Estimation of cell distribution heterogeneity at toxicological experiments with clonal cultures of benthic diatoms

Main Article Content

A. N. Petrov

head of department, PhD

http://orcid.org/0000-0002-0137-486X

https://elibrary.ru/author_items.asp?id=742861

E. L. Nevrova

leading researcher, D. Sc.

http://orcid.org/0000-0001-9963-4967

https://elibrary.ru/author_items.asp?id=742525

Abstract

An increase in anthropogenic pressure on coastal water areas requires regular monitoring of marine ecosystems. The appropriate bioindicators for indirect assessment of the quality of the near-shore environment are benthic diatom algae, which are a key element of coastal communities and are highly sensitive to environmental impact. Changes in the development of diatoms under the influence of various toxicants may be used as relevant tool for monitoring of marine environment quality. However, scientific and methodological approaches to application of benthic diatom algae as test objects remain unstudied. One of the important methodological problems is the assessment of the significance of the samples in experimental vessels when counting cells abundance at different stages of toxicological test. The study is focused on assessment of the statistical significance of the equality of the initial mean number of cells of clonal culture inoculum placed into each of the replicates, as well as the statistical uniformity of cell distribution over the entire bottom area of Petri dishes. We used clonal cultures of three benthic diatom species belonging to different classes of Bacillariophyta: Thalassiosira excentrica Cleve, 1903 (Coscinodiscophycea), Ardissonea crystallina (C. Agardh) Grunow, 1880 (Fragilariophyceae), and Pleurosigma aestuarii (Bréb. in Kütz.) W. Smith, 1853 (Bacillariophyceae). They significantly differ in valve morphology and life history (floating in water mass, attached to substrate, and motile). The results of statistical comparison of cell number variability in the experiment for all studied species confirmed the absence of significant differences between the mean values of the tested parameter at a standard significance level (0.05). It was shown that despite specific differences in cell growth rate during the experiment, the variability in cell number in the microscope viewing fields varies irregularly. The highest value of the variability coefficient was observed on the 5th day for the small-sized species T. excentrica (Cv = 42…55 %), and the lowest variability – for the large-cell species A. crystallina (Cv = 27…31 %). The absence of significant differences in cell number between three replicates (for each species) was established both during the initial placing of inoculum into the dishes and on the following days of the experiment. The conclusion is applicable for each of diatom species studied, which allows to consider all replicates as subsamples of the replicate sample and to average the results obtained at different stages of the toxicological experiment. The uniformity of cell distribution throughout experimental dishes bottom, which does not depend on species and absolute cell number, was statistically proven. The results obtained allow to statistically reliably estimate the changes in cell number at different stages of toxicological experiment according to replicate sampling, based on cell counting in a limited number of viewing fields.

Article Details

Petrov A. N., Nevrova E. L. Estimation of cell distribution heterogeneity at toxicological experiments with clonal cultures of benthic diatoms. Marine Biological Journal, 2020, vol. 5, no. 2, pp. 76-87. doi: 10.21072/mbj.2020.05.2.07
Keywords:
toxicological experiment, methodology, statistical estimation, Bacillariophyta, Thalassiosira excentrica, Ardissonea crystallinа, Pleurosigma aestuarii, Black Sea
Section
Scientific communications

References

Айздайчер Н. А., Реунова Ю. А. Влияние детергентов на рост диатомовой водоросли Thalassiosira pseudonana в культуре // Биология моря. 2002. Т. 28, № 5. С. 362–365. [Aizdaicher N. A., Reunova Yu. A. The effect of detergents on growth of the diatom Thalassiosira pseudonana in culture. Biologiya morya, 2002, vol. 28, no. 5, pp. 362–365. (in Russ.)]

Гайсина Л. А., Фазлутдинова А. И., Кабиров Р. Р. Современные методы выделения и культивирования водорослей : учебное пособие. Уфа : Изд-во БГПУ, 2008. 152 с. [Gaisina L. A., Fazlutdinova A. I., Kabirov R. R. Sovremennye metody vydeleniya i kultivirovaniya vodoroslei : uchebnoe posobie. Ufa : Izd-vo BGPU, 2008, 152 p. (in Russ.)]

Гелашвили Д. Б., Безель В. С., Романова Е. Б., Безруков М. Е., Силкин А. А., Нижегородцев А. А. Принципы и методы экологической токсикологии. Нижний Новгород : Нижегородский госуниверситет, 2015. 142 с. [Gelashvili D. B., Bezel’ V. S., Romanova E. B., Bezrukov M. E., Silkin A. A., Nizhegorodtsev A. A. Printsipy i metody ekologicheskoi toksikologii. Nizhnii Novgorod : Nizhegorodslii gosuniversitet, 2015, 742 p. (in Russ.)]

Гусляков Н. Е., Закордонец О. А., Герасимюк В. П. Атлас диатомовых водорослей бентоса северо-западной части Чёрного моря и прилегающих водоёмов. Киев : Наукова думка, 1992. 115 с. [Guslyakov N. E., Zakordonets O. A., Gerasimyuk V. P. Atlas diatomovykh vodoroslei bentosa severo-zapadnoi chasti Chernogo morya i prilegayushchikh vodoemov. Kiev : Naukova dumka, 1992, 115 p. (in Russ.)]

Давидович Н. А., Давидович О. И., Подунай Ю. А. Коллекция культур диатомовых водорослей Карадагской научной станции (Крым) // Морской биологический журнал. 2017. Т. 2, № 1. С. 18–28. [Davidovich N. A., Davidovich O. I., Podunay Yu. A. Diatom culture collection of the Karadag scientific station (Crimea). Morskoj biologicheskij zhurnal, 2017, vol. 2, no. 1, pp. 18–28. (in Russ.)]. https://doi.org/10.21072/mbj.2017.02.1.03

Диатомовый анализ. Кн. 3. Определитель ископаемых и современных диатомовых водорослей. Порядок Pennales / ред. А. И. Прошкина-Лавренко. Москва ; Ленинград : Госгеолитиздат, 1950. 398 с. [Diatomovyi analiz. Kn. 3. Opredelitel’ iskopaemykh i sovremennykh diatomovykh vodoroslei. Poryadok Pennales / A. I. Proshkina-Lavrenko (Ed.). Moscow ; Leningrad : Gosgeolitizdat, 1950, 398 p. (in Russ.)]

Кабанова Ю. Г. Органический фосфор как источник питания фитопланктона : автореф. дис. … канд. биол. наук : 03.00.18. Москва, 1958. 13 с. [Kabanova Yu. G. Organicheskii fosfor kak istochnik pitaniya fitoplanktona : avtoref. dis. … kand. biol. nauk : 03.00.18. Moscow, 1958, 13 p. (in Russ.)]

Крайнюкова А. Н. Биотестирование и охрана вод от загрязнения // Методы биотестирования вод. Черноголовка : ГК ОП СССР, 1988. С. 4–21. [Krainyukova A. N. Biotestirovanie i okhrana vod ot zagryazneniya. In: Metody biotestirovaniya vod. Chernogolovka : GK OP SSSR, 1988, pp. 4–21. (in Russ.)]

Маркина Ж. В. Применение микроводорослей для оценки качества морской воды и действия детергентов : автореф. дис. … канд. биол. наук : 03.00.18 ; 03.00.16. Владивосток, 2008. 21 с. [Markina Zh. V. Primenenie mikrovodoroslei dlya otsenki kachestva morskoi vody i deistviya detergentov : avtoref. dis. … kand. biol. nauk : 03.00.18 ; 03.00.16. Vladivostok, 2008, 21 p. (in Russ.)]

Маркина Ж. В. Действие детергентов и поверхностно-активных веществ на рост, физиологические и биохимические показатели одноклеточных водорослей (обзор). Известия ТИНРО. 2009. Т. 156. С. 125–134. [Markina Zh. V. Influence of detergents and surface-active substances on unicellular algae growth, physiological and biochemical parameters (review). Izvestiya TINRO, 2009, vol. 156, pp. 125–134. (in Russ.)]

Маркина Ж. В., Айздайчер Н. А. Влияние детергентов на динамику численности и физиологическое состояние бентосной микроводоросли Attheya ussurensis (Bacillariophyta) в культуре. Биология моря. 2007. Т. 33, № 6. С. 432–439. [Markina Zh. V., Aizdaicher N. A. The influence of detergents on the abundance dynamics and physiological state of the benthic microalgae Attheya ussurensis (Bacillariophyta) in laboratory culture. Biologiya morya, 2007, vol. 33, no. 6, pp. 432–439. (in Russ.)]

Маркина Ж. В., Айздайчер Н. А. Оценка качества вод Амурского залива Японского моря на основе биотестирования с применением одноклеточной водоросли Pheodactylum tricornutum Bohlin // Сибирский экологический журнал. 2011. Т. 18, № 1. С. 99–105. [Markina Zh. V., Aizdaicher N. A. Phaeodactylum tricornutum Bohlin bioassay of water quality of Amur Bay (the Sea of Japan). Sibirskii ekologicheskii zhurnal, 2011, vol. 18, no. 1, pp. 99–105. (in Russ.)]

Неврова Е. Л. Бентосные диатомовые водоросли (Bacillariophyta) Чёрного моря: разнообразие и структура таксоценов различных биотопов : дис. … докт. биол. наук. Москва, 2015. 445 с. [Nevrova E. L. Bentosnye diatomovye vodorosli (Bacillariophyta) Chernogo morya: raznoobrazie i struktura taksotsenov razlichnykh biotopov. [dissertation]. Moscow, 2015, 445 p. (in Russ.)]. https://dlib.rsl.ru/01005555099

Неврова Е. Л., Снигирева А. А., Петров А. Н., Ковалева Г. В. Руководство по изучению морского микрофитобентоса и его применению для контроля качества среды / под ред. А. В. Гаевской. Севастополь ; Симферополь : Н. Оріанда, 2015. 176 с. [Nevrova E. L., Snigireva A. A., Petrov A. N., Kovaleva G. V. Guidelines From Quality Control of the Black Sea. Microphytobenthos / A. V. Gaevskaya (Ed.). Sevastopol ; Simferopol : N. Orianda, 2015, 176 p. (in Russ.)]. https://doi.org/10.21072/978-5-9907290-2-5

Прошкина-Лавренко А. И. Диатомовые водоросли планктона Чёрного моря. Москва ; Ленинград : Изд-во АН СССР, 1955. 222 с. [Proshkina-Lavrenko A. I. Diatomovye vodorosli planktona Chernogo morya. Moscow ; Leningrad : Izd-vo AN SSSR, 1955. 222 p. (in Russ.)]. https://repository.marine-research.org/handle/299011/6623

Прошкина-Лавренко А. И. Диатомовые водоросли бентоса Чёрного моря. Москва ; Ленинград : Изд-во АН СССР, 1963. 243 с. [Proshkina-Lavrenko A. I. Diatomovye vodorosli bentosa Chernogo morya. Moscow ; Leningrad : Izd-vo AN SSSR, 1963, 243 p. (in Russ.)]

Реунова Ю. А., Айздайчер Н. А. Влияние детергента на содержание хлорофилла а и динамику численности у микроводоросли Chroomonas salina (Wils.) Butch. (Cryptophyta). Альгология. 2004. Т. 14, № 1. С. 32–38. [Reunova Yu. A., Aizdaicher N. A. Vliyanie detergenta na soderzhanie khlorofilla a i dinamiku chislennosti u mikrovodorosli Chroomonas salina (Wils.) Butch. (Cryptophyta). Al’gologiya, 2004, vol. 14, no. 1, pp. 32–38. (in Russ.)]

Романова Д. Ю., Петров А. Н., Неврова Е. Л. Действие сульфата меди на рост и морфологию клеток клоновых культур четырёх видов бентосных диатомовых водорослей (Bacillariophyta) Чёрного моря // Морской биологический журнал. 2017. Т. 2, № 3. С. 53–67. [Romanova D. Yu., Petrov A. N., Nevrova E. L. Copper sulphate impact on growth and cell morphology of clonal strains of four benthic diatom species (Bacillariophyta) from the Black Sea. Morskoj biologicheskij zhurnal, 2017, vol. 2, no. 3, pp. 53–67. (in Russ.)]. https://doi.org/10.21072/mbj.2017.02.3.05

Спиркина Н. Е. Исследование культуры зелёной микроводоросли Monoraphidium arcuatum как нового тест-объекта для оценки качества водной среды : дис. … канд. биол. наук. Москва, 2016. 172 с. [Spirkina N. E. Issledovanie kul’tury zelenoi mikrovodorosli Monoraphidium arcuatum kak novogo test-ob"ekta dlya otsenki kachestva vodnoi sredy. [dissertation]. Moscow, 2016, 172 p. (in Russ.)]

Шлегель Г. Общая микробиология : пер. с нем. Москва : Мир, 1987. 567 c. [Schlegel H. G. Allgemeine Mikrobiologie. Moscow : Mir, 1987, 567 p. (in Russ.)]

Andersen R. A., Berges J. A., Harrison P. J., Watanabe M. M. Recipes for freshwater and seawater media. In: Algal culturing techniques / R. A. Andersen (Ed.). San Diego : Elsevier Academic Press, 2005, pp. 429–538.

Davidovich N. A., Davidovich O. I., Podunay Yu. A., Gastineau R., Kaczmarska I., Poulíčková A., Witkowski A. Ardissonea crystallina has a type of sexual reproduction that is unusual for centric diatoms. Scientific Reports, 2017, vol. 7, article 14670 (16 p.). http://www.nature.com/articles/s41598-017-15301-z

Kim J. W., Price N. M. The influence of light on copper-limited growth of an oceanic diatom, Thalassiosira oceanica (Coscinodiscophyceae). Journal of Phycology, 2017, vol. 53, iss. 5, pp. 938–950. https://doi.org/10.1111/jpy.12563

Markina Z. V., Aizdaicher N. A. Content of photosynthetic pigments, growth, and cell size of microalga Phaeodactylum tricornutum in the copper-polluted environment. Russian Journal of Plant Physiology, 2006, vol. 53, no. 3, pp. 305–309. https://doi.org/10.1134/S1021443706030034

Markina Zh. V., Aizdaicher N. A. Influence of the ariel detergent on the growth and physiological state of the unicellular algae Dunaliella salina (Chrorophyta) and Plagioselmis protonga (Cryptophyta). Hydrobiological Journal, 2010, vol. 46, iss. 2, pp. 49–56. https://doi.org/10.1615/HydrobJ.v46.i2.60

Reid G. A revision of the family Pleurosigmataceae / A. Witkowski (Ed.). Ruggell : A. R. G. Gantner Verlag K. G., 2012, 163 p. (Diatom Monographs ; vol. 14).

Rijstenbil J. W., Gerringa L. J. A. Interactions of algal ligands, metal complexation and availability, and cell responses of the diatom Ditylum brightwellii with a gradual increase in copper. Aquatic Toxicology, 2002, vol. 56, iss. 2, pp. 115–131.

Round F. E., Crawford R. M., Mann D. G. The Diatoms. Biology and Morphology of the Genera. Cambridge : Cambridge University press, 1990, 747 p.

Seckbach J., Kociolek J. P. (Eds). The Diatom World. Berlin ; Heidelberg ; New York : Springer Verlag, 2011, 533 p. (Book series : Cellular Origin, Life in Extreme Habitats and Astrobiology ; vol. 19). https://doi.org/10.1007/978-94-007-1327-7

SigmaPlot 12.5 User’s Guide. USA : Systat Software Inc., 2013, 455 p.