Excretion by Benthic Invertebrates as Important Source of Phosphorus in Oligotrophic Ecosystem (Lake Krivoe, Northern Russia)

Abstract

We studied contribution of benthic invertebrates to the dissolved phosphates flux from the bottom sediments to the water in an oligotrophic lake (Lake Krivoe, near the White Sea biological station “Kartesh”, Northern European Russia) in 2009-2013 with the aim to quantify specific (among and within taxa), spatial (littoral and deep sites) and seasonal variability. The excretion rates (Pexc) of soluble reactive phosphorus (SRP) were estimated in experiment with dominating taxa of benthic invertebrates (amphipods, oligochaetes, mollusks, and chironomids), freshly collected from the lake. Mass-specific P excretion rate was calculated as Pexc divided by animal dry mass and further used for calculations of benthic P efflux rates. Also, in other experimental series with and without animals (amphipods) we measured extracellular alkaline phosphatase activity. The results showed that the SRP excretion rates varied significantly between taxa and between different-sized individuals within the same taxa (the SRP excretion rate elevates with an increase in individual weight). Notable spatial and seasonal differences in biomass of benthic animals and phosphorus released by them in the lake were found. The calculated phosphorus efflux by excretory activity of benthic animals was more intensive in littoral sites (up to 14.4 μmol m-2d-1 in July), that 7 times greater than maximum efflux in deep areas (2.2 μmol m-2d-1). The mobile burrowing animals (the amphipods Gammarus lacustris, Monoporeia affinis, and Gammaracanthus loricatus) are able to move from the bottom sediments to water and transfer the nutrient; they contributed 80 % of P flux caused by benthic excretion in the lake and affected the activity of the extracellular alkaline phosphatase, increasing its level in water 3-8 times relative to that in the control (without animals). The high phosphatase activity may increase phosphorus bioavailability by catalyzing hydrolysis of organic phosphorus, and further stimulate primary producers

Работа посвящена количественной оценке вклада бентосных беспозвоночных в поток растворенных фосфатов из донных отложений в воду в олиготрофном озере (оз. Кривое возле Беломорской биологической биостанции «Картеш», север европейской части России) в 2009-2013 гг., которая проводилась с учетом специфических (межвидовых, внутривидовых), пространственных (литораль, профундаль) и сезонных изменений. Удельную по массе тела скорость экскреции фосфатов (P-PO4 3-, растворенная форма) у доминантных по биомассе бентосных беспозвоночных (амфипод, олигохет, моллюсков и хирономид), собранных в озере, измеряли экспериментально после 4 ч экспозиции в воде с известной начальной концентрацией фосфатов и, совмещая с биомассой таксонов в бентали, использовали для расчета общего потока фосфатов. Кроме того, в других экспериментальных сериях с животными и без животных (амфиподы) измеряли активность внеклеточной щелочной фосфатазы в воде. Результаты показали, что уровни экскреции фосфатов значительно различаются между отдельными таксонами и между индивидуумами разной массы в пределах одних и тех же таксонов (скорость экскреции повышается с увеличением индивидуальной массы животных). Обнаружены большие пространственные и сезонные различия в биомассе бентосных животных и количестве фосфора, выделяемого ими в озере. Вычисленный поток фосфора за счет экскреторной активности бентоса был более интенсивным в литорали, достигая 14.4 μмоль м-2 сут-1, что почти в 7 раз превышало максимальный поток в профундали озера (2.2 μмоль м-2 сут-1). Амфиподы Gammarus lacustris, Monoporeia affinis и Gammaracanthus loricatus, способные активно перемещаться в толще донных отложений и плавать в воде, переносили путем экскреции до 80 % от общего потока фосфатов и влияли на активность внеклеточной щелочной фосфатазы, увеличивая ее активность в 3-8 раз по сравнению с контролем (без животных). Высокая активность фосфатазы может увеличить биодоступность фосфора, катализируя гидролиз его органических форм, что, в свою очередь, стимулирует рост первичных продуцентов