Doktori (PhD) értekezés. Pikoplankton a trofikus gradiens mentén MÓZES ANDREA

Átírás

1 Doktori (PhD) értekezés Pikoplankton a trofikus gradiens mentén MÓZES ANDREA ELTE Biológia Doktori Iskola (Dr. Erdei Anna) Kísérletes Növénybiológia Doktori Program (Dr. Szigeti Zoltán) Témavezető: Dr. Vörös Lajos Belső konzulens: Dr. Ács Éva Dr. Kiss Keve Tihamér MTA Balatoni Limnológiai Kutatóintézet, Tihany

2 Tartalomjegyzék Bevezetés... 6 I. Irodalmi áttekintés... 8 I.1. A fotoautotróf pikoplankton felfedezése és előfordulása... 8 I.1.1. A pikoalga kutatás Magyarországon I.2. A pikoalgák főbb típusainak (fikoeritrinben és fikocianinban gazdag pikocianobaktériumok, eukarióták, kolóniás formák) előfordulása I.2.1. A pikocianobaktériumok előfordulása I.2.2. A pikocianobaktériumok pigment-típusai és a fény minőségével való összefüggésük I.2.3. A proklorofiták előfordulása I.2.3. Az eukarióta pikoplankton előfordulása I.3. Pikoalgák a különböző víztípusokban (tengerek, mély tavak, sekély tavak, folyók) I.4. Pikoalgák szezonális dinamikája és a dinamikát befolyásoló tényezők I.4.1. A pikoplankton dinamikája a Balatonban I.5. Pikoalgák a trofikus grádiens mentén II. Célkitűzés III. Anyag és módszer III. 1. Mintavételi helyek és a mintavételek ideje III. 2. Terepi mérések III A vízalatti fény mérése III.2.2. Secchi-átlátszóság mérése III.2.3. Mintavétel módja III. 3. Laboratóriumi mérések III.3.1. Az a-klorofill meghatározás spektrofotometriás eljárással III.3.2. Az a-klorofill meghatározás fluoreszcens spektrofotométerrel III.3.3. Az összes lebegő anyag meghatározása III.3.4. Optikai tulajdonságok (szín) vizsgálata III.3.5. A nitrogénformák és az oldott reaktív foszfor meghatározása III.3.6. A nano- és mikroplankton vizsgálata

3 III.3.7. A pikoplankton vizsgálata epifluoreszcens mikroszkóppal III.3.8. Az algabiomassza becslése III.3.9 Statisztikai eljárások IV. Eredmények IV.1. Pikoalgák szezonális dinamikája a Balatonban és a dinamikát befolyásoló tényezők IV A fitoplankton évszakos változása a Balatonban IV A pikoplankton abundanciája, biomasszája és részesedése a teljes fitoplankton biomasszából IV.1.3. A pikoplankton összetételének évszakos változásai (a prokarióta és eukarióta pikoplankton évszakos dinamikája) IV Az EuAPP és a CyAPP előfordulásának vízhőmérséklet függése IV.1.4. A fikoeritrinben és fikocianinban gazdag pikocianobaktériumok évszakos dinamikája IV.1.5. A kolóniás és magányos APP évszakos dinamikája IV.1.6. A pikoalgák pigmentösszetétele mint vízminőség indikátor IV.2. A pikoplankton szezonális dinamikája a Dunában és a dinamikát befolyásoló tényezők IV A pikoplankton abundanciája, biomasszája és részesedése a teljes fitoplankton biomasszából IV.2.2. A pikoplankton összetételének évszakos változásai a Duna fő- és mellékágában IV.2.3. A kolóniás és magányos APP évszakos dinamikája a Dunában IV.2.4. A CyAPP dinamikáját szabályozó tényezők a Dunában (vízhőmérséklet, vízállás, vízhozam) IV.3. A pikoplankton a trofikus gradiens mentén a hazai folyó- és állóvizekben IV.3.1. A fitoplankton biomasszája (a-klorofillban kifejezve) a vizsgált álló-és folyóvizekben IV.3.2. A pikoplankton abundanciája a hazai folyó- és állóvizekben IV.3.3. A pikoalgák részesedése a fitoplankton biomasszából folyó- és állóvizekben IV.3.4. A vízmélység és a lebegő anyag koncentráció hatása a pikoalgák abundanciájára és a fitoplanktonból való részesedésére sekély tavakban

4 V. Az eredmények megvitatása V. 1. A pikoplankton jelentősége, összetétele és szezonális dinamikája a Balatonban. 96 V.1.1. A kolóniás és magányos APP évszakos dinamikája V.1.2. A pikoalgák pigmentösszetétele mint vízminőség indikátor V.2. A pikoplankton előfordulása magyarországi folyóvizekben V.2.1. A pikoplankton szezonális dinamikája a Dunában és a dinamikát befolyásoló tényezők a fő- és a mellékágban V.2.2. A kolóniás és magányos APP évszakos dinamikája a Dunában V.3. A pikoplankton abszolút és relatív jelentősége a trofikus grádiens mentén folyóés állóvizekben VI. Összefoglalás VII. Summary VII. Irodalom Köszönetnyilvánítás

5 A dolgozatban alkalmazott rövidítések és az angol szakirodalomból átvett kifejezések: APP Fotoautotróf pikoplankton CPcy - Kolóniás pikocianobaktériumok CyAPP Pikocianobaktériumok EuAPP Pikoeukarióták Kd Vertikális extinkciós koefficiens Kolóniás APP= KolAPP Kolóniás pikoplankton formák LRGT little round green things ( kis, kerek, zöld dolgokat ) NA- nem azonosítható pigmenttípust tartalmazó pikocianobaktérium sejtek OTU - operatív taxonómiai egység PAR fotoszintetikusan aktív sugárzás PC-APP Fikocianinban gazdag cianobaktériumok Pcy Magányos pikocianobaktériumok PE-APP Fikoeritrinben gazdag cianobaktériumok Zooplankton grazing zooplankton lelegelés, kifalás 5

6 Bevezetés A mikroszkóp feltalálását követően szinte azonnal megkezdődött a vizek apró élőlényeinek intenzív kutatása. A Balaton mikrovilágának tanulmányozása is több mint egy évszázados múlttal rendelkezik, melynek eredményeként napjainkban már közel kétezer mikroszkópikus alga előfordulása nyert bizonyítást Közép-Európa legnagyobb sekély tavában. Ezen teljesítmény megvalósulásához nagymértékben hozzájárult a tó partján 1927-ben megnyílt Magyar Biológiai Kutatóintézet (mai nevén a Magyar Tudományos Akadémia Balatoni Limnológiai Kutatóintézet), ahol a megnyitás óta napjainkig töretlenül folyik a tó életének sokoldalú és oknyomozó kutatása. A vízi ökoszisztémák parányi élőlényeit világszerte intenzíven kutatták és kutatják, hiszen alapvetően az egysejtű algák fotoszintézise teremti meg a világtengerek és a tavak életének energetikai alapját. Negyedszázaddal ezelőtt a szakemberek joggal gondolhatták, hogy a tavak és tengerek algavilága nagyvonalakban ismert. Éppen ezért nagy szenzációként hatott, amikor 1979-ben két egymással versengő amerikai kutatócsoport (az egyik a Rhode Island-i egyetemről a másik a Woods Hole-i Óceanográfiai Kutatóintézetből) közel egy időben közölte, hogy a világtengerekben óriási számban élnek eddig nem észlelt parányi, bakteriális méretű algák. Ez a bejelentés lázba hozta a világ szakembereit, és megindított egy napjainkig intenzíven fejlődő kutatási irányt, a bakteriális (piko-) méretű algák ökológiai, fiziológiai és taxonómiai kutatását. Ezek a parányi szervezetek felfedezésüket nem az elektronmikroszkópnak, hanem a fluoreszcens mikroszkópnak köszönhetik. Ebben a mikroszkópban ezek az egy ezred milliméteres sejtek vörös vagy narancssárga pontokként világítanak, míg a heterotróf baktériumok beleolvadnak a sötét háttérbe. A nyolcvanas évek elejére kiderült, hogy a tengerekben ez az eddig nem észlelt algacsoport óriási jelentőségű: a mérések kimutatták, hogy a fitoplankton elsődleges termelésének legalább felét, de egyes óceáni területeken akár 90%-át hozzák létre. Ebből az is következik, hogy ezen korábban nem is észlelt parányok globális jelentősége óriási, a földi szervesanyag produkció mintegy egynegyedét-egyhatodát adják. A tengeri felfedezést követően kutatásuk gyorsan megindult az édesvizekben is. Hamarosan kiderült, hogy előfordulásuk nem korlátozódik a tengerekre és óceánokra, a világ kisebb és nagyobb tavaiban egyaránt előfordulnak. 6

7 A Balatoni Limnológiai Kutatóintézet Európában a legelsők között kapcsolódott be a pikoalgák kutatásába. A nyolcvanas évek közepén már tudtuk, hogy hazánk sekély tavaiban is elterjedtek és közönségesek ezek az apró élőlények. Igencsak hamar kiderült az is, hogy szervesanyag termelésük a Balaton tisztább vizű keleti medencéjében ugyanolyan jelentőségű, mint az óceánokban. A Siófoki-medencében egy köbcentiméternyi tóvízben több százezer van belőlük. A szennyezettebb, a fonalas kékmoszat virágzásokkal sújtott Keszthelyi-medencében viszont szerepük alárendelt volt, szerencsére napjainkban a vízminőség javulásával jelentőségük megnőtt. Kísérletes úton megtudtuk azt is, hogy nagyon fontos táplálékul szolgálnak a mikroszkópikus méretű állati szervezetek számára. A Balatoni Limnológiai Kutatóintézetben (BLKI) az utóbbi években ezek a kutatások új lendületet vettek és a Balatonon kívül más hazai tavakra is kiterjed vizsgálatuk. Ebbe a munkába kapcsolódtam bele 2002-ben, és az e területen végzett kutatásaim képezik értekezésem anyagát. 7

8 I. Irodalmi áttekintés I.1. A fotoautotróf pikoplankton felfedezése és előfordulása A planktonkutatásban az epifluoreszcens mikroszkópi eljárást eredetileg a heterotróf baktériumok mennyiségi vizsgálatára dolgozták ki, a sejtalkotókhoz kötődő különböző fluorokrómok segítségével. A bakterioplankton mennyiségi vizsgálata során leggyakrabban akridinnarancsot alkalmaznak (HOBBIE et al., 1977). A fluoreszcens mikroszkópi technika tette lehetővé a parányi pikoalgák felfedezését és vizsgálatát is. Ez esetben nem szükséges fluorokrómok használata, mivel az a-klorofill, illetve a cianobaktériumokban előforduló fikocianin vörösen, a fikoeritrin pedig sárgán fluoreszkál. A pikoalgák negyed évszázada léptek elő a tudományos érdeklődés palettáján, mikor két amerikai óceanográfiai laboratórium (az egyik a Rhode Island-i egyetemen, a másik a Woods Hole-i Óceanográfiai Kutatóintézetben) körülbelül egy időben publikálta a mintegy 0,5-1,0 x 1,0-2,0 µm nagyságú planktonikus kokkoid cianobaktériumoknak a világ tengereiben való széleskörű elterjedését (JOHNSON& SIEBURTH, 1979; WATERBURY et al., 1979). Ezt követően az újabb kutatásoknak köszönhetően hamar kiderült, hogy ezek a bakteriális méretű szervezetek mindenütt előfordulnak a tengerekben és óceánokban (STOCKNER, 1988). Felfedezésük jelentőségét tovább növelték azon újabb eredmények, melyek szerint e korábban figyelembe nem vett algacsoport hozzájárulása a fitoplankton elsődleges szervesanyag termeléséhez egyes oligotróf tengeri területeken elérheti az össz-produkció akár 90%-át is (STOCKNER& ANTIA, 1986). A tengeri felfedezésük után azonnal megindult a piko méretű algák édesvizekben való kutatása is. Hamarosan kiderült, hogy előfordulásuk nem korlátozódik a tengerekre és óceánokra, sőt mi több szerves részét képezik a világ kisebb és nagyobb természetes és mesterséges állóvízi planktonegyütteseinek is. A 70-es évek végén először néhány újzélandi és észak-amerikai tóban figyeltek meg pikoalgákat (PEARL, 1977), illetve néhány európai tóban is leírták előfordulásukat (CRONBERG& WEIBULL, 1980). A későbbiek során CRAIG (1984) számol be ezen, kis méretű algák előfordulásáról és szerepéről a kanadai Little Round tó esetében. Az édesvizek esetében is igen magas pikoalga részesedésről olvashatunk az irodalomban, ahol az elsődleges termelés 20-70%-áért lehetnek 8

9 felelősek (NAGATA et al., 1994), a 95 %-os maximumot pedig a Little Round tóban figyelték meg (CRAIG, 1984). Ezeknek a 0,6-2 µm mérettartományba eső algáknak az 1970-es évek végén történő leírása a tengerek és tavak ökoszisztémájából újraélesztette a kutatások aktivitását szerte a világon, taxonómiai, ökológiai, fiziológiai és biokémiai, valamint a vízi táplálékláncban betöltött szerepükre vonatkozó kérdések megválaszolásával. Számos kutató szerint a pikoplankton felfedezése a hiányzó láncszemet jelenti a világ óceánjainak szénforgalmában, és további bizonyítékot nyújt a mikrobiális tápláléklánc jelentőségére a vízi rendszerek energiaáramlásában és anyagkörforgásában (STOCKNER& ANTIA, 1986). A pikoplankton kategóriába tartoznak a legkisebb méretű pro- és eukarióta fotoautotróf mikroorganizmusok, a heterotróf baktériumok és a fágok (virus like particles), viszont a limnológia ezt a terminust gyakorlatilag kisajátította a pro- és eukarióta fotoautotróf szervezetek számára (STOCKNER& ANTIA, 1986). Valószínűleg a kis méretükből származó kutatási nehézségek is szerepet játszottak abban, hogy nagy biológiai jelentőségük ellenére, olyan hosszú ideig láthatatlanok voltak, illetve a hagyományos mikroszkópi eljárásokkal félre azonosították, heterotróf baktériumként kezelték ezt az algacsoportot. Érdemes megjegyezni, hogy a 70-es évek végét megelőzően is számos kutató figyelt meg pikoplankton méretű fotoszintetikus organizmusokat jellemzés és identifikáció nélkül. Így például µ-algákat (mikroalgák) jeleztek a szubarktikus svéd tavakból (RODHE, 1955), kis, kerek, zöld dolgokat ( little round green things ) figyeltek meg néhány újzélandi tóban, illetve kis kokkoid vagy Chlorella- szerű sejteket írtak le (PEARL, 1977). RHODE az 50-es évek kezdetén az oligotróf szubarktikus Katterjaure-tó vizsgálata során sejt ml -1 egyedsűrűségű apró zöld algákat (1-2 µm) talált. A fent említett svéd szubarktikus tavakban (Abisko környéke) ezen µ-algák abundanciája általában 1000 és sejt ml -1 között változott télen (RHODE, 1955). A planktont az alkotásában résztvevő szervezetek mérete alapján az utóbbi időben a következő csoportokra osztják (SIEBURTH et al., 1978): Pikoplankton (0,2-2,0 µm) Nanoplankton (2,0-20 µm) Mikroplankton ( µm) Makroplankton ( µm) 9

10 Tudni kell azonban, hogy a planktonszervezetek méret szerinti osztályozásának önkényesen megvont határai nem mindig felelnek meg a természetben megfigyelhető méreteloszlásnak. Például ismeretes, hogy a piko-szervezetek egy része olyan kolóniákat képez, melyek mérete szükségszerűen meghaladja a piko méret 2 μm-es felső határát; így egyesek ezeket kizárják a pikoplankton kategóriából (KOMÁREK, 1996). Mások fontosabbnak tartják azt a módszertani szempontot, hogy a körülbelül 1 μm méretű sejtekből álló kisebb nagyobb kolóniák az esetek túlnyomó többségében a hagyományos fénymikroszkópos módszerrel, mint fotoautotróf mikroorganizmusok nem azonosíthatók. Ezek a bakteriális méretű egysejtű és kolóniás szervezetek egyértelműen csak epifluoreszcens mikroszkóppal ismerhetők fel, ami megerősíti azt a tényt, hogy egy kategóriába soroljuk őket. I.1.1. A pikoalga kutatás Magyarországon A pikoplanktonnal kapcsolatos modern populációdinamikai és produkcióbiológiai kutatások Európában (CRAIG, 1985) a hazai mérésekkel egy időben, a nyolcvanas évek közepén kezdődtek meg ben, Magyarországon elsőként, az MTA Balatoni Limnológiai Kutatóintézetében vezették be a már említett epifluoreszcens módszert a pikoalgák vizsgálatára. Ezen módszernek köszönhetően fény derült arra, hogy a Balaton vize nagyon gazdag 0,8-1,2 μm átmérőjű fikoeritrin és fikocianin pigment-dominanciájú kokkoid cianobaktériumokban. Ezt követően megkezdődtek a rendszeres pikoplankton vizsgálatok a Balatonban, illetve más hazai állóvizekben is (VÖRÖS, ). Az 1980-as években észlelt eredmények rávilágítottak arra, hogy a pikoplankton maximális abundanciája a hipertróf Keszthelyi-medencében és a kevésbé eutrofizálódott Siófoki-medencében közel azonos (7,8 x 10 5 sejt ml -1 illetve 6,1 x 10 5 sejt ml -1 ). Ezzel szemben a tó e két medencéjében a nagyobb méretű algák mennyisége erőteljesen különbözött, biomassza maximuma Keszthelynél 19 mg l -1, Siófoknál, pedig 7 mg l -1 volt. A pikoplanktont túlnyomó többségben a fent említett kokkoid cianobaktériumok alkották (VÖRÖS et al., 1991b). A balatoni mérésekkel egyidőben más sekély tavakon (Kis-Balaton felső és alsó tározójában, a Fertő tóban, a Marcali víztározóban, stb.) végzett mérések alapján a fotoautotróf pikoplankton a Balatonban mért értékekhez hasonló számban mindenütt előfordult. Ezen első eredmények bebizonyították, hogy a magyarországi kisebb nagyobb sekély tavak fitoplanktonjának jelentős részét képezik 10

11 ezek a korábban nem észlelt, illetve félreismert, heterotróf mikroorganizmusokként azonosított szervezetek (VÖRÖS, ). Közismert, hogy a biomassza a nagyméretű szervezetek jelentőségét, az egyedszám pedig a kisméretűekét becsüli túl (CALJON, 1978; HARRIS, 1986; MALONE, 1980). A balatoni eredmények is ezt igazolták, kiderült, hogy az abundancia tekintetében ezek a piciny szervezetek nagyságrenddel felülmúlják a nagyobb algákat, azonban a rendkívül kis méretük miatt a biomasszából való részesedésük rendszerint kevesebb, mint 10%. Ebből kiindulva kiszámították a pikoplanktonnak a fitoplankton teljes felületéből való részesedését is, valószínűsítették ugyanis, hogy az anyagforgalmi szerep a felülettel áll a legszorosabb összefüggésben (TAGUCHI, 1976; REYNOLDS, 1984). A balatoni eredmények igazolták ezt a feltevést, miszerint szignifikáns pozitív korrelációt találtak az algaméretfrakciók felülete és fotoszintézise között, példának okáért a Siófokimedencében a pikoalgák adták az elsődleges termelés felét és képezték a fitoplankton összes felületének 53%-át (VÖRÖS, 1989) ben elkezdődött a Duna-Tisza közi szikes tavak pikoplankton együtteseinek vizsgálata is. Ezen különleges vízterek limnológiai kutatásai közel félévszázados múlttal rendelkeznek, de ezek elsősorban különleges kemizmusukra és annak az élővilágra gyakorolt hatására fókuszáltak (TAMÁSNÉ DVIHALLY ZSUZSANNA, 1999; FEHÉR & SCHMIDT, 2003). Ennek köszönhetően nem voltak korábbi mennyiségi adatok az ún. fehér-vizű szikes tavak planktonikus alga-együtteseiről. A kilencvenes évek végén SCHMIDT (1999) hívta fel a figyelmet arra, hogy a Duna-Tisza közi szikes tavakban a piko méretű (<2 µm) plankton időszakosan tömegesen elszaporodhat, ennek hatására indult meg ezen vízterek pikoplanktonjának mennyiségi vizsgálata (VÖRÖS& V.-BALOGH, 2003). A korábban említett balatoni vizsgálatok elsősorban a jégmentes időszakra vonatkoztak, következésképp a jég alatti Balaton pikoalga együtteseiről nem rendelkezünk előzetes adatokkal (MÓZES & VÖRÖS, 2004). Világviszonylatban, így Magyarországon is igen szegényesek az ismereteink a folyóvízi pikoplanktonról. A hazai, illetve a nemzetközi pikoalga kutatás egyik hiányzó eleme ez (MÓZES et al., 2007). Szintén ismeretlen annak a ténynek a mögöttes oka, miszerint a trofitás növekedésével párhuzamosan csökken a pikoplankton részesedése a fitoplankton tömegéből és produkciójából. Emellett a kivételek oka sem ismert, azaz a fentebb említett hipertróf szikes tavak rendkívüli pikoalga gazdagságának miértje is megválaszolatlan kérdés. 11

12 I.2. A pikoalgák főbb típusainak (fikoeritrinben és fikocianinban gazdag pikocianobaktériumok, eukarióták, kolóniás formák) előfordulása Az (foto)autotróf pikoplankton (APP) osztályozását a korai pikoplankton kutatók - a sejtek kis mérete és a morfológiai jegyek szűkössége miatt - elhanyagolták; egyszerűen kokkoid vagy Chlorella-szerű sejteknek, azaz mikroalgáknak nevezték őket. Mint említettük, ezek a bakteriális méretű egysejtű és kolóniás szervezetek egyértelműen csak epifluoreszcens mikroszkóppal ismerhetők fel. E módszerrel morfológiájuk részleteiben ugyan nem vizsgálható, de bizonyos szintű taxonómiai értékkel is bíró megállapításokat azért lehet tenni. Így ezen módszer segítségével az eukarióta és a prokarióta sejtek megkülönböztethetőek egymástól, illetve az utóbbiak esetén világosan megkülönböztethetők a sárgán fluoreszkáló fikoeritrin (PE) és vörösen világító fikocianin (PC) pigmentdominanciájú cianobaktériumok (MACISAAC & STOCKNER, 1993). Fluoreszcens mikroszkópban a sejtek mérete, alakja a kolónia felépítése és a fluoreszcencia színe (pigment összetétel) használható fel az osztályozáshoz, operatív taxonómiai egységek elkülönítéséhez (OTU). Napjainkban az édesvizek esetében az autotróf pikoplankton (APP) frakción belül három nagy csoportot különböztetünk meg: 1. pikocianobaktériumok (CyAPP), melyek leggyakrabban a Cyanobium és Synechococcus, Aphanocapsa, Aphanothece, Cyanodictyon, Merismopedia, nemzetségek közül kerülnek ki (JOHNSON & SIEBURTH, 1979; WATERBURY et al., 1979; STOCKNER et al., 2000) 2. pikoméretű zöldalgák (EuAPP), legismertebb nemzetségeik a Choricystis és a Pseudodictyosphaerium (KRIENITZ et al., 1996; KRIENITZ et al., 1999) 3. fikobiliprotein hiányos proklorofiták előfordulását egyesek valószínűsítik, de ez még nem kellően bizonyított (CHISHOLM et al., 1988) 12

13 I.2.1. A pikocianobaktériumok előfordulása Az eddig vizsgált tengerek (WATERBURY et al., 1979; JOHNSON & SIEBURTH, 1979) és édesvizek (CRAIG, 1984; WEISSE, 1988; MALINSKY-RUSHANSKY et al., 1997; MAEDA, KAWAI & TILZER, 1992; MÓZES et al, 2005; MÓZES et al, 2006) túlnyomó többségében a pikoplankton állomány nagy részét a 0,8-1,2 µm átmérőjű a Synechococcus és a Synechocystis nemzetségekbe tartozó pikocianobaktériumok teszik ki. Ezen algacsoport minden víztípusban elterjedt a tengerektől a legkülönfélébb fizikai-kémiai tulajdonságokkal rendelkező édesvizekig, beleértve a folyóvizeket is. Megtalálhatóak az utra-oligotróf tavakban, mint például a Bajkál-tó (BORAAS et al., 1991), a magas hegyvidéki tavakban (HAWLEY& WHITTON, 1991), a sarkvidéki és a szubpoláris tavakban (VINCENT, 2000), illetve a mérsékelt égövi sekély eutróf tavakban is (MÓZES et al, 2006). 1. ábra. A pikocianobaktériumok két fő típusa: a vörösen fluoreszkáló fikocianin (PC) pigmentdominanciájú és a sárga autofluoreszcenciával rendelkező fikoeritrinben (PE) gazdag pikocianobaktériumok CALLIERI & STOCKNER 2000-ben összegezték a világ különböző tavaiban és tengereiben végzett kutatások eredményeit. Megállapították, hogy a pikocianobaktériumokon belül két elkülöníthető csoport különböztethető meg: túlnyomórészt magányos sejtekből álló cianobaktériumok (Pcy) (a sejtek átmérője 0,2-2,0 µm, alakja kokkoid vagy pálcika) elsősorban kolóniát alkotó pikocianobaktériumok (CPcy)(egyetlen sejt átmérője 0,5-2,0 vagy 3,0 µm között változik, alakja kerek vagy ovális). A két csoport elhatárolódása nem teljesen egyértelmű, mert néha a Pcy sejtek is aggregálódhatnak. Mindkét csoport világszerte elterjedt, minden édesvíz típusban 13

14 előfordulnak a Pcy populációk, a mélyebb oligo-mezotróf tavakban gyakran dominánsak, míg a koloniális formák inkább a melegebb, sekélyebb és tápanyagban gazdagabb (mezo-eutróf) vizekben nyáron találják meg az optimális életkörülményeiket. Mindkét csoport képes alkalmazkodni a szélsőséges fényviszonyokhoz, de nagyobb méretű algákhoz viszonyítva kevésbé rezisztensek az UV-B sugárzással szemben. Az APP általánosan elterjedt a neutrális és enyhén alkalikus vizekben, viszont teljesen hiányzik a savas (ph: <6) vizekből. A CPcy törzsek jobban ellenállnak a nagyobb heterotróf organizmusok predációjának a kocsonyaburok miatt, míg a Pcy-nak nagy jelentősége van a mikrobiális anyagforgalomban, táplálékforráskén szolgálnak sok ostoros és csillós egysejtű, valamint a mezozooplankton szervezet számára. Az édesvizekben leggyakoribb CPcy fajok az Aphanocapsa, Aphanothece, Chroococcus, Coelosphaerium, Cyanodictyon, Merismopedia, Snowella és Tetracus nemzetségek közül kerülnek ki (STOCKNER et al., 2000). Az eddigi adatok alapján néhány általános tendencia megállapítható a kolóniás formák előfordulásával kapcsolatosan (STOCKNER et al., 2000): a kolóniák általában mindenütt előfordulhatnak az eufotikus zónában, jóllehet az oligotróf tavak esetén alacsony abundanciával rendelkeznek a kolóniás formák abundancia csúcsa nyárra vagy őszre tehető számos tóban a kolóniák abundanciája nagyobb az eufotikus zóna alján, mint a felszíni rétegekben (SIME-NGANDO, 1995) Az epifluoreszcens mikroszkóp bevezetése előtt a kutatások inkább a CPcy -ra irányultak, mert a kolóniák könnyebben láthatók a hagyományos mikroszkóp segítségével, de az új technika bevezetése precízebb Pcy vizsgálatokat tett lehetővé. A kolóniákat képező pikoplankton szervezetek esetében a kolóniák morfológiai típusa gyakran fajspecifikus és használni lehet az osztályozásnál. Kialakíthatnak laza vagy tömör szerkezetű csoportosulásokat, akár pszeudo-filamentet vagy más hálózatos struktúrát. A kolóniák mérete természetesen meghaladja a piko méret felső határát, a 2 µm-t, ezért egyes kutatók kizárják őket a pikoplankton kategóriából (KOMÁREK, 1996). (Lásd az I.1.-es fejezetben részletesen.) Szintén megoldatlan kérdés az egysejtű Synechococcus típusú cianobaktériumok által létrehozott laza aggregátumok és az igazi kolóniákat létrehozó Microcystis fajok közötti különbségtétel (STOCKNER, 1991). A kolóniákat körülvevő kocsonyaburok epifluoreszcens mikroszkóppal gyakran láthatatlan, vagy a szűrés során részben 14

15 megsérülhet. Így a szabadon élő és a kolóniás formák közötti gyakorlati megkülönböztetés nem egységes, önkényesen történik a különböző kutatók esetében. Ismeretlen okok miatt a kolóniás cianobaktériumok édesvizekben gyakoribbak, mint a sós vizekben (STOCKNER, 1991), ez utóbbi környezetben a kolóniás formák nem, vagy csak elvétve fordulnak elő. 2. ábra Kolóniás és magányos pikocianobaktériumok Az új technikai eszközök segítségével részletesebb eredmények birtokába jutva KOMÁREK (1996) bevezetett egy új - citomorfológiai, molekuláris és biokémiai adatokon alapuló - osztályozást a túlnyomórészt magányos sejtekből álló Pcy számára. Három taxonómiai csoportra osztotta őket: Cyanobium Synechococcus és Cyanothece dianae/cedrorum típusok A magányos pikocianobaktériumok többségét a Cyanobium csoport tartalmazza, melyek kis (1-2 µm hosszú és 1 µm széles), gömbtől az oválisig változó alakú, kocsonyaburok nélküli szervezetek. A szakirodalomban Synechococcus típusú törzsekként emlegetett cianobaktériumok többsége a Cyanobium csoportba tartozik. A Synechococcus fajok pálca alakú, 3-15 µm hosszú és 1-3 µm széles sejtek (CALLIERI & STOCKNER, 2002). 15

16 I.2.2. A pikocianobaktériumok pigment-típusai és a fény minőségével való összefüggésük A pikocianobaktériumok fotoszintetikus pigmentjei a tilakoid membránokban találhatóak, melyek szabadon foglalnak helyet a citoplazmában (kromatoplazmában), szemben a fotoszintetizáló eukarióta algákkal, ahol többlemezes kötegeket alkotva a kloroplasztiszokba zárva rendeződnek. Szemben a proklorofitákkal, illetve az eukarióta algák többségével, a cianobaktériumoknál a tilakoidok egyesével, egymástól egyenlő távolságban helyezkednek el. A külső felszínen sorba rendezetten helyezkednek el a félgömb vagy félkorong alakú, nm átmérőjű fikobiliszómák, melyek a járulékos pigmenteket tartalmazzák. A fikobiliszómák egy háromszög alakú magból és a belőle kiágazó hat rúdszerű képletből állnak. A háromszög alakú mag nm átmérőjű és három allofikocianinból álló dupla korong alkotja. A magnak a tilakoidokhoz való rögzítését egy kötő (linking) fehérje végzi. A rudak alkotásában az allofikocianin felőli oldalon, a kék színű fikocianin molekulák, illetve a külső részen a fikoeritrin (abban az esetben, ha az adott törzs tartalmaz fikoeritrin), valamint az őket összekötő fehérjék vesznek részt. A multiprotein-komplexként felfogható fikobiliszómák a fent említett pigmenteken kívül még tartalmaznak különböző karotinoidokat, mint a mixoxantin, β- karotin, zeaxantin, nostoxantin, ekinenon, illetve kaloxantin. Az antennaként funkcionáló fikobiliproteinek nagy hatásfokkal képesek továbbítani a fényenergiát a fotoszintetikus reakciócentrumok számára. FIKOERITRIN FIKOCIANIN ALLOFIKOCIANIN TERMINÁLIS PIGMENT PS I PS II 3. ábra. A tilakoidok külső felszínén elhelyezkedő félgömb alakú és a járulékos pigmentek tartalmazó fikobiliszómák 16

17 Néhány cianobaktérium képes arra, hogy fikobiliprotein összetételét a vízalatti fényviszonyok függvényében megváltoztassa. Ezt szűkebb értelemben vett kromatikus adaptációnak nevezzük (TANDEAU DE MARSAC, 1977). A tengeri Synechococcus törzsek pigmentösszetétele ezzel szemben genetikailag rögzített, nem változik meg a fény spektrális összetételének módosulásával (WYMAN& FAY, 1987). Felmerült a kérdés: az édesvízi pikocianobaktériumok pigmentösszetétele megváltozik-e a fény spektrális összetételével, illetve megfigyelhető-e egyik vagy másik pigmentféleség dominanciája eltérő fényviszonyok mellett (CALLIERI et al., 1996). Laboratóriumi körülmények között végezett vizsgálatok eredményei azt mutatták, hogy az édesvízi Synechococcus törzsek pigmentösszetétele is genetikusan rögzült, az eltérő fényviszonyokhoz való alkalmazkodás így nem fiziológiai adaptációval, hanem szelekcióval történik (VÖRÖS, 1999). A különböző vízterek fényklímájának jellemzésére a fotoszintetikusan aktív sugárzás vertikális fénykioltási együtthatója, a Kd(PAR), szolgál. A limnológiai gyakorlatban ez a következő összetevőkből áll (KIRK, 1986): Kd(PAR) = Kv + Kh + Kl + Ka [1] Ahol: Kv, Kh, Kl, Ka a tiszta vízre, az oldott huminanyagokra, a lebegő anyagokra és a planktonikus algákra jellemző parciális extinkciós koefficiens. A pikocianobaktériumok pigmentösszetétele és a tavak természetesen elkülönülő optikai csoportjai jól megfeleltethetőek egymásnak, a két tulajdonságcsoport között oksági kapcsolat van, amit az alábbiak szerint értelmezhetünk: Kd(PAR) = 0,17-0,4 ln m -1, itt a fényáthatoló-képesség sorrendje zöld>kék>vörös. Az ilyen típusú vízterekben kizárólag fikoeritrinben gazdag cianobaktériumok fordulnak elő. Kd(PAR) = 0,41-2,0 ln m -1, a fényáthatoló-képesség sorrendje zöld>vörös>kék. Ezen víztípusokban a fikoeritrines és fikocianinos formák koegzisztenciája figyelhető meg. 17

18 Kd(PAR) = >2,0 ln m -1, a fényáthatoló-képesség sorrendje vörös>zöld>kék. Ezekben a vizekben kizárólag fikocianinban gazdag cianobaktériumok fordulnak elő. A fenti felosztás megegyezik TALLING (1971) osztályozásával, aki brit tavak hasonló csoportjait különítette el, és azt találta, hogy azok az oligo-, mezo- és eutróf kategóriával esnek egybe. A pikoplankton pigmentösszetétele a trofikus grádiens mentén tendenciózusan változik. A trofitás növekedésével meredeken csökken a teljes fitoplankton biomasszában a fikoeritrines formák részaránya, ez csak 20 μg l -1 a-klorofill koncentrációig számottevő, 50 μg l -1 felett pedig csak elvétve fordulnak elő. Az eltérések oka a vízalatti fény spektrális összetételének változása, a csökkenő átlátszósággal a hosszabb hullámhosszú fény aránya megnő, ez a vörös eltolódás (red shift) pedig a fikocianinos formáknak kedvez (VÖRÖS et al., 1998). I.2.3. A proklorofiták előfordulása A tengeri pikoplankton kutatások során a flow citométer használata lehetővé tette a gyakran magas abundanciával rendelkező ( sejt ml -1 ) igen kis méretű és nagyon halványan fluoreszkáló szervezetek kimutatását a tengerekben. Ezeket a sejteket először proklorofitaként azonosították (CHISHOLM et al., 1988; CAMPBELL et al., 1994), amelyekről később a molekuláris taxonómiai kutatások alapján kiderült, hogy fikobiliprotein hiányos, a- és b-klorofillt is tartalmazó cianobaktériumok (GRAHAM & WILCOX 2000), amelyek a tengerekben a Synechococcus típusú cianobaktériumokkal gyakran megegyező tömegben fordulnak elő. A tengerek eufotikus zónájában a kisméretű, kokkoid Prochlorococcus marinus széles körben elterjedt alkotója a pikoplanktonnak, az Atlanti-óceánban beleértve a Sargasso-tengert, abundanciájuk meghaladja a Synechococcus-ok abundanciáját, 10 5 sejt ml -1 fölötti (WEISSE, 1993). Szintén magas abundanciájukról számolnak be a Csendes-óceán trópusi és szubtrópusi területeiről, a Földközi-tengerből és a Vörös-tengerből (CALLIERI& STOCKNER, 2002). A Prochlorococcus-ok fő fotoszintetikus pigmentje a divinil a-klorofill (chl-a2), fontosabb kiegészítő pigmentjei pedig a divinil klorofill-b (chl-b2), zeaxantin, alfakarotin, c-klorofill (chl-c) (GOERICKE & REPETA, 1993), gyenge autofluoreszcenciájuk 18

19 gyorsan elhalványodik, ami megnehezíti, sőt általában lehetetlenné teszi az epifluoreszcens mikroszkópi vizsgálatukat (CHISHOLM et al., 1988). Eddig csak a tengerekben sikerült bizonyítani jelenlétüket, viszont előfordulásuk az édesvizekben is valószínűsíthető (CORZO et al., 1999). Ezen víztípusban eddig egyetlen proklorofita- jellegű fajt írtak le, egy eutróf hollandiai sekély tóból, a fonalas Prochlorotrix hollandica-t, (BURGER-WIERSMA, 1991), amely azonban nem piko méretű szervezet. A Prochlorococcus-ok esetleges édesvízi előfordulását illetően nagy a bizonytalanság, néhány esetben (STOCKNER & ANTIA, 1986; FAHNENSTIEL et al., 1991b) valószínűleg fikocianinban gazdag cianobaktériumokról vagy Chlorella-szerű pikoeukariótákról lehetett szó. Elmondhatjuk tehát, hogy az egyik legfontosabb taxonómiai különbség a tengeri és édesvízi pikoplankton közt úgy tűnik, hogy a Prochlorococcus-ok hiánya a tavakban. I.2.3. Az eukarióta pikoplankton előfordulása Mivel számbelileg domináns a CyAPP, gyakran elterelődik a figyelem a pikoeukarióta sejtekről, melyek mérete általában meghaladja a cianobaktériumokét. Ezen szervezetek a pikocianobaktériumoktól igen eltérő szezonális dinamikával rendelkeznek, más tápanyag-, fény- és hőigényükből kifolyólag. Bár a legtöbb esetben rendszerint nagyságrenddel kisebb az abundanciájuk, mint a cianobkatériumoké, a huminanyagokban gazdag és savanyú kémhatású vizekben ezek a dominánsak. A hagyományos mikroszkópi technikák általában elégtelennek bizonyulnak ezen algák azonosításához, ezért a kutatók többsége átmenetileg a zöld algák közé tartozó pikoplanktont Chlorella-szerű vagy Nannochloris-szerű algáknak minősíti (STOCKNER & ANTIA, 1986; STOCKNER, 1991). A legújabb kutatások tükrében ezen megnevezés helytelen, ugyanis a Chlorella sejtek mérete nagyobb mint 3 µm, így nem sorolhatók a pikofitoplankton kategóriába (HEPPERLE& SCHLEGEL, 2002). A pikoeukarióta csoport tagjairól kontinentális vizekben mindmáig keveset tudunk, ámbár egyes szerzők szerint tengeri területeken az elsődleges szervesanyag termelés jelentős hányadáért ez a csoport felelős a pikoplankton frakción belül (LI, 1994; WORDEN et al., 2004). Rendszertani kapcsolatainak felderítésére az első próbálkozások csupán a 90-es évek második felében kezdődődtek el (KRIENITZ et al., 1999; HEPPERLE & SCHLEGEL, 2002). Az újabb kutatási eredményeknek köszönhetően fény 19

20 derült arra, hogy az édesvizekben leggyakoribb pikoplanktonikus egysejtű zöldalga szervezetek a Choricystis (Trebouxiophyceae) és a Myconastes (Chlorophyceae) génuszokba sorolhatóak, a kolóniásak közül pedig Pseudodictyosphaerium jurisii (Chlorophyceae) a leggyakoribb species (KRIENITZ et al., 1996; KRIENITZ et al., 1999; HEPPERLE & SCHLEGEL, 2002; KRIENITZ et al., 2000). Ezt alátámasztották a PADISÁK és munkatársai (1997) által végzett kutatások az oligotróf Stechlin-tavon, illetve a savas kémhatású Große Fuchskuhle tavon végzett kutatások is (KRIENITZ et al., 1997). A Stechlin-tó estében három eukarióta zöldalgát azonosítottak: a Choricystis minor-t, a Neocystis diplococca-t, és a Pseudodictyosphaerium jurisii-t, melyek közül az utolsó kettő kolóniás pikoalga. 4. ábra. 1-2 µm átmérőjű pikoeukarióták Az újabb kutatások szerint tengerekben a Prasinophyceae család tagjai a leggyakoribb pikoplanktonikus zöldalga szervezetek. Több heterokont tengeri eukarióta pikoalga ismert, így például a Picochlorum nemzetség fajai, melyeket gyakran a Nannochloris-al tévesztettek össze. Ma már biztosan tudjuk, hogy a tengeri pikoplankton fent említett széles körben elterjedt alkotója az Eustigmatophyceae osztályba tarozik (ANDERSEN et al., 1998). A pikoeukariótákról sokkal bővebb információval rendelkezünk a tengeri ökoszisztémák esetében. Éppen ezért ismert tény, hogy a nyílt tengerekben előforduló pikoeukarióta szervezetek a következő taxonómiai csoportokba sorolhatóak: a Pelagophyceae, Prymnesiophyceae osztályba, és a Chlorophyta divizióba (a Chlorophyceae és Prasinophyceae osztályokat beleértve) (ANDERSEN et al., 1993; SIMON et al., 1994; NOT et al., 2002). 20

21 Úgy az édesvízi, mint a tengeri pikoeukariótákkal foglalkozó tanulmányok beszámolnak arról a jelenségről, hogy az azonos morfológiai sajátossággal rendelkező szervezetek molekuláris vizsgálatok alapján egymástól teljesen különböző taxonokat képezhetnek (POTTER et al., 1997). I.3. Pikoalgák a különböző víztípusokban (tengerek, mély tavak, sekély tavak, folyók) Az APP tengerekben és óceánokban (WEISSE & KENTER, 1991; WATERBURY et al., 1986; BERNARDI AUBRY et al., 2006), illetve az édesvízi ökoszisztémákban (WEISSE, 1993; CALLIERI & PINOLINI, 1995; MALINSKY-RUSHANSKY et. al., 1997; HEPPERLE & KRIENITZ, 2001; MÓZES et al., 2006) való előfordulásáról, összetételéről és produktivitásáról számos tanulmányt közöltek. Ezekből a közleményekből tudjuk, hogy a legkülönbözőbb trofitással és mélységgel rendelkező édesvízi tavakban az autotróf pikoplankton abundanciája gyakran igen magas lehet, meghaladhatja akár a 10 6 sejt ml -1 értéket is (STOCKNER, 1991; VÖRÖS et. al., 1991; SZELAG-WASIELEWSKA, 1999; MÓZES et al., 2006). Amint azt már korábban is említettük (I.1. fejezet), az édesvizekben az APP az elsődleges termelés 20-70%-ért is felelős lehet (NAGATA et al., 1994; CHANG & PETERSON, 1995; MÓZES et al., 2004), az eddigi legmagasabb részesedést (95%) az oligotróf Little Round Lake esetében észlelte CRAIG 1984-ben. Az óceánokban az a-klorofill készletnek, illetve az elsődleges termelésnek akár 80%-át is képezhetik a pikoalgák (PLATT et al., 1983), sőt egyes oligotróf tengeri területeken részesedésük elérheti az összprodukció 90%-át is (STOCKNER & ANTIA, 1986), ami a táplálékláncban betöltött fontos szerepükre utal. A vizsgált tengerek és édesvizek többségében a pikoplankton állományának túlnyomó hányadát az 1 μm átmérőjű (0,8-1,2 μm) cianobaktériumok teszik ki, emellett előfordulnak eukarióta organizmusok is, sőt a tengeri pikoplankton elemei között a proklorofiták (Prochlorococcus marinus) is gyakoriak (lásd I.2.3. fejezet). Ez utóbbiak gyakran a cianobaktériumokkal megegyező tömegben vannak jelen a tengerekben (CHISHOLM et al., 1988; SUZUKI et al., 1995). A folyó tölcsértorkolatok és a tengerparti lagúnák autotróf pikoplanktonjáról is sok közlemény született (AYUKAI, 1992; PHLIPS et. al., 1999; TEIXEIRA & GAETA, 1991; SIN et. al., 2000). Ezen életterek esetében is megfigyelték, hogy a pikoalgák részesedése a fitoplanktonból az össz biomassza (a-klorofill) koncentráció csökkenésével nő (SIN et. al., 21

22 2000). Ugyanakkor tölcsértorkolatok és a tengerparti lagúnák esetében Synechococcus fajok által okozott vízvirágzást is megfigyeltek (PHLIPS et. al., 1999; OLIVEIRA & KJERFVE, 1993). Az előzőekkel szemben jelenleg még igen keveset tudunk az APP folyóvizekben való elterjedéséről, mennyiségi viszonyairól, viselkedéséről (MÓZES et al., 2008). Eddig mindössze négy közlemény született a folyóvízi pikoplanktonról. SZELAG-WASIELEWSKA (2004) a nyugat-lengyelországi eutróf Warta folyó esetében azt találta, hogy az APP abundancia átlaga 3,6 x 10 4 sejt ml -1 volt, és egyszer haladta meg a 10 5 sejt ml -1 értéket, illetve a részesedésük az össz fitoplankton biomasszából 0,15-1,2% között változott. Hasonló viszonyokról számoltak be a lengyelországi Cybina patak esetében is (GOŁDYN et. al., 1999). A virginiai Pagan folyóban a pikoplankton abundancia átlaga 7,3 x 10 4 sejt ml -1 volt, a maximumot pedig nyáron, kora ősszel érte el (10 5 sejt ml -1 ) (DAVIS et al., 1997). A magyarországi folyóvízi pikoplanktonról is igen kevés adatunk van, VÖRÖS et. al., (2000) a hipertróf Duna magyarországi szakaszán folytatott egy éves vizsgálatsorozatából kiderült, hogy az APP abundanciája átlagosan sejt ml -1, az augusztusi és októberi abundancia csúcs alkalmával pedig 10 5 sejt ml -1 volt. Részesedése a teljes fitoplankton biomasszából 0,03-1,4% között változott. I.4. Pikoalgák szezonális dinamikája és a dinamikát befolyásoló tényezők A tengeri és édesvízi pikofitoplankton abundanciájáról és évszakos dinamikájáról számos tanulmány beszámolt (CRAIG, 1984; WEISSE, 1988; STOCKNER, 1991; PICK & AGBETTI, 1991; OCHS & RHEW, 1997; MALINSKY-RUSHANSKY, BERMAN, & DUBINSKY, 1997; HEPPERLE, & KRIENITZ 2001; JASSER & ARVOLA 2003, MÓZES et al., 2006), de jelenleg még mindig nem ismerjük teljes mértékben azokat a tényezőket, amelyek szabályozzák a populációk méretét és dinamikáját. Az eddigi eredményeket összegezve levonhatjuk azt az általános következtetést, hogy a különböző trofitású és mélységű édesvízi tavak többségében tipikusan két abundancia csúcs figyelhető meg: az egyik tavasszal vagy kora nyáron, a másik pedig késő nyáron vagy ősszel, a kettő közti időszakra (május, június) jellemző alacsony 22

23 egyedsűrűséget pedig rendszerint a zooplankton kifalásával magyarázzák. (STOCKNER et al., 2000). A mezo-eutróf Constance tavon végzett négy éves vizsgálatsorozat során WEISSE & KENTER (1991) azt találta, hogy tavasszal a vízhőmérséklet emelkedésével párhuzamosan az APP mennyisége nőtt mindaddig, amíg áprilisban elérte az első abundancia csúcsát, a nagyobb fitoplankton szervezetekkel együtt. Ezt követően egyedsűrűségük májusban drasztikusan lecsökkent, majd pedig augusztusban kialakult a második abundancia csúcs. Hasonló eredményekről számolt be CALLIERI & PINOLINI (1995) a szubalpin Maggiore tó estében, azzal a különbséggel, hogy itt az áprilisi abundancia csúcs mellett egy őszi-téli egyedsűrűség növekedés volt megfigyelhető. A sekély disztrofikus Flosek tó pikoplankton együttesének évszakos mintázatára (JASSER, 1997) szintén két abundanciacsúcs volt jellemző: az első, kisebb májusban, a második egyedsűrűség csúcs ősszel, októberben jelent meg és 8,0x10 5 sejt ml -1 értéket ért el. A Németország északkeleti részén vizsgált négy különböző trofitású tó esetében is bifázisos APP eloszlást figyeltek meg. Az első pikoalga biomassza maximumot késő tavasszal (áprilistól-májusig) észlelték, míg a második csúcs késő nyáron (augusztusban) alakult ki (HEPPERLE& KRIENITZ, 2001). Természetesen a bifázisos eloszlás alól is vannak kivételek, például néhány dán tó esetében (SØNDERGAARD, 1991), a mezo-eutróf Biwa tóban (MAEDA et al., 1992), illetve néhány különböző trofitással (oligotróftól mezotrófig) rendelkező kanadai tóban (PICK& AGBETTI, 1991) a tavaszi abundancia csúcs hiányzik, és csak egy nyári vagy őszi maximum figyelhető meg. SØNDERGAARD (1991) hét különböző trofitású dán tóban vizsgálta az APP évszakos dinamikáját, a sekély hipereutróftól a közepesen mély mezooligotróf tóig. Ő azt találta, hogy a legnagyobb egyedsűrűség nyár közepén figyelhető meg, június és júliusban, amikor a tó vízhőmérséklete is a legmagasabb. Emellett kisebb abundancia csúcsokat figyelt meg tavasszal. Télen a pikoalga egyedsűrűség 10 3 sejt ml -1 érték alatt volt. A JASSER (1997) által leírt két mély tó, a mezotróf Majcz és az eutróf Mikolajskie tavak esetében a pikoalgák szezonális mintázatára szintén egy tavaszi/kora nyári abundanciacsúcs volt jellemző. A természetben az algák dinamikáját a fény, a hőmérséklet, a tápanyag-ellátottság ( bottom up kontroll) és a kifalás ( top down kontroll) szabályozza. A normál mikroszkóppal vizsgálható mérettartományba eső cianobaktériumok és eukarióta algák esetében nagyszámú tanulmány született a fent említett tényezők összetett hatásának 23

24 laboratóriumi körülmények közötti vizsgálatáról, a pikoalgákról jelentősen kevesebb ilyen jellegű tanulmány készült (MASTALA et al., 1996; MALINSKY-RUSHANSKY et al,, 2002; SOMOGYI et al., 2007). I.4.1. A pikoplankton dinamikája a Balatonban A Balaton nyílt vízében napjainkban a kovamoszatok és a cianobaktériumok a legtömegesebbek. Az előbbiek tavasszal (márciusban és áprilisban) tömegesek, az utóbbiak pedig nyáron. Szezonálisan a fitoplankton összetételében az alábbi tendenciózus változásokat figyelték meg: emelkedő hőmérséklettel párhuzamosan a Cryptophytákat és kovaalgákat a páncélos ostorosok és a cianobaktériumok váltják fel (TAMÁS, 1975; HERODEK & TAMÁS, 1976; VÖRÖS et al., 2005; MÓZES et al., 2006). Amint azt a I.1.1. fejezetben említettük, a balatoni pikoplankton tömegéről, összetételéről és produktivitásáról évtizedes adatokkal rendelkezünk, azonban ezek elsősorban a jégmentes időszakra vonatkoznak és nincs adatunk a téli jégborította tó pikoplanktonjáról. A korábbi vizsgálatsorozatokból kiderült, hogy a jégmentes időszakban a pikocianobaktériumok az uralkodó szervezetek, a pikoeukarióták mennyisége pedig elhanyagolható. Ezek a vizsgálatok azt mutatták, hogy a Balaton két vizsgált medencéjében atipikus bifázisos eloszlás figyelhető meg, nyári minimummal. A tó két különböző trofitású medencéjében az évszakos dinamikájuk kisebb eltérést mutatott és minden esetben nagyon karakterisztikus volt (VÖRÖS et al., 1991b). A hipertróf Keszthelyi-medencében mennyiségük télen volt a legalacsonyabb, és tavasszal, az emelkedő vízhőmérséklettel párhuzamosan, abundanciájuk növekedett egészen májusig, amikor kialakult az első abundancia csúcs. Májustól kezdődően a tartósan magas vízhőmérséklet ellenére számuk meredeken csökkent, és augusztus és szeptember hónapban a télihez hasonlóan alacsony értékeket mértek. A második abundancia csúcs ősszel volt, szeptembertől október közepéig meredeken emelkedett a számuk. Az augusztusi, szeptemberi hanyatlásuk egybe esett a fonalas nitrogénkötő cianobaktériumok tömeges elszaporodásával, a két algacsoport görbéje tükörképe volt egymásnak. Ennek feltehetően az az oka, hogy az édesvízi pikocianobaktériumok nem képesek a légköri nitrogén megkötésére aerob körülmények között (RIPPKA et al., 1979), a fitoplankton nyári nitrogén-limitáltsága pedig a nitrogénkötők számára kompetitív előnyt jelent. 24

25 A kevésbé eutróf Siófoki-medencében évszakos dinamikájuk nagyon hasonlított a Keszthelyi-medencéhez, azzal a különbséggel, hogy itt a nyári nitrogén limitáltság kevéssé volt kifejezett. I.5. Pikoalgák a trofikus grádiens mentén Széles körben ismert és elfogadott a STOCKNER (1991) által vázolt modell, miszerint a pikoplanktonnak az elsődleges termelésből és a biomasszából való részesedése növekszik a trofitási szint (összes P) csökkenésével. A széles körben elfogadott és igazolt STOCKNER modell eredetileg azon a megfigyelésen alapszik, hogy a tengerekben és tavakban a Synechococcus fajok részesedése a teljes fitoplankton biomasszából magasabb a tápanyaglimitált oligotróf területeken, mint a produktívabb területeken (STOCKNER& ANTIA, 1986). Ezzel egybehangzóan számos kutató írt le inverz összefüggést az össz APP részesedés és az a-klorofill koncentráció, mint trofitási szint jelző között (STOCKNER& ANTIA, 1986; BURNS & STOCKNER, 1991; VÖRÖS et al., 1998; BELL & KALFF, 2001; MÓZES et al., 2006; CALLIERI, 2007). Ebből az is következik, hogy az elsődleges termelésben betöltött szerepük nagyobb az oligotróf tavakban, mint a mezotróf vagy eutróf vizekben. A pikoalgáknak az elsődleges termelésből való részesedését édesvizekben leíró modell nagyrészt nyolc új-zélandi tó eredményein alapszik (PETERSEN, 1991). Ezen tavak igen széles trofitási skálát ölelnek fel, a-klorofill koncentrációjuk 0,57 és 103 µg l -1 között változott. A vizsgálat során PETERSEN (1991) fordított arányosságot talált az össz széndioxid fixációhoz való pikoplankton hozzájárulás és a tó trofitása között. De ez kapott összefüggés nem szoros, hasonló trofitású vizekben az APP hozzájárulás lehet például 17% de akár 80% is. Az előbbit néhány nagy oligo-mezotróf tóban, mint például a Huron és Michigan tavakban írták le (FAHNENSTIEL& CARRICK, 1992), az utóbbit pedig az ultra-oligotróf Bajkál-tóban (NAGATA et al., 1994). A korábban vázolt modellek nem tudják megmagyarázni az eredmények nagy variabilitását, nyitott kérdéseket hagynak maguk után, melyek újabb kutatásokat iniciálnak. A variabilitásnak STOKNER (1991) szerint két lehetséges magyarázata van: 25

26 a pikoplankton szervezetek olyan gyorsan alkalmazkodnak a változó fizikokémiai adottságokhoz, mint például: a fény, a tápanyag koncentráció, a turbulencia, hogy nem lehet az összefüggést megjósolni hosszú távon, vagy a módszertan és az adatok feldolgozása a különböző kutatóknál annyira eltérő, hogy azok csak nehezen hasonlíthatók össze. Egy másik széleskörű kutatási program keretében nyomon követték az autotróf pikoplankton (APP) térbeli és időbeli eloszlását néhány eltérő trofitású tóban Németország északkeleti részén (HEPPERLE& KRIENITZ, 2001): Stechlin-tó (oligotróf) Schmaler Luzin-tó (mezotróf) Tollensee-tó (eutróf) Feldberger Haussee-tó (eutróf) A vizsgálatok során az APP biomasszája és hozzájárulása az össz fitoplankton biomasszához, illetve a pikoalga közösség dinamikája változott a vizsgált tavak trofitás fokától függően. 1. Az oligotróf Stechlin-tóban APP biomassza két csúcsot mutat: kora tavasszal, májusban és késő augusztusban, az átlagos hozzájárulás a fitoplankton biomasszához pedig 23%. 2. A legnagyobb APP biomasszát (1160 mg m- 3 ) a mezotróf Schmaler Luzin-tóban mérték május végén, ekkor az APP részesedés 89% volt, az éves átlag viszont csak 16%. 3. Az eutróf Tollensee-tóban a maximális APP részesedés csak 16,8% volt. 4. A legeutrófabb Feldberger Haussee-tóban az átlagos részesedés 9% volt. Összehasonlítva a kapott eredményeket más mérsékelt övi tavakból származó adatokkal (pl. Huron-tó és Michigan-tó (oligotróf), Biwa-tó (mezotróf) Constance-tó (eumezotróf) igazoltnak látszik a pikoplankton össz fitoplankton biomasszához való hozzájárulása és a víz trofikus állapota közötti inverz összefüggés. A Constance-tó esetében a pikoplankton hozzájárulása a teljes fitoplankton termeléshez 5-65% között változott, míg a STOCKNER & SHORTREED (1991) által leírt tizenegy nyugat kanadai oligotróf tó esetében 29 és 53% között ingadozott. 26

27 A legújabb kutatási eredmények fényében viszont további részletek és finomítások szükségesek a fent említett STOCKNER modell kapcsán, ugyanis egy sor kivételt találtak nagyon produktív, eutróf, illetve hipereutróf tavak esetében (CRONBERG & WEIBULL, 1981; WEHR, 1990; BURNS & STOCKNER, 1991; VÖRÖS, 1991b; CARRICK & SCHELSKE, 1997, HIROSE et al., 2003). CARRICK & SCHELSKE (1997) a hipereutróf Apopka tavat és nyolc másik eutróf és hipereutróf floridai tavat vizsgáltak meg. Az általuk vizsgált produktív tavak esetében a pikoplankton jelentős frakcióját képezte a fitoplanktonnak, az elsődleges termelésben betöltött szerepük is igen jelentős volt, meghaladta az 50%-ot. A Trummen-tó (Dél-Svédország) eredetileg egy oligotróf tó volt, amelybe 1930 és 1958 között a városi szennyvizet vezettek, és ennek hatására eutróffá vált között a szennyezett időszakból származó tápanyagban gazdag lerakódott üledéket eltávolították, minek következtében viszonylag gyorsan helyreállt a tó állapota. Ennek ellenére 1975 nyarán jelentős vízvirágzást figyeltek meg, melyet egy kisméretű kékalga faj okozott, amelyet nem tudtak azonosítani (CRONBERG & WEIBULL, 1981). Később kiderült, hogy egy 0,4-1,0 µm nagyságú kokkoid kékalgáról van szó (Cyanodictyon imperfectum), amelynek sejtjei kocsonyaburokkal körülvett laza filamentumokat alkotnak. Szezonális dinamikáját tekintve májusban még igen kis mennyiségben voltak jelen a Trumenn-tóban, majd augusztus-szeptemberben érték el egyedsűrűségük maximumát. Ekkor az össz fitoplankton biomassza 95%-át képezték. Az a-klorofill éves maximuma (120 µg l -1 ) is egybeesett ezen piko méretű kékalga abundancia csúcsával (CRONBERG& WEIBULL, 1981). BAILEY-WATTS és munkatársai 1978 egy kis pálca alakú Synochococcus fajt írtak le a sekély és eutróf Leven-tóban (Délkelet Skócia), melynek az abundanciája az 1968-as és 1971-es évek között 10 5 és 5,0 x 10 7 sejt ml -1 között változott. A június és július során tapasztalt abundancia csúcsok alkalmával az összes becsült élő tömeg 90%-át képezte. Azóta viszont egyszer sikerült csak ismét kimutatni ezt a pikoalga fajt a Leven-tóban, 1973-ban, amikor igen kis egyedsűrűséggel volt jelen: 1,0 x 10 3 sejt ml -1. Eltűnésük egybeesett a szűrő táplálkozású Daphnia állomány megnövekedésével. A CARRICK & SCHELSKE (1997) által vizsgált Apopka-tóban a pikoalgák egyedsűrűsége (átlagosan 10 7 sejt ml -1 ), ami az egyik legmagasabb édesvízi értéknek számít. Ebben az igen produktív Apopka-tóban észlelt magas pikoalga részesedés vetekszik az oligotróf környezetben ismeretes piko részesedéssel. A hipereutróf 27

28 Apopka-tó mellett nyolc másik eutróf és hipereutróf floridai tóban CARRICK & SCHELSKE (1997) azt találta, hogy az APP abundanciája >10 7 illetve >10 6 sejt ml -1, ami azt sugallja, hogy a pikoplankton az általános trenddel ellentétben igen jelentős alkotója lehet a magas tápanyagtartalmú tavak fitoplanktonjának is. A HIROSE és munkatársai (2003) által vizsgált hipereutróf Furuike-tóban (Japán) az APP abundanciája 0,3 x 10 5 és 1,0 x 10 6 sejt ml -1 között változott, ami az eddig tanulmányozott hipertróf rendszerekben észlelt egyedsűrűség tartomány alsóbb értékeihez közelít. Több ízben észleltek magas pikoalga részesedést a Furuike-tóban, ami arra enged következtetni, hogy a pikoalgák gyakorta jelentős alkotói lehetnek a tó fitoplanktonjának. E területen is rendelkezünk hazai kutatási eredményekkel: VÖRÖS (1999) a Balatonban inverz relációt írt le az össz APP és az a-klorofill koncentráció, mint trofitási szint jelző között. Tehát a Balatonban végzett mérések szintén megerősítették azt a széles körben megfigyelt általános tendenciát, hogy a pikoplankton részesedése a fitoplankton tömegéből csökken a trofitás növekedésével. VÖRÖS és munkatársai (1999) 1995-ben több száz magyarországi és a néhány olaszországi mérési adat alapján igen széles trofitási skálán (0,2-390 µg a-klorofill l -1 ) vizsgálták a pikoplankton részesedését a fitoplankton tömegéből. A vizsgált tavak közt voltak nagy és mély alpesi tavak, illetve nagy sekély tavak, kis tározók valamint, halastavak. Az eredményeikből kitűnik, hogy megközelítőleg 50 µg l -1 az az a-klorofill koncentráció, ameddig a pikoplankton részesedése az össz-klorofilltartalomból jelentős lehet, illetve a 25 µg l -1 klorofill érték alatt elérheti a 80-90%-ot is (VÖRÖS et al., 1998). A biomasszából való részesedés ennél mérsékeltebb, mert fordított arányosság van a sejtméret és a sejtek klorofilltartalma között (VÖRÖS & PADISÁK 1991). A fentiekkel ellentétes hazai megfigyelések is vannak, hiszen a hipertróf Marcali tározóban tavasztól őszig a pikoalgák a teljes algaprodukcióhoz 40-50%-ban járultak hozzá (VÖRÖS, 1991a). Mindebből az is következik, hogy az APP részesedésének mintázata a trofikus grádiens mentén a mai napig hiányosan ismert. A pikoalgáknak a fitoplankton biomasszából való részesedését szabályozó tényezőket kutatva az irodalomban számos olyan tanulmányt találunk, melyek szerint a fényviszonyok (PICK, 1991; JASSER & ARVOLA, 2003), illetve a vízhőmérséklet (CAMACHO et. al., 2003; JASSER & ARVOLA, 2003), valamint a rendelkezésre álló tápanyagkészlet (CHANG & PETERSEN, 1995) kulcsfontosságú tényezők. A fény bizonyítottan limitáló tényező lehet 28

29 a dél-karolinai folyótorkolat esetében, valamint egyéb sekély, turbid, meleg, mérsékelt tengeröböl esetében (WILLIAMS 1972; POMEROY et al., 1981; VERNBERG 1993). Azonban a top-down kontrollt, a kifalást, mint szabályozó tényezőt csak igen kevés tanulmány veszi figyelembe (POMEROY et al., 1981; WATSON & MCCAULEY, 1988; SHERR et al., 1991; WEHR, 1991; ŠIMEK et al., 1995). WEISSE (1993) szerint APP abundanciáját az oligotróf tavakban elsődlegesen a tápanyag ellátás szabályozza, míg az eutróf tavakban a fő szabályozó tényező a zooplankton grazing. 29

30 II. Célkitűzés 1. A pikocianobaktériumok szezonális dinamikája már igen jól ismert, mind a tengerekben, mind pedig a mély tavakban is megfigyelték erőteljes hőmérsékletfüggését (WATERBURY et al., 1986; CARON et al., 1985). A pikoeukarióták előfordulásáról kevesebb ismerettel rendelkezünk (MALINSKY-RUSHANSKY et al., 1997; HEPPERLE & KRIENITZ, 2001), így a hazai adatok is hiányosak ezen a téren. Az eukarióta és prokarióta pikoalgák elkülönítéséhez és egyidejű mennyiségi számbavételéhez a technikai feltételek ben valósultak meg (MÓZES& VÖRÖS, 2004). Először 2003 telén figyeltünk föl arra, hogy a jég borította Balatonban, gazdag pikoalga népesség alakult ki az alacsony hőmérséklet és a fényszegény környezet ellenére. Ezért 2003-tól kezdődően a teljes évre kiterjedő vizsgálatsorozatot végeztünk a téli, jég alatti víz pikoplankton együttesek megismerése céljából (MÓZES & VÖRÖS, 2004). A jelen tanulmány egyik célja a pikocianobaktérium (CyAPP) és a pikoeukarióta (EuAPP) abundancia évszakos változásának bemutatása, a teljes fitoplanktonból való részesedésük meghatározása. 2. Keveset tudunk az APP által létrehozott aggregátumok vagy kolóniák előfordulásáról és kialakulásuk okairól (STOCKNER et al., 2000), ráadásul a tanulmányokban gyakran nem különítik el a kolóniás és magányos APP formákat, amint ezt az eddigi hazai kutatások sem tették. Ezért munkám során az APP dinamikájának nyomonkövetése során különös figyelmet fordítottam a kolóniás formák (KolAPP) részesedésének vizsgálatára. Célul tűztem ki a kolóniás formák szezonális dinamikájának meghatározását, a környezeti tényezők befolyásoló szerepének megismerését. 3. A folyóvizek pikoalgáiról eddig világszerte mindössze négy tanulmány született, ami ezen algacsoportnak a folyóvizekben való mennyiségi és minőségi viszonyaival kapcsolatos ismeretek hiányát tükrözi. Ezen ismeretanyag bővítése érdekében célul tűztük ki a szezonális dinamikájuk és befolyásoló tényezőik megismerését a Duna gödi szakaszának több éves vizsgálata révén. 4. A folyóvízi pikoplanktonra vonatkozó nagyfokú ismerthiányból kiindulva továbbá célul tűztük ki, hogy átfogó képet kapjunk a magyarországi folyóvizek 30

31 pikoplanktonjáról. Meghatározzuk a folyóvízi pikoplankton főbb mennyiségi és minőségi jellemzőit. Munkánk során 43 Magyarországi folyóvíz pikoplanktonját vizsgálatuk egyidejűleg annak érdekében, hogy a hazai folyóvizek pikoplanktonjának alapvető sajátosságait megismerjük. Ugyanakkor az összehasonlíthatóság érdekében a folyóvízi mintavétellel egyidőben 42 magyarországi állóvízből is mintákat vettünk. 5. A pikocianobaktériumok két alapvető pigmentjének (fikocianin és fikoeritrin) dominanciája a víz alatti fény spektrális összetételével függ össze (VÖRÖS et al., 1998), utóbbi pedig szoros kapcsolatban áll a vízminőséggel, ezért megvizsgáltuk, hogy a pikoplankton pigment típusainak előfordulása miképpen használható fel a vízminőség indikálására. 6. Végül a hazai pikoplanktonra vonatkozó mennyiségi és minőségi adatok összegzése és elemzése révén megvizsgáltam, hogy a hazai sekély állóvizekben és folyóvizekben mennyiségük és részesedésük hogyan változik a trofikus gradiens mentén. Vizsgáltam, hogy a megfigyelhető tendenciák mennyiben egyeznek meg és mennyiben térnek el a világszerte megfigyelt általános trendtől (lásd: BELL & KALFF, 2001), és magyarázatot kerestem a jellegzetes kivételek okaira. 31

32 III. Anyag és módszer III. 1. Mintavételi helyek és a mintavételek ideje és 2006 között folyamatosan vizsgáltuk a Balatonban a pikoplankton abundanciájának és összetételének változását. Kétheti gyakorisággal vettünk mintákat a Siófoki- (N 46 o 55 19,6, E 17 o 55 38,9 ) és a Keszthelyi-medencében (N 46 o 44 05,8, E 17 o ) (5. ábra, 7. ábra a) ábra Balatoni mintavételi helyek: 1. Keszthelyi-medence, 2. Siófoki-medence Tihanynál októbere és 2005 februárja között kétheti rendszerességgel mintákat vettünk a Duna gödi szakaszán a fő- és mellékágból (7. ábra b, c). A főágból a mintavétel a 1669 fkm-nél a sodorvonalból történt. A 900 m hosszúságú mellékág esetében a felső negyedében található, több mint 30 éve épített keresztgát utáni kiszélesedő szakaszban történt a vízmintavétel. A Duna magyarországi szakasza 417 km hosszú, átlagos vízhozama 2200 m 3 s -1, a középvizes időszakban 1 m s -1 az áramlási sebessége. A gödi szakaszon ez az érték 0,9 m s -1 re tehető, ami kisvizes időszakban természetesen lecsökken, áradások esetén viszont 1,2 m s -1 fölé is emelkedhet. A folyó össz ionkoncentrációja 170 és 350 mg l -1 között ingadozik. A növényi tápanyag-ellátottság igen bőséges, így a Duna hipertrófikus vízminőségű. A Duna fitoplanktonjának aktuális 32

33 biomasszáját a vízjárás és az évszakok változásai erőteljesen befolyásolják. A Duna főágából a rendszeres pikoalga adatok mellett rendelkezünk egyéb háttéradatokkal is, mint például az a-klorofill koncentráció, vízhőmérséklet, ammónia-n, nitrát-n koncentráció, ortofoszfát-p koncentráció, valamint vízállás és vízhozam adatokkal is. Ezen adatokat a Magyar Dunakutató Állomás bocsátotta rendelkezésünkre. A mellékág esetében csak pikoalga adatokkal rendelkezünk. 3. Magyarországi álló- és folyóvizekben, 2005 augusztusában 85 víztérből történt mintavétel, melyek közül 43 folyóvíz és 42 állóvíz volt (6. ábra, 1. táblázat). A vizsgált vizek neutrális vagy lúgos kémhatásúak voltak, lebegő anyag koncentrációjuk széles határok között változott, hasonlóan, mint az össz foszfor és az össz nitrogén koncentrációk. A 43 folyóvíz túlnyomó többsége (35) kis síkvidéki meszes vízfolyás (csermely), 3 közepes síkvidéki meszes vízfolyás, 4 kis síkvidéki szilikátos vízfolyás és egy nagyon nagy síkvidéki meszes folyó (Duna). A folyóvizek többsége fitoplanktonban is gazdag volt, az átlagos klorofill koncentrációjuk 19 mg l -1 volt (3. táblázat). Összesen 43 folyóvíz 54 mintáját dolgoztuk fel. A vizsgált állóvizek mindegyike sekély természetes vagy mesterséges tó volt. A legkisebb felülete 2 ha, a legnagyobb, pedig Közép-Európa legnagyobb állóvize, a Balaton volt, felülete 594 km 2. Az állóvizek ion koncentrációja kicsit magasabb volt, mint a folyóvizekben, a vezetőképesség értékek nagyon tág határok között változtak. Trofitási szintjük az a-klorofill koncentrációk alapján nem különbözött a folyóvizekétől. Az állóvizek közül kiemelhető a Balaton mellett a Fertő-tó (300 km 2, magas sótartalom és turbiditás, átlagmélység 1,3 m), a Velencei-tó (oldott sókban gazdag, főleg Na- és Mgban, 24,5 km 2 felületű, átlagmélysége 1,2 m). Az állóvizek között voltak továbbá nagyon sekély, magas turbiditással rendelkező, fehér vizű szikes tavak (7. ábra d), illetve Duna és Tisza holtágak, valamint különböző mesterséges tavak, halastavak és tározók. A szikes tavak vizének megjelenésére a piszkosfehér, szürkésfehér szín volt jellemző, azaz a hazai terminológia szerint jellegzetes fehér vizű szikes tavaknak nevezzük. Ez a fehér szín a vizük különösen magas lebegőanyag tartalmának (maximum mg l -1 ) következménye, ami extrém magasnak számít, hiszen a szél által gyakran felkeveredő vizű sekély Balatonban is mindössze 30 mg l -1 a lebegőanyagok átlagos koncentrációja. Hasonlóan zavaros vizek Ausztrália arid és szemiarid területeiről ismertek, ilyen például az állandó vizű Longreach Waterhole, ahol a maximális lebegőanyag koncentráció

34 mg l-1 értéket is elérte (TOWSEND, 2002). A szikes tavak vizének kemizmusát alapvetően a Na-, és a HCO3 - ionok túlsúlya jellemzi, de jelentős lehet bennük a Cl-ion mennyisége is, a ph értéke jellemzően 9-10 közötti. A fajlagos elektromos vezetőképesség értéke a µs cm-1-t is elérheti. A maximális vezetőképesség alapján a vizsgált szikes tavak a hiposzalin kategóriába tartoznak (HAMMER, 1986). A szikes tavak másik közös jellemzője a rendkívül kicsi átlátszóság, ami a fitoplankton számára fénylimitációt jelent, valamint a növényi tápanyagok túlkínálata. A néhány centiméteres (2-10 cm) eufotikus mélység különlegesen alacsony érték, amelyre a világon kevés példa van (VÖRÖS et al., 2006; SCHAGERL & ODOUR, 2003). Ezt igen jól alátámasztja KIRK, 1996-ban készült összefoglaló munkája, melyben a legkisebb eufotikus mélységet a világ felszíni vizeiben 20 cm körülire teszi. A vizsgált 42 állóvíz 62 mintáját dolgoztuk fel. 6. ábra 2005 augusztusában vizsgált 43 folyóvíz és 42 állóvíz mintavételi helyei 4. A célkitűzés 6. pontjában említett adatelemzési munkához felhasználtam továbbá az MTA BLKI-ban rendelkezésemre bocsátott kutatási eredményeket, amelyek kiterjedtek a Fertő-tó 1992 és 2004 évi, és a hazai szikes tavak (Kelemen-szék, Zab-szék, szabadszállási Büdös-szék, kardoskúti Fehér-tó, Böddi-szék, pusztaszeri Büdös-szék, 34

35 Fehér-szék) 2004-es, illetve 2001-es évi mennyiségi és minőségi pikoplankton vizsgálatának eredményeire a környezeti háttérváltozókkal együtt. Fontosabb mintavételi helyek: 7. a ábra Balaton (Siófoki-medence) 7. b ábra A Duna gödi szakaszának főága (1669 fkm) 35

36 7. c ábra A Duna gödi szakaszának mellékága 7. d ábra Dél-alföldi szikes tó (Zab-szék) 36

37 1. táblázat: A 2005 augusztusában vizsgált 43 folyó- és 42 állóvíz Folyóvizek Alpár-Nyárlőrinci-csatorna Bábony-patak Csincse-patak Dera-patak Dong-éri-főcsatorna Gerje Gyepes-főcsatorna Hanyi-belvizcsatorna Harangzúgi-(I.)-csatorna Hejő-patak Holt-Sebes-Körös Jamai-patak Kakat-belvizcsatorna Kálloi (VII.sz.) főfolyás Kánya-patak Karapancsai-főcsatorna Kiskunsági-főcsatorna Kődombszigeti-főcsatorna Körös-ér Körös-éri-főcsatorna Köröshegyi-Séd Korcsina-főcsatorna Kővágó-éri-csatorna Mágocs-ér Marót-völgyi-csatorna Miller-csatorna Mogyoródi-patak Nagy-ér Nagyvölgyi-árok Ostoros-patak Pilis-Piricsei-folyás Rákos-patak Sámson-Apátfalvi-Szárazér-csatorna Sári-csatorna Sárközi-III.-főcsatorna Sárreti-főcsatorna Szárazér-Porgányi-főcsatorna Széksóstói-főcsatorna Szekszárd-Bátai-főcsatorna Tarnóca-patak Tócó-patak Tolcsva-patak Vajai-(III.) főfolyás Állóvizek Balaton (Siófoki-medence, D-i és É-i part) Biharugra-Sző-rét-mocsara Boroszló-kerti Holt-Tisza Böddi-szék Büdös-szék, Szabadszállás Csatlói-Holt-Tisza Cserőközi Holt-Tisza Csíkóspusztai-tó Csorréti-tarozó Egyeki-Holt-Tisza Egyek-Pusztakócsi-mocsarak Faddi Holt- Duna Fehér-tó, Kardoskút Fehér-szék Fertő-tó Halásztelek-Túrtő-Harcsás Holt-Kőrös Hámori-tó Hasznosi-tározó Hatvani cukorgyári tó Károlyi-tározó Kelemen-szék Kengyel-tó Kolon-tó Köszörű-völgyi tározó Lázár-tó Lipóti-morotvató Mátravidéki erőmű tava Ménes-völgyi-tarozó Nagyvadas-tó Ősze-szék Péteri-tó Pirtói Nagy-tó Szöglegelői-Holt-Tisza Tápioszecsői I. sz. halastó Tihanyi Külső-tó Tiszadobi Holt-Tisza Tolnai Északi Holt-Duna Tunyogmatolcsi-tározó Vámospércsi tározó Velencei-tó Vörsi víz Zab-szék 37

38 Éves adatsorok: Balaton Víztípus 2. táblázat: A pikoplankton vizsgálatok mintavételi helyei és a mintavétel gyakorisága Az összes Vízfelület (ha, km 2 ) Vízmélység Koordináták Mintavétel ideje és minták Középízhozam (m 3 sec -1 ) (m) (N, E) gyakorisága száma 46 o 44', 17 o 16' (Siófoki-és Keszthelyi-medence) 596 km 2 3,5 4,5 46 o 55', 17 o 55' Fertő-tó 47 o 41', 16 43' 1992, havi (két mintavételi hely) 300 km 2 1-1,2 47 o 41', 16 o 42' 2004, havi kétheti 98 Böddi-szék 60 ha < 0,4 46 o 45', 19 o 09' 2004, havi 8 Büdös-szék, Szabadszállás 30 ha < 0,4 46 o 52', 19 o 10' 2004, havi 5 Kelemen-szék 120 ha < 0,4 46 o 49', 19 o 11' 2004, havi 10 Büdös-szék, Pusztaszer 50 ha < 0,4 46 o 33', 20 o 02' 2004, havi 6 Zab-szék 100 ha < 0,4 46 o 50', 19 o 10' 2004, havi 10 Fehér-szék 0,085 km 2 < 0,4 46 o 48', 19 o 11' 2001, havi 5 Fehér-tó, Kardoskút 0,7 km 2 < 0,4 46 o 28', 20 o 37' 2004, havi 5 Duna mellékág (gödi szakasz 1668,9-1669,8 fkm) nincs adat nincs adat 47 41', 19 07' , kétheti 36 Duna főág (gödi szakasz 1669 fkm) 2379 m 3 s o 40', 19 o 07' , kétheti 36 Duna főág 2379 m 3 sec o 40', 19 o 07' 1991, havi augusztusi mintavétel: Tavak, tározók 0, km 2 0, ábra 2005 augusztus 62 Folyóvizek 0,1 100 m 3 sec -1 0, ábra 2005 augusztus

39 3. táblázat: A vizsgált magyarországi álló- és folyóvizek néhány fizikai- és kémiai jellemzője ph vezetőképesség lebegő anyag össz P össz N a-klorofill TOC NO2-N NO3-N NH4-N folyóvizek ms cm -1 mg l -1 mg l -1 mg l -1 mg l -1 mg l -1 mg l -1 mg l -1 mg l -1 minimum 7, , ,32 7,8 0 0,15 0,01 maximum 8, ,92 46, ,57 45,61 5,46 átlag 7, ,55 6,45 16,6 23 0,09 6,07 0,38 sekély tavak minimum 6, ,21 0,05 0 0, ,13 0,008 maximum ,44 16, ,22 5,32 6,65 átlag 7, ,44 3,44 14, ,05 1,59 0,28 szikes tavak * minimum 8, ,19 1,19 1,4 28 0, ,08 maximum 10, ,53 8,6 1,5 átlag 9, ,7 3, ,06 2,82 0,38 * VÖRÖS et al alapján 39

40 III. 2. Terepi mérések III A vízalatti fény mérése A rendszeres fitoplankton mintavételekkel egyidejűleg minden mintavételi helyen mértük a fotoszintetikusan aktív sugárzás intenzitásának változását a vízmélység függvényében, LI-COR radiométerrel, síkfelületű (2π) szenzorral. A mérés PUV 2500 radiométerrel történt (Biospherical Instrument), amely a fotoszintetikusan aktív sugárzás (PAR nm) mérése mellett az ultraibolya (UV) hullámhossz tartomány mérésére is alkalmas a következő kitüntetett hullámhosszokon: UV-A: 395, 380, illetve 340 nm, UV-B: 320, 313, 305 nm. A mérési adatok alapján kiszámítottuk a látható fény vertikális extinkciós koefficiensét (Kd), a Lambert-Beer törvény alkalmazásával. Iz = I0 * e -Kd(z) [2] amiből a Kd a következő képlettel számítható ki lni0- lni z = Kd(z) [3] ahol I 0 = beeső fényintenzitás I z = fényintenzitás z mélységben (méter) Kd= vertikális extinkciós koefficiens. III.2.2. Secchi-átlátszóság mérése A mintavételekkel egyidejűleg történt, 25 cm átmérőjű Secchi-koronggal. III.2.3. Mintavétel módja A mintavételi helyek közül egyedül a Balaton esetében alkalmaztunk vízoszlop mintavevőt. Ennek segítségével a Balaton vizének kémiai és biológiai vizsgálata során a teljes vízoszlopot reprezentáló vízmintákhoz jutottunk. Az alkalmazott mintavételi eszköz, azaz a vízoszlop mintavevő egy 4 méter hosszú és 5 cm belső átmérővel rendelkező műanyag cső, melynek a végén egy elzáró szelep található. Mintavétel során a mintavevőt függőleges állásban kell leengedni a vízbe, nyitott szeleppel. (Fontos, hogy a mintavevő ne érje el az üledékfelszínt.) Ezután a vízbe leengedett mintavevő szelepét elzárjuk a felszínre kiérő zsinór segítségével, végül pedig kiemeljük a vízből a 40

41 mintavevőt szintén függőleges állásban. A vízből kiemelt mintavevő szelepét kinyitva a mintavevő teljes tartalmát a mintatároló edénybe engedjük. A vízoszlop mintavevő előnye, hogy a teljes vízoszlopot reprezentáló mintavételt biztosít, és ezáltal elkerülhetők az esetleges múló rétegződésből adódó különbségek. A Balaton kivételével az összes többi mintavételi hely esetében felszíni merített mintákat vettünk. III. 3. Laboratóriumi mérések III.3.1. Az a-klorofill meghatározás spektrofotometriás eljárással A szikes tavak kivételével a vízminták a-klorofill koncentrációját spektrofotometriás módszerrel mértük, forró metanolos extrakciót követően (FELFÖLDY, 1987; NÉMETH, 1998). A vízmintákat Whatman GF/F jelű üvegrost filterre szűrtük, a szűrőlapot kémcsőben metanollal egy percig forraltuk, majd a kihűlt extraktumot centrifugálással tisztítottuk, és meghatároztuk a pigmentkivonat extinkcióját 1 cm-es küvettában 666, 653 és 750 nm-en SHIMADZU UV-VIS 160 A spektrofotométerrel. A pigmentkivonat klorofill koncentrációját az alábbi képlettel számoltuk: a-klorofill (mg l -1 ) = 17,12* E ,68E [4] ahol E = a pigment kivonat extinkciója az adott hullámhosszon A kapott eredmények, illetve az átszűrt víz térfogatának ismeretében, az eredményeket μg a-klorofill / liter egységre számítottuk. III.3.2. Az a-klorofill meghatározás fluoreszcens spektrofotométerrel A feopigmentek zavaró hatásának kiküszöbölésére (LORENZEN, 1967; TETT et al., 1975) dolgozták ki az ún. savazásos módszert a spektrofotometriás klorofill meghatározáshoz. Ezt a módszert alkalmaztuk az alföldi szikes tavak a-klorofill koncentrációjának meghatározásakor. Gyenge savazásra (híg ásványi sav vagy gyenge szerves sav) az a-klorofill gyorsan és kvantitatíve feofitinné alakul, az átalakulást a spektrum vörös színkép tartományában a fényelnyelés csökkenése kíséri (VERON, 1960). 41

42 A jelenség kémiai háttere a porfirin gyűrűben kötött magnézium leválása (LORENZEN, 1967). A fluoreszcens spektrofotométerrel történő in vitro a-klorofill koncentráció méréshez referenciaanyagként ismert mennyiségű, tiszta a-klorofillt (Sigma) használtunk, amelyet 90 %-os metanolban oldottunk fel. Az ismert koncentrációjú hígítási sor fluoreszcencia intenzitását Hitachi F-4500 fluoreszcens spektrofotométerrel (gerjesztés 435 nm, emisszió 670 nm) mértük savazás előtt és után, amelynek alapján kiszámítottuk az ún. savazási hányadost (WETZEL& LIKENS, 1991): t = Rb std /Ra std, [5] ahol t a savazási hányados, értéke az általunk használt műszer paraméterek, a sósav oldat mennyisége és koncentrációja esetén 5,414 volt, Rb std a tiszta a-klorofill oldat savazás előtti fluoreszcencia intenzitását, Ra std pedig a tiszta a-klorofill oldat savazás utáni fluoreszcencia intenzitását jelöli. A küvettában lévő klorofill koncentrációt pedig a következő képletekkel számítottuk ki: a-klorofill (µg l -1 ) = F * (t / (t-1)) * (Rb Ra), [6] ahol Rb a minta fluoreszcencia intenzitása savazás előtt, Ra a minta fluoreszcencia intenzitása savazást követően, F a kalibrációs faktor, amely a különböző műszerállásokkal készült kalibrációk esetén eltérő, számítása a következő: F = a-klorofill koncentráció (µg l -1 ) / fluoreszcencia érték, [7] Végül pedig az előbbi képletekkel kapott koncentráció értékek, továbbá az átszűrt vízminta (illetve üledékminta) térfogata és az extrakcióhoz használt metanol térfogatának ismeretében kiszámítottuk a minta térfogatára vonatkoztatott a-klorofill koncentrációt. A spektrofotometriás módszerrel szemben a fluorométeres eljárás előnye a két nagyságrenddel nagyobb érzékenység, valamint a feopigmentek meghatározásának nagyobb pontossága még igen alacsony koncentrációk esetén is, ezért a nehezen 42

43 szűrhető, lebegő anyagokban gazdag vizek (szikes tavak) vizsgálatánál ezt az eljárást alkalmaztuk. III.3.3. Az összes lebegő anyag meghatározása Az összes lebegő anyag meghatározása gravimetriás módszerrel történt, melynek során az előszárított és előzetesen megmért 0,45 µm pórusátmérőjű cellulóz-acetát filteren ml vizet szűrtünk le. A filteren fennmaradt és 105 o C-on szárított lebegő anyagok mennyiségét CHYO YMC SM-200 analitikai mérleggel mértük. III.3.4. Optikai tulajdonságok (szín) vizsgálata A víz színének meghatározása során 100 ml vízmintát 0,45 μm pórusméretű cellulózacetát alapú membránfilteren (Millipore) szűrtük át. A szűrt vizek ph-ját 8 és 9 közé állítottuk be (ph = 8,25) 2% térfogatú, 1 M-os, ph = 8 borátpuffer segítségével (50 mm). A borátpuffer baktericid hatással is rendelkezik így egyben a minták tartósítását is szolgálta. Az ily módon előkészített vízminták oldott szervesanyagainak fényabszorbanciáját Shimadzu UV-160A spektrofotométerrel azonosan hígított borátpufferrel szemben 440 nm-en és 750 nm-en mértük. Korrekciót alkalmaztunk a 440 nm-en mért vak értékek, valamint a minta 750 nm-en mért abszorbancia értékének figyelembevételével. A víz barna színét, melyet az oldott huminanyagok kölcsönöznek a víznek, Pt-egységben (mg Pt l -1 ) adtuk meg, melyet a 440 nm-en mért abszorbancia értékek alapján számítottunk CUTHBERT & DEL GIORGIO (1992) szerint. III.3.5. A nitrogénformák és az oldott reaktív foszfor meghatározása A vízben oldott ammónia meghatározásához indofenol-kék módszert (MACKERETH et al., 1989), a nitrát meghatározáshoz, Cd-redukciós módszert (ELLIOTT & PORTER, 1971), az urea meghatározáshoz pedig NEWELL et al. (1967) módszerét használtuk. Az ortofoszfát-p meghatározása ammónium-molibdátos eljárással történt (MURPHY& RILEY, 1962). III.3.6. A nano- és mikroplankton vizsgálata A nano- és mikroplankton vizsgálata Lugol-oldattal rögzített mintákból történt UTERMÖHL (1958) módszerével, LUND et al. (1958) útmutatásai szerint. A sejtek 43

44 abundanciája és térfogata alapján kiszámítottuk a frakció biomasszáját (nedves tömeg) a fajsúlyt 1-nek véve (10 9 µm=1 mg). III.3.7. A pikoplankton vizsgálata epifluoreszcens mikroszkóppal Friss vízminták feldolgozása Vizsgálatainkhoz frissen vett vízmintákat használtunk. A hűtve szállított (4-5 o C- on) vízminták feldolgozása minden esetben néhány órán belül megtörtént. A minták szűrése 0,45 µm pórusméretű fekete polikarbonát vagy cellulóz membránfilterek felületére történt. A polikarbonát filterek használata esetén alátétet alkalmaztunk, azaz a szűrőkészülék üvegfritt-je és a preparátum készítéséhez használatos membránszűrő közé egy 0,45 µm pórusméretű cellulóz filtert helyezünk. Ennek jelentősége, hogy segíti a sejtek egyenletes eloszlását. A szűrt mintatérfogat általában 1-10 milliliter volt. A pigmentek védelme érdekében a szűrést gyenge fényben végeztük gyenge vákuum alkalmazása mellett. Miután a minta leszűrődött, a még nedves filtereket csipesz segítségével tárgylemezre helyeztük és 50%-os glicerolba ágyaztuk, majd fedőlemezzel lefedtük. Az esetleges légbuborékok eltávolítása végett a fedőlemezt enyhén megnyomogattuk, majd a felületére nem fluoreszkáló immerziós olajat cseppentettünk (VÖRÖS, 2004). Az így elkészített preparátumokat Nikon Optiphot epifluoreszcens mikroszkóppal vizsgáltuk, előbb kékesibolya (BV-2A) gerjesztőfényt alkalmaztunk (gerjesztőszűrő: nm, dikroikus tükör: 510 nm, zárószűrő: 520 nm) majd zöld (B-2A) gerjesztőfénnyel (gerjesztőszűrő: nm, dikroikus tükör: 580 nm, zárószűrő: 590 nm) vizsgáltuk ugyanazon képmezőt. A készített képpárok segítségével meghatározható és elkülöníthető a pikoalgák két csoportja: a pikoeukarióták és a pikocianobaktériumok. A pikocianobaktériumokon belül pedig szintén elkülöníthetők a sárgán fluoreszkáló fikoeritrin (PE) illetve a vörösen világító fikocianin (PC) pigmentdominanciájú sejtek (8. ábra) (MACISAAC& STOCKNER, 1993). 44

45 a b 8. ábra Kékes-ibolya megvilágításnál a teljes pikoplankton együttes látható: a fikocianin és fikoeritrin pigmentdominanciájú pikocianobaktériumok (nyíllal jelzett sejtek) illetve a pikoeukarióták (a). Ugyanarról a látótérről zöld gerjesztésnél készült felvételen a fikobiliprotein (PBP) tartalmú pikocianobaktériumok élénken fluoreszkálnak (b) a pikoeukarióták pedig alig észrevehetően világítanak. A fagyasztásos eljárás módszere Munkám során előfordult, hogy nem állt módomban a friss minták néhány órán belüli mikroszkópos vizsgálata. Például a 2005 augusztusában történt sorozat mintavétel során a nagyszámú mintavételre való tekintettel kivitelezhetetlen volt ezek azonnali számlálása. A Duna gödi szakaszának rendszeres, több éves vizsgálata is hasonló nehézségekbe ütközött. A fent említett problémák kiküszöbölése végett kidolgoztam egy új eljárást a pikoalga minták tartósítására. Ennek lényege, hogy a friss vízmintát lehetőleg még a helyszínen le kell fagyasztani és a mikroszkópos vizsgálat bekövetkeztéig -20oC-on kell tárolni. 45 Közvetlenül a feldolgozás előtt