для оценки альфа-разнообразия применяли методы построения графиков
ранг/обилие и расчет индексов биоразнообразия (Мегарран, 1992). Использовали
индекс Симпсона D (1) и Шеннона H (2):
D   pi (1)
H   pi ln pi (2),
где pi – доля особей i-го вида (pi = ni /N).
Статистический анализ. Кластерный анализ сходства сообществ,
основанный на видовом составе, проводили с помощью программных пакетов
«Statistica», «SPSS Statistics». Для построения кластеров применяли метрику
Евклидова расстояния на основе значений встречаемости видов.
Для оценки сходства видового состава использовали индекс Жаккара и фи-
коэффициент (Шмидт, 1980). Строили диаграммы рассеяния по данным двух
индексов сходства для каждого кластера.
Методика совместного культивирования водорослей или цианобактерий
с микромицетами. Вариант 1: совместное культивирование микромицетов и
водорослей или цианобактерий, выделенных из сообществ одной пещеры.
Использовали шесть штаммов Ch. vulgaris Beyerinck, пять штаммов L. foveolara
(Gomont) Anagnostidis & Komárek, три штамма Nostoc punctiforme Hariot. В
качестве тест-объектов использовали штаммы микромицетов, выделенных из
фототрофных сообществ входной зоны: четыре штамма Sporotrichum pruinosum
Gilman & Abbott, пять штаммов Penicillium chrysogenum Thom и три штамма
Penicillium purpurogenum Stoll.
Совместное культивирование проводили на среде Чапекса-Докса с
добавлением среды Громова №6, концентрация сахарозы 0,3%. Культуру
водорослей наносили в центр чашки Петри в объеме 0,3 мкл; отступив 1 см от
водорослей, наносили микромицеты методом укола по три точки. Культивирование
проводили в темноте в течение 7 дней. Оценивали характер роста колоний
микромицетов.
Вариант 2: совместное культивирование микромицетов и водорослей или
цианобактерий, выделенных из пещер различных регионов. Использовали два
штамма цианобактерий N. punctiforme Hariot, один штамм Calothrix elenkinii
Kossinsk, два штамма L. boryana (Gom.) Anagn. & Kom., пять штаммов зеленых
водорослей вида Mychonastes homosphaera (Skuja) Kalina & Punc, а также три клона
вида Nitzschia palea (Kutz.) W. Sm., один клон Nitzschia sp. В качестве тест-объектов
использовали штаммы микромицетов, выделенных из сообществ фототрофов
входной зоны и ламповой флоры: по 2 штамма S. pruinosum, P. purpurogenum, P.
chrysogenum Thom и P. sp. Выбраны линии с оптимумом роста при +20°С.
Совместное культивирование проводили на смешанной 2%-й агарозной
картофельно-сахарозной среде (Сеги, 1983) и Громова №6 в соотношении 1:1. По
поверхности среды распределяли суспензию микромицетов 0,1 мл. Методом капли
вносили в четыре равноудаленных точки опытных чашек Петри суспензию
водорослей или цианобактерий. Образцы экспонировали в течение 7 суток без
освещения при +20°С. Контролем служили штаммы микромицетов и водорослей
или цианобактерий, культивированные по отдельности на опытной среде в
условиях, идентичных опытным. Оценивали характер роста колоний и
морфологию клеток водорослей или цианобактерий и микромицетов, морфологию
гиф грибов, а также особенности пограничной зоны между водорослями или
цианобактериями и микромицетами.
Методика определения влияния органических веществ на рост
водорослей и цианобактерий. В качестве объектов исследования выбраны
штаммы видов фототрофов-доминантов, выделенных из сообществ обрастаний
пещер: Ch. vulgaris НА.05.2018 (п. Новоафонская), St. bacillaris Ах.05.2019 (п.
Ахштырская), L. foveolara НА.05.2018 (п. Новоафонская), S. drilosiphon НА.05.2018
(п. Новоафонская) – культивируемая форма без карбонатных чехлов. Исследовали
возможность использования водорослями и цианобактериями в качестве источника
углерода следующих органических веществ: глюкоза, мальтоза, глицерин, малат,
ацетат.
Водоросли предварительно культивировали на среде Бристоля. В начале
эксперимента определяли исходную оптическую плотность суспензий
контрольных культур. Отбирали аликвоты культур 1 мл для вариантов
эксперимента: а) без добавления органических веществ, на свету и в темноте
(контроль); б) с добавлением органических веществ, на свету и в темноте (опыт).
Органические вещества использовали в концентрации 0,5% (масса/объем).
Через десять суток инкубацию завершали и проводили измерение оптической
плотности методом спектрофотометрии, рассчитывали удельную скорость роста µ:
µ=(Nt-No)/t,
где Nt и No – оптическая плотность клеток в начале и в конце эксперимента, t –
продолжительность эксперимента.
Методика определения температурных оптимумов видов фототрофов,
выделенных из пещер. Для исследования использованы штаммы Ch. vulgaris из
входных зон пещер с различными температурами и штаммы водорослей из
поверхностных местообитаний. Культуры выделяли на среде Бристоля, при
температуре полостей 4 °С, 9 °С и при 12 °С для образцов из поверхностных
местообитаний.
Проводили культивирование выделенных штаммов в линейке температур от
2 до 46 °С с шагом 2 °С (рис. 1). Аликвоту 1 мл высевали на среду, помещали в
термостатируемую ячейку с заданной температурой (точность 0,1 °С). Оценивали
среднюю скорость роста, сравнивая численность на 1 и 15 день культивирования.
Исследование проводили на культурах, которые находились в стадии
экспоненциального роста. Проводили измерение оптической плотности методом
спектрофотометрии, рассчитывали численность клеток.
Рисунок 1 – Схема эксперимента по выявлению температурных оптимумов

Алгоритм исследования
Ниже приведен алгоритм исследования экологических особенностей
сообществ обрастаний фототрофов подземных полостей (рис. 2).

5. Межвидовые взаимодействия в сообществах обрастаний фототрофов

Температурные оптимумы иМиксотрофия
экстремумы

3. Сравнительный4. Анализ эколого-физиологических особенностей видов
анализ сообществ

2. Оценка биоразнообразия
сообществ обрастаний
ВидовойДоминанты
фототрофов
состав
сообществ
1. Исследование биотопов подземных полостей: микроклиматические параметры,
субстраты
Рисунок 2 – Логическая схема исследования экологических особенностей
сообществ обрастаний фототрофов
ГЛАВА 3. БИОРАЗНООБРАЗИЕ СООБЩЕСТВ ОБРАСТАНИЙ
ФОТОТРОФОВ ПЕЩЕР

Таксономический анализ сообществ обрастаний фототрофов пещер.
Установлен видовой состав и структура сообществ фототрофов в исследуемых
подземных полостях. В пещерах Воронежской области выявлено 33 вида, в кельях
скального монастыря «Успение Божьей Матери» – 15 видов, в гроте Симона
Кананита – 28 видов, в п. Голова Отапа – 77 видов, в п. Аняшка – 24 вида, в п.
Мааникварская – 17 видов, в зоне естественного входа Новоафонской пещеры –
18 видов, в п. Ахштырская – 74 вида. Таксономическая структура сообществ
представлена на рис. 3. Виды отдела Cyanobacteria преобладали в большинстве
исследованных полостей. Доминирование цианобактерий в сообществах
фототрофов также выявлено в пещерах Европы (Selvi, Altuner, 2007; Czerwik-
Marcinkowska, Mrozińska, 2009, 2011; Cennamo et al., 2012; Popović et al., 2015).
Цианобактерии можно считать пионерными в генезисе подземных сообществ,
поскольку некоторые из них способны фиксировать атмосферный азот (Gallon et
al., 1991), а также вырабатывать экзополимерные вещества (Stal, 2000).

MagnoliophytaPteridophytaBryophytaCyanobacteriaBacillariophyta
ChlorophytaRhodophytaOchrophytaMarchantiophyta
100%
90%
80%
70%
60%
50%
40%
30%
20%
10%
0%

Рисунок 3 – Таксономическая структура сообществ фототрофов исследованных
полостей

Отмечено, что среди доминантов сообществ фототрофов исследованных
полостей (табл. 2,3, рис. 4 – 11) – один общий вид Ch. vulgaris. Зеленые водоросли,
относящиеся к роду Chlorella, обнаружены в пещерах Европы, Америки и
рассматриваются как убиквисты, космополиты, способные колонизировать
широкий спектр субстратов, независимо от микроклиматических параметров
местообитаний (Macedo et al., 2009).
Таблица 2 – Доминирующие виды фототрофов исследованных полостей
Относительное
Подземная полостьВид
обилие, %
Ch. vulgaris9,93
Протонема мхов9,27
Малые Дивы
Leptolyngbya boryana6,36
Chlorococcum infusionum4,77
Seligeria calcarea14,61
Протонема мхов10,11
Большие ДивыL. boryana10,11
Chlorococcum minutum10,11
Stichococcus minor10,11
Протонема мхов14,46
L. foveolara11,74
Пещера №3
Seligeria calcarea5,59
Ch. vulgaris5,94
L. foveolara17,14
Протонема мхов11,42
Пещера №4Leptolyngbya tenuis8,57
S. calcarea7,14
Jaaginema subtilissimum5,71
L. foveolara20
Пещера №5Протонема мхов11,43
S. calcarea7,14
L. foveolara17,14
Пещера №6Протонема мхов14,29
Jaaginema subtilissimum11,42
L. foveolara14,63
Пещера №7Протонема мхов12,19
L. tenuis7,32
Ch. vulgaris11,9
Chroococcus minutus7,14
Пещера №8J. subtilissimum,7,14
L. foveolara7,14
Anabaena minutissima7,14
Gloeocapsa punctata11,34
Nitzschia sp.5,31
Кельи Старого Орхея
Aphanocapsa muscicola4,26
Jaaginema angustissimum4,26
Chlorosarcinopsis minor7,44
Humidophila contenta7,44
Грот Симона Кананита
Ch. vulgaris6,19
Nostoc microscopicum5,77
Таблица 2 (продолжение)–Доминирующиевидыфототрофов
исследованных полостей
Hildenbrandia rivularis (поток)30
Marshantia polymorpha16
(орошаемая зона)
п. АняшкаCh.a vulgaris16
(орошаемая зона)
Barbula sp. (своды)6,89
Klebsormidium subtile (своды)6,89
Thamnobryum alopecurum8,70
H. contenta6,52
Естественный вход в п.
Brachythecium rutabulum6,52
Новоафонская
Anomodon attenuatus6,52
Amblystegium serpens6,52
T. alopecurum11,36
п. МааникварскаяNostoc microscopicum9,09
Ch. vulgaris9,09
Scytonema drilosiphon (своды)3,91
Tolypothrix calcarata (своды)3,91
Oscillatoria simplicissima(своды)3,91
Symploca muscorum (своды)3,91
п. Голова ОтапаAmphora sp. (поток)1,5
M. polymorpha (орошаемая зона)5,13
Ch. vulgaris5,13
(орошаемая зона)
Gloeocapsa rupestris (орошаемая зона)5,13

Рисунок 4 – Hildenbrandia rivularisРисунок 5 – Сообщество нитчатых
(п. Голова Отапа)цианобактерий (п. Голова Отапа)
Рисунок 6 – Популяции Nitzschia sp. иРисунок 7 – Amphora sp. в биопленке
Navicula sp.цианобактерий
(кельи Старого Орхея)(п. Голова Отапа)

Рисунок 8 – Potamolinea aerugineo-Рисунок 9 – Orthoseira roeseana
caerulea f. calcarea(грот Симона Кананита)
(п. Голова Отапа)

Рисунок 10 – Amphora sp.Рисунок 11 – Humidophila contenta
(п. Аняшка)(п. Ахштырская)
Оценка биоразнообразия сообществ фототрофов исследованных
полостей. Проведен расчет индексов биоразнообразия Шеннона и Симпсона для
сообществ фототрофов исследованных полостей (рис. 12). Наибольшее видовое
разнообразие (индекс Шеннона – 4,13; индекс Симпсона – 0,02) отмечено в п.
Голова Отапа, где максимальное количество биотопов различной степени
обводненности (r=0.56). Видовое разнообразие уменьшается и повышается
значимость доминантов в пещерах гротового типа, за исключением грота Симона
Кананита, что объясняется большим количеством биотопов в данной полости.
Наименьшее видовое разнообразие отмечено в кельях Старого Орхея (индекс
Шеннона – 2,21; индекс Симпсона – 0,09), что связано с низкой влажностью
субстратов (45-65%).

4,5
4Индекс СимпсонаИндекс Шеннона

3,5
2,5
1,5
0,5
Рисунок 12 – Индексы биоразнообразия сообществ исследованных подземных
полостей

Проведен корреляционный анализ зависимости видового разнообразия от
температуры, влажности, концентрация СО2 пещер. Отмечена низкая корреляция
между биоразнообразием фототрофов пещер и содержанием СО2 (r=0,019),
температурой воздуха (r=0,018), выявлена слабая положительная корреляция
между влажностью воздуха и биоразнообразием (r=0,6). В литературе обсуждается
влияние факторов различной природы на развитие фототрофных сообществ (Mulec
et al., 2008; Martınez, Asencio, 2010; Borderie et al., 2014; Lamprinou et al., 2014).
Отмечено, что наибольшее влияние на колонизацию субстратов фототрофами
оказывают освещенность, температура и наличие водных потоков (Виноградова и
др., 1998; Mulec et al., 2008; Martınez, Asencio, 2010). Размер, ориентация и
морфология входа, свойства субстратов, циркуляция воздуха, также определяют
формирование сообществ (Vinogradova et al., 2004; Martınez, Asencio, 2010;
Czerwik-Marcinkowska, 2013). Следует отметить, что авторы рассматривали
влияние экологических факторов на видовой состав сообществ, но не на
биоразнообразие в целом.

ГЛАВА 4. СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ СООБЩЕСТВ
ОБРАСТАНИЙ ФОТОТРОФОВ ПОДЗЕМНЫХ ПОЛОСТЕЙ

Пещеры гротового типа. В таксономической структуре подземных
полостей, заложенных в известняках, преобладали виды отдела Cyanobacteria. В
некоторых меловых пещерах выявлено доминирование видов Chlorophyta (рис. 13).
Общими для всех полостей были Ch. vulgaris и Chr. minutus.

BryophytaCyanobacteriaBacillariophytaChlorophyta
Количество видов (%)
20
МалыеБольшие ПещераПещераПещераПещераПещераПещераКельиГрот
ДивыДивы№3№4№5№6№7№8Старого Симона
Орхея Кананита

Рисунок 13 – Сравнение таксономической структуры пещер гротового типа

На основе встречаемости видов проведен кластерный анализ сообществ
фототрофов из пещер гротового типа настоящего исследования и сходных по
морфологии пещер Европы (Buczko´, Rajczy, 1989; Виноградова и др., 2009;
Cennamo et al., 2012). В результате выявлено четыре основных кластера (рис. 14).
В первый кластер вошли пещеры Воронежской области, во второй кластер – кельи
Старого Орхея и кельи Бакотского монастыря. Третий кластер образовали пещеры
Италии и Венгрии, а в четвертый кластер вошли гроты Украины и Абхазии. Эти
результаты подтверждают зависимость биоразнообразия фототрофов от
географической локации полостей в случае пещер со сходной морфологией
входной зоны.

Tree Diagram for 19 VariablesMD-Малые Дивы (РФ), BD
Single Linkage– Большие Дивы (РФ), SO –
Euclidean distancesкельиСтарогоОрхея
MD
(Молдова), BacMon –
No3БакотскийМонастырь
No4
No5
(Украина), SybC – Sybil’s
No6Cave (Италия), PisM –
No8
No7
Piscina Mirabilis (Италия),
BDKV – Kis Vizes-barlang
SO
BacMon
(Венгрия), NV – Nagy
SybCVizes-barlang(Венгрия),
PisM
KV
BO – Beremendi-ordoglyuk
NV(Венгрия), SK – грот
BO
SK
СимонаКананита
Zal(Абхазия), Zal – грот
Per
BacG
Залучанский(Украина),
Per – Товтра «Першак»
1234567891011
(Украина), BacG – грот
Linkage Distance
Бакотский (Украина)

Рисунок 14 – Кластерный анализ пещер гротового типа на основе
состава сообществ фототрофов

Пещеры-источники. Для сравнения выбраны пещеры-источники Абхазии:
Аняшка и Голова Отапа. Они различались по размерам и степени антропогенного
воздействия. В таксономической структуре обеих полостей преобладали
цианобактерии. Общими были виды L. foveolara, L. tenuis, L. voronichiniana,
Chroococcus minutus. В бриофлоре обнаружены общие виды: Fissidens bryoides, M.
polymorpha, Phyllitis scolopendrium. Единственным видом зеленых водорослей,
выявленным в обеих полостях, был вид Ch. vulgaris. Необходимо отметить, что в
водных потоках обеих пещер выявлен вид красной водоросли H. rivularis, который
крайне редко встречается в пещерах. Представители отдела Ochrophyta
обнаружены только в п. Голова Отапа.
В данных пещерах наличие водотока определило выделение трех зон: поток,
интенсивно орошаемая зона вблизи потока, своды пещеры. С помощью индекса
Жаккара выявлено сходство между видовым составом сообществ фототрофов,
развивающихся непосредственно в потоке и в интенсивно орошаемой зоне п.
Аняшка (индекс Жаккара Ijc=0,45), что объясняется небольшими размерами
полости и высоким расходом воды в паводок и межень, в результате чего
происходит постоянное интенсивное увлажнение орошаемой зоны. Иная ситуация
наблюдалась в п. Голове Отапа, где сходство биоразнообразия сообществ
фототрофов орошаемой зоны и зоны потока было низким (Ijc=0,16).
Сравнение сообществ фототрофов входной зоны и ламповой флоры.
Выявлено различие биоразнообразия сообществ ламповой флоры п. Новоафонская
и сообществ фототрофов входной зоны (индекс Жаккра Ijc=0,14) и сходство для
сообществ ламповой флоры и сообществ фототрофов входной зоны п. Ахштырская
(Ijc=0,96). В случае п. Ахштырская отмечена тенденция наибольшего сходства
видового состава и структуры сообществ с входной зоной у сообществ под
лампами, которые располагаются дискретно и находятся в тупиковых более-менее
замкнутых и менее проветриваемых гротообразных участках пещеры с
временными водотоками (рис. 15). Отмечено влияние освещенности, температуры,
относительной влажности, качества субстратов, наличия водных потоков на
развитие ламповой флоры (Mulec et al., 2008; Martinez & Asencio, 2010; Lamprinou
et al., 2014, Borderie et al., 2014). Обсуждаются варианты заноса пропагул и
сукцессия сообществ ламповой флоры (Abdullin, 2014; Mazina, 2016). В настоящем
исследовании впервые проведен анализ сходства сообществ из разных зон пещер в
давно оборудованных пещерах. Аналогичное сравнение на начальном этапе
развития ламповой флоры показало низкое сходство видового состава (Mazina &
Kozlova, 2018).

Рисунок 15 – Диаграммы
распределения, демонстрирующие
сходство сообществ вокруг источников
искусственного освещения и зоны
входа п. Ахштырская на основе: а)
полного видового состава, б) видового
состава высших растений, в) видового
состава водорослей и цианобактерий

*Примечание. Диаграммы рассеяния построены на основании индекса Жаккара и фи-
коэффициента
ГЛАВА 5. МЕЖВИДОВЫЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ В СООБЩЕСТВАХ
ОБРАСТАНИЙ ФОТОТРОФОВ И ЭКОФИЗИОЛОГИЧЕСКИЕ
ОСОБЕННОСТИ ВИДОВ ДОМИНАНТОВ

Межвидовые взаимодействия между водорослями / цианобактериями и
микромицетами, выделенными из сообществ обрастаний пещер. Выявлены
пары штаммов, демонстрирующие кооперацию или антибиоз. Определена
вероятность вариантов межвидовых взаимодействий между штаммами Ch. vulgaris,
L. foveolara, N. punctiforme и микромицетами, выделенными из сообществ одной
пещеры и сообществ пещер различных регионов. Проанализированы 273 пары
«микромицеты-водоросли». Анализ вероятностей проявления различных
вариантов взаимодействий выявил, что наибольшую способность к кооперации
имеют виды, выделенные из одного сообщества, меньшую способность – из разных
сообществ одной пещеры, наименьшую способность имеют виды, выделенные из
пещер разных регионов (рис. 16 – 18). Данные о межвидовых взаимодействиях в
сообществах пещер немногочисленны. Albertano, Urzi (1999) уставили кооперацию
между цианобактериями Scytonema julianum и актинобактериями рода
Streptomyces. Отмечено, что кооперация между автотрофами и гетеротрофами
обеспечивает успешную стратегию преодоления неблагоприятных условий,
предоставляя возможности для удовлетворения метаболических потребностей
(Paerl,1992).
АнтибиозКооперация
1,5
Вероятность
0,5
-0,5Одна пещера Разные пещеры Одна пещера Разные пещеры Одна пещера Разные пещеры
Sporotrichum pruinosumPenicillium chrysogenumPenicillium purpurogenum

Рисунок 16 – Вероятность кооперации и антибиоза между штаммами Ch. vulgaris
и микромицетами

АнтибиозКооперация
1,5
Вероятность
0,5
-0,5Одна пещера Разные пещеры Одна пещера Разные пещеры Одна пещера Разные пещеры
Sporotrichum pruinosumPenicillium chrysogenumPenicillium purpurogenum

Рисунок 17 – Вероятность кооперации и антибиоза между штаммами L. foveolara
и микромицетами
АнтибиозКооперация
1,5
Вероятность
0,5
-0,5Одна пещера Разные пещеры Одна пещера Разные пещеры Одна пещера Разные пещеры
Sporotrichum pruinosumPenicillium chrysogenumPenicillium purpurogenum

Рисунок 18 – Вероятность кооперации и антибиоза между штаммами N.
punctiforme и микромицетами
Температурные оптимумы и экстремумы фототрофных видов,
выделенных из пещер. Для штаммов Ch. vulgaris Вор.08.19, Ch. vulgaris Ах.04.19,
Ch. vulgaris НА.08.19, Ch. vulgaris СК.04.19, Ch. vulgaris Гот.04.19, выделенных из
подземных полостей с температурой 8-12 °С, температурные оптимумы
находились в пределах от 8 до 24 °С, в то время как для штаммов Ch. vulgaris
Вор.Р.08.19, Ch. vulgaris Мз.Р.08.19, Ch. vulgaris Пс.Р.08.19, Ch. vulgaris
Хаб.Р.08.19, Ch. vulgaris Мч.Р.08.19, выделенных из поверхностных
местообитания, но при аналогичной температуре 8-12 °С, температурные
оптимумы находились в пределах 20-24 °С. Для штаммов Ch. vulgaris Ил.07.19, Ch.
vulgaris Меж.07.19, Ch. vulgaris Кру.05.19, Ch. vulgaris Куй.09.19, Ch. vulgaris
Кас.05.19, выделенных из пещер с низкими положительными температурами (4-5
°С), зона экстремума находились в пределах 4-6 °С (рис. 19).

Штаммы, выделенные из подземных местообитаний (T= 8-12 °C)
Штаммы, выделенные из подземных местообитаний (T= 4-5 °C)
Штаммы, выделенные из поверхностных местообитаний (T= 8-12 °C)
0,40

0,35
Скорость роста (количество клеток/сутки)

0,30

0,25

0,20

0,15

0,10

0,05

0,00

-0,05
01020304050
Температура ( С)

Рисунок 19 – Кривые толерантности для штаммов Ch. vulgaris по
отношению к температурному фактору
Влияние органических веществ на рост водорослей и цианобактерий. В
результате эксперимента выявлено, что глюкоза, мальтоза, глицерин, малат, ацетат,
сахароза стимулируют рост штаммов Ch. vulgaris, St. bacillaris, L. foveolara, S.
drilosiphon (рис. 20 – 23). Наибольший рост отмечен на глюкозе и сахарозе.
Возрастание удельной скорости роста цианобактерий и водорослей, по сравнению
с культурами, экспонированными в темноте без добавления субстратов можно
объяснить включением углеводородов в метаболизм исследованных фототрофных
организмов. Данные Абдуллина, Багмет (2016) показывают, что Mychonastes
homosphaera (Skuja) Kalina et Punc и Nitzschia palea (Kütz.) W. Sm., способны
ассимилировать глюкозу и могут быть отнесены к миксотрофным штаммам.
Способность видов-доминатов переходить от автотрофного к гетеротрофному типу
питания дает преимущества для выживания видов в условиях недостатка
освещения. В олиготрофных условиях пещер источником органического вещества
для цианобактерий и водорослей могут быть вещества, находящиеся в
экзополимерной матрице биопленок, в которой могут накапливаться
полисахариды, липополисахариды, гликопротеины, липиды, гликолипиды,
жирные кислоты (Macedo et al., 2009; Keshari, Adhikary, 2013).

0,2
Удельная скорость

0,15
роста

0,1

0,05
глюкозамальтозаглицеринмалатацетатсахарозапептон

К_светСветК_теньТень

Рисунок 20 – Удельная скорость роста Ch. vulgaris на средах с добавлением
различных органических соединений
0,06
Удельная скорость

0,05
0,04
роста

0,03
0,02
0,01
глюкозамальтозаглицеринмалатацетатсахарозапептон

К_светСветК_теньТень

Рисунок 21 – Удельная скорость роста St. bacillaris на средах с добавлением
различных органических соединений
0,12
Удельная скорость0,1
роста0,08
0,06
0,04
0,02
глюкозамальтозаглицеринмалатацетатсахарозапептон

К_светСветК_теньТень

Рисунок 22 – Удельная скорость роста L. foveolara на средах с добавлением
различных органических соединений

0,2
Удельная скорость

0,15
роста

0,1

0,05
глюкозамальтозаглицеринмалатацетатсахарозапептон

К_светСветК_теньТень

Рисунок 23 – Удельная скорость роста S. drilosiphon на средах с добавлением
различных органических соединений
Примечание* К – контроль

ВЫВОДЫ
1.Выявлено 290 видов фототрофов в исследованных полостях: 33 – в
пещерах Воронежской области, 29 – в гроте Симона Кананита, 15 – в кельях
Старого Орхея, 77 – в пещере Голова Отапа, 24 – в пещере Аняшка, 21 – в
естественном входе Новоафонской пещеры, 17 – в пещере Мааникварская, 74 – в
пещере Ахштырская. Наибольшее видовое разнообразие установлено в
сообществах входной зоны п. Голова Отапа (индекс Симпсона D=0,02, индекс
Шеннона 4,13), где обнаружено максимальное количество биотопов.
Корреляционный анализ показал слабую положительную корреляцию между
влажностью воздуха и биоразнообразием фототрофов пещер (r=0,6). Выявлен
географический тренд биоразнообразия пещер гротового типа.
2.Сообщества, развивающиеся в условиях естественного и
искусственного освещения в п. Ахштырская сходны (индекс Жаккара Ijc=0,96). В
Новоафонской пещере отмечено различие (Ijc=0,14) между сообществами ламповой
флоры и сообществами естественного входа. Это обусловлено наличием
нескольких пространственно-разобщенных путей заноса видов фототрофов в
полость.
3.В парах штаммов Leptolyngbya foveolara и Penicillium сhrysogenum,
Sporotrichum pruinosum, Penicillium purpurogenum; Сhlorella vulgaris и Penicillium
сhrysogenum; Nostoc punctiforme и Penicillium сhrysogenum, Sporotrichum pruinosum,
Penicillium purpurogenum реализуется кооперация. Наибольшую способность к
кооперации имеют виды, выделенные из одного сообщества, меньшую
способность – виды из разных сообществ одной пещеры, а наименьшую
способность – виды из пещер разных регионов.
4.Зона оптимума по фактору температуры штаммов зеленой водоросли
Chlorella vulgaris, выделенных из подземных местообитаний, шире, чем у штаммов
из поверхностных местообитаний.
5.Для штаммов доминирующих видов Chlorella vulgaris, Stichococcus
bacillaris, Leptolyngbya foveolara, Scytonema drilosiphon при культивировании без
освещения, присутствие глюкозы и сахарозы увеличивает скорость роста.

РЕКОМЕНДАЦИИ
При разработке проектов оборудования пещер искусственным освещением
необходимо использовать результаты анализа биоразнообразия сообществ входной
зоны для выявления видов, имеющих большой потенциал к быстрой колонизации
подземных местообитаний. В эксплуатируемых пещерах гротового типа можно
рекомендовать снижение влажности биотопов как приоритетный способ
предотвращения развития нежелательных фототрофных обрастаний.
На основании выявленного увеличения скорости роста при добавлении
органических веществ для фототрофных видов, часть из которых широко
используется в биотехнологии, можно рекомендовать миксотрофное
культивирование с целью повышения выхода биомассы.