И П Муравьёва - Влияние освещенности и характера загрязнения на химический состав ulva rigida ag - страница 1

Страницы:
1  2 

УДК 582.263:581.19(262.5)

И. П. М У Р А В Ь Ё В А

ВЛИЯНИЕ ОСВЕЩЕННОСТИ И ХАРАКТЕРА ЗАГРЯЗНЕНИЯ НА ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ ULVA RIGIDA AG.

Показано, что в ульве Ulva rigida Ag. из Балаклавской бухты Черного моря при отсутствии естест­венного освещения и, в основном, в условиях нефтяного загрязнения наблюдается снижение коли­чества хлорофиллов и каротиноидов, а также белка, аминокислот и свободных нуклеотидов. Отме­чено возрастание суммарного органического вещества водоросли под воздействием мидийных вы­делений и уменьшение его в присутствии нефтепродуктов в воде при концентрации 0.12 - 0.2 - 10.0 мг/л. Наблюдается увеличение содержания белка, нуклеиновых кислот и их предшественников. В присутствии мидийных выделений содержание хлорофилла "а" в ульве увеличивается, а под воз­действием соляра уменьшается.

Ulva rigida Ag. обладает довольно высокой адаптационной способностью к раз­личным экологическим условиям, встречается и в ярко освещенных местах, и в затенен­ных гротах. В природных условиях ульва, как правило, поселяется на твердых субстратах, где предпочитают селиться и мидии. Она не только синтезирует необходимые ей органи­ческие соединения, но, как и другие макрофиты, потребляет растворенные органические вещества извне всей поверхностью таллома. Основным фактором, обеспечивающим су­ществование ульвы, является загрязненность прибрежной зоны различными органически­ми веществами, поступающими в воду с канализационными стоками, и выделениями дру­гих гидробионтов. Известно, что сточные воды, попадая в море, оказывают стимулирую­щее действие на развитие некоторых видов фитобентоса [5, 18]. Ранее было показано, что химический состав ульвы и энтероморфы изменяется не только в зависимости от времени года, но и под влиянием загрязнений [12, 13]. Впервые получены результаты по химиче­скому составу ульвы из Балаклавской бухты Черного моря, долгое время бывшей недос­тупной для гидробиологических исследований. В природных условиях трудно вычленить влияние какого-то конкретного вида загрязнения на гидробионты, поскольку обычно дей­ствует целый комплекс поллютантов. Представляет интерес сравнить химический состав ульвы, произрастающей в разных точках одной бухты при различных условиях освещен­ности и характера загрязнения.

Целью исследования явилось изучение изменения химического состава макрово­дорослей под воздействием отдельных, характерных для бухт прибрежных городов, за­грязнений, таких как органические вещества и нефтепродукты. В качестве объекта иссле­дования выбрана ульва, а района - Балаклавская бухта Черного моря.

Материал и методы. В июле 1992 г. проводились комплексные экологические исследования Балаклавской бухты Черного моря. В частности, проведен анализ макрофи-тообрастаний гидротехнических сооружений, в том числе в одной точке подземного кана­ла (так называемой штольни), в 75 м от выхода из него. Проанализирован химический состав ульвы, взятой из бухты (все донные осадки загрязнены и относятся к III - IV уров­ням загрязнения) и из штольни (V уровень загрязнения [9]). Помимо нефтяного загрязне­ния, характерного для штольни, бухта подвержена загрязнению хозяйственно-бытовыми стоками. Промытые целые талломы водорослей измельчались в жидком азоте.

В 2003 г. поставлены эксперименты по изучению влияния природных органиче­ских соединений и соляра на химический состав ульвы.

Предварительно адаптированные целые талломы ульвы были помещены в 5-литровые сосуды с морской водой из расчета 1 г/л сырого веса водорослей. В контроль­ном сосуде (К) - ульва и морская вода, в опытном сосуде (О) - ульва и морская вода с добавлением природных органических соединений (прижизненных выделений мидий). Мидий поместили в 10-литровое ведро с морской водой, в котором они занимали 1/3 часть объема. Ежедневно из сосудов отбирали по 1 л воды и добавляли соответственно в

© И. П. Муравьева, 2004 72 Экология моря. 2004. Вып. 66контроль 1 л свежей морской воды, в опыт - 1 л мидийных выделений (визуально мутная вода). В ведро с мидиями добавляли соответственно свежую морскую воду. Эксперимент продолжался 12 дней при естественном освещении.

Во втором эксперименте предварительно адаптированные талломы водоросли были помещены в три 5-литровых сосуда с морской водой, взятой из бухты, непосредст­венно у здания ИнБЮМ. В первом сосуде (1) - ульва и морская вода из бухты, во второй сосуд (2) на поверхность воды внесено 0.2 мл соляра, в третий сосуд (3) - 2.0 мл соляра. Сосуды находились на открытом воздухе при естественном освещении, температура воды в сосудах соответствовала таковой в бухте (9°С). Через трое суток водоросли изъяли для химического анализа. Талломы ульвы многократно отмывали от соляра четыреххлори-стым углеродом и хлороформом, а затем водой. Промытые образцы водорослей высуши­вали при температуре 50°С. Брали по 4 навески водорослей соответственно из 1, 2, 3 сосу­дов и исходного материала (И). По одной навеске каждого образца высушивали при тем­пературе 105°С для пересчета результатов на абсолютно сухую ткань. Химический состав водорослей исследовали по схеме комплексного биохимического анализа гидробионтов [5]. Результаты статистически обработаны по критерию Стьюдента (р = 0.05), разброс данных представлен стандартным отклонением.

Результаты и обсуждение. Сумма органических веществ (СОВ) ульвы из Балак­лавской бухты и из штольни близка: 46,43 и 44,38 мг/100 мг сухого веса соответственно. Основную долю СОВ ульвы составляют углеводные соединения (УС): 62,3 % в бухте и 65,3 % в штольне. Сумма углеводов в ульве из бухты и из штольни практически равна (табл. 1), также как и доля углеводов (кислотная, щелочная, трудногидролизуемая фрак­ции), выполняющих защитную функцию в клетках водорослей. Наблюдаются различия в содержании отдельных фракций углеводов. В ульве из штольни содержится больше труд-ногидролизуемых углеводов, вероятно, поэтому структура пластины ульвы из штольни более плотная и кожистая. На обеспечение энергетических потребностей в ульве из штольни в большей степени расходуются моносахариды, количество которых меньше, чем в ульве из бухты. Количество полисахаридов, выполняющих в основном запасную функцию (углеводы типа крахмала), в ульве из штольни немного больше, по сравнению с ульвой из бухты.

Таблица 1. Содержание УС (мг/100 мг сухого веса) в Ulva rigida из А - штольни, Б - бухты Table 1. Ulva rigida carbohydrate compounds content (mg/ 100 mg of dry weight) from A - drift, Б -bay

Точ­ки

Кислотная фракция

Щелочная фракция

Трудногиро-лизуемая фр.

Моносахари­ды

Полисаха­риды:

XX УС

А

Б

11,86 + 0,08 11,68 + 0,24

6,49 + 0,19 6,89 + 0,36

2,70 + 0,09 2,08 + 0,15

2,67 + 0,30 3,72 + 0,09

5,26 + 0,05 4,54 + 0,13

28,98 + 0,71 28,91 + 0,97

Ульва из штольни отличается меньшим содержанием белка, аминокислот, сво­бодных нуклеотидов (табл. 2), хлорофиллов "а" и "в", каротиноидов (табл. 3). Отсутствие света сказывается на содержании пигментов - в темноте пигменты разрушаются [1, 17]. С одной стороны, известно наличие определенной связи между накоплением хлорофилла и белковым синтезом. Ингибиторы белкового синтеза влияют не только на накопление пиг­ментов у разных организмов, действуя на ранних этапах формирования фотосинтетиче­ского аппарата, но тормозят синтез хлорофилла и при сформированном фотосинтетиче­ском аппарате [16]. С другой стороны, сказывается различный характер загрязнения бух­ты и штольни, т. к. водоросли способны накапливать и использовать глюкозу, глицин, гидролизат белка, мочевину, включая их в синтез липидов, белков и углеводов [3]. Пока­затель РНК/ДНК, характеризующий интенсивность биосинтетических процессов и указы­вающий на углеводородную интоксикацию организмов [8], в ульве из штольни ра­вен 6,8, а из бухты 5,6. Экологические факторы влияют, прежде всего, на фотосинтез, ды­хание и проницаемость оболочек зеленых водорослей, что приводит к изменениям их хи­мического состава. Эти изменения можно рассматривать как адаптационные [1].

Таблица 2. Содержание БНП (белок, нуклеиновые кислоты и соответственно их предшест­венники аминокислоты и свободные нуклеотиды, мг/100 мг сухого веса) в Ulva rigida из: А - штольни, Б - бухты

Table 2. Ulva rigida protein compounds content (mg/ 100 mg of dry weight) from: A - drift, Б - bay

Точ­ки

Белок

Свободные нуклеотиды

РНК

ДНК

Аминокис­лоты

X БНП

А

Б

12,86 + 0,07 14,51 + 0,16

0,29 + 0,003 0,38 + 0,009

0,41 + 0,003 0,39 + 0,02

0,06 + 0,01 0,07 + 0,02

0,25 + 0,02 0,37 + 0,04

13,87 + 0,11 15,72 + 0,25

Таблица 3. Содержание липидов и пигментов (мг/100 мг сухого веса) в Ulva rigida из: А - штольни, Б - бухты

Table 3. Ulva rigida lipids and pigments content (mg/ 100 mg of dry weight) from: A - drift, Б - bay

I   Точки   I    Липиды    I Хлорофилл "а" | Хлорофилл "в" |  Каротиноиды   |   X Пигментов ~| А        1,17 + 0,06      0,15 + 0,003        0,17 + 0,003        0,04 + 0,003 0,36 + 0,01

Б 1,26 + 0,18      0,23 + 0,003        0,25 + 0,003        0,06 + 0,003 0,54 + 0,01

Известно, что в экспериментах свежесобранные водоросли - макрофиты всегда нормально функционируют, получая достаточно света и находясь при температуре при­родной морской воды [14]. В табл. 4 представлен химический состав ульвы, находившей­ся в условиях избыточного количества природных органических веществ (прижизненных мидийных выделений) и в контроле.

Таблица 4. Химический состав (мг/100 мг сухого веса) ульвы в контроле (К) и опыте (О) Table 4. Ulva chemical composition (mg / 100 mg of dry weight) in control (К) and experiment (О)

1 1

Свобод. нуклеотиды |

РНК

1 ДНК

| Белок

К

0.07 + 0.025

0.10 + 0.07

0.03 + 0.006

4.85 + 1.09

О

0.22 + 0.07

0.28 + 0.07

0.04 + 0.010

11.60 + 0.95

1                                         Фракции углеводных соединений

1 1

Кислотная |

Щелочная

| Трудногидролизуемая

| Полисахариды:

К

6.40 + 0.65

15.33 + 3.25

9.80 + 1.57

6.80 + 0.44

О

11.45 + 1.97

10.80 + 0.71

8.03 + 1.25

6.13 + 0.32

| |

Липиды |

Хлорофилл "а"

|       Хлорофилл "в"

| Каротиноиды:

К

4.13 + 1.13

0.01 + 0.001

0.01 + 0.001

0.002 + 0.0001

О

6.80 + 0.28

0.02 + 0.001

0.02 + 0.001

0.006 + 0.0001

Из полученных результатов видно, что в присутствии дополнительного количества органических веществ (мидийные выделения) у ульвы наблюдается увеличение содержа­ния свободных нуклеотидов, РНК, белка, липидов, хлорофиллов и каротиноидов. Воз­можно, что мидийные выделения ухудшают прозрачность воды и тем самым включается адаптационный механизм по обеспечению фотосинтетической деятельности ульвы в виде повышения количества хлорофилла. Об увеличении интенсивности биосинтетических процессов в водорослях говорит и повышенное значение показателя РНК/ДНК: в контро­ле - 3.3 и в опыте - 7.0. Сумма углеводов (УС) в ульве из "К" и "О" практически одинако­вая: 38.33 + 5.91 и 36.51 + 4.22 мг/100 мг сухого веса. Изменения наблюдались в содержа­нии кислотной и щелочной фракций углеводов. Защитную функцию выполняют в боль­шей степени кислоторастворимые углеводы, количество которых в ульве из "О"возросло. Вероятно, обменные процессы направлены, в первую очередь, на обеспечение репродуктивной функции ульвы, о чем может свидетельствовать повышение количества РНК, свободных нуклеотидов, белка, а также липидов, уменьшающих удельный вес кле­ток и играющих роль энергетического топлива. В условиях загрязнения природной ор­ганикой (прижизненные мидийные выделения) в суммарном органическом веществе (СОВ) ульвы наблюдалось увеличение доли БНП (белок, нуклеиновые кислоты и их предшественники - свободные нуклеотиды), липидов и пигментов, а доля углеводных соединений уменьшается. Количество СОВ ульвы из опыта составило 116.5 % по срав­нению с контролем.

Известно, что действие нефти в концентрации 1 мл/ л и выше ингибирует био­синтез нуклеиновых кислот и снижает их содержание. Действие нефти в концентрациях менее 1 мл/ л иногда приводило к усилению биосинтеза РНК. В большинстве случаев добавление нефти в концентрациях 0.5 - 1.0 - 2.0 мл/ л приводит к уменьшению содер­жания свободных нуклеотидов. Все эти изменения связаны с нарушением биосинтеза нуклеотидов и нуклеиновых кислот [4, 15]. Так, при действии 0.1 %- ной эмульсии соля­ра и мазута в морской воде отмечено снижение фотосинтетической активности водорос­ли Macrocystis. Исследование влияния сырой нефти в такой же концентрации на фото­синтез черноморских водорослей Enteromorpha intestinalis, Ulva lactuca, Cystoseira barbata показали, что интенсивность фотосинтеза опытных и контрольных экземпляров водорослей на протяжении 3 суток практически не менялась [11]. Количественные из­менения химического состава водорослей связаны с условиями осуществления фотосин­теза и других физиологических функций, поэтому время продолжения эксперимента было ограничено тремя сутками.

В эксперименте с ульвой, находящейся при разных концентрациях внесенного на поверхность воды соляра, во всех сосудах было определено содержание нефтепро­дуктов в воде на ИК-спектрофотометре. В 1-м сосуде оно составило - 0.12 мг/ л, во 2-м - 0.2 мг/ л, в 3-м - 10. 0 мг/ л. Результаты химического анализа ульвы представлены в табл. 5.

Таблица 5. Химический состав ульвы (мг/100 мг сухого веса) при концентрации нефтепро­дуктов в воде: 1 - 0,12 мг/ л, 2 - 0,2 мг/ л, 3 - 10,0 мг/ л; И- исходный материал Table 5. Ulva diemical composition (mg / 100 mg of dry weight) in И- initial material, at concentra­tion: 1 - 0.12 mg / l; 2 - 0.2 mg / l; 3 - 10.0 mg / l of oil products in water

 

Св. нуклеоти­ды

РНК

ДНК

Аминокислоты

Белок

И

1 2

3

0.25 + 0.001 0.15 + 0.04 0.21 + 0.02 0.22 + 0.01

2.22 + 0.16 2.97 + 0.22 2.74 + 0.16 2.41 + 0.01

0.39 + 0.08 0.37 + 0.01 0.31 + 0.02 0.32 + 0.04

0.56 + 0.06 0.26 + 0.07 0.20 + 0.05 0.24 + 0.01

6.94 + 0.34 14.72 +0.89 13.76 + 0.47 12.88 + 0.66

 

Липиды

Углеводоро­ды

Хлорофилл "а"

Хлорофилл "в"

Каротиноиды

И

1 2 3

3.59 + 0.75 4.10 + 0.62 3.65 + 1.19 3.40 + 0.46

1.31 + 0.04 1.66 + 0.09 1.64 + 0.20 2.24 + 0.44

0.17 + 0.006 0.09 + 0.006 0.08 + 0.001 0.07 + 0.001

0.24 + 0.010 0.11 + 0.006 0.11 + 0.001 0.11 + 0.001

0.050 + 0.001 0.024 + 0.001 0.021 + 0.001 0.019 + 0.001

Полученные результаты показывают, что при концентрации 0.12 мг/ л нефте­продуктов в воде содержание в ульве хлорофилла "а", а также вспомогательного пиг­мента хлорофилла "в" снижается почти в 2 раза, по сравнению с исходным материалом; при дальнейшем увеличении концентрации нефтепродуктов в воде наблюдается посте­пенное снижение содержания хлорофилла "а", содержание хлорофилла "в" не изменяет­ся. Известно, что нефть и нефтепродукты влияют на фотосинтез водорослей и содержа­ниє в них хлорофилла "а" - некоторые углеводороды могут подавлять и стимулировать фотосинтез [2]. Количество СОВ в ульве из опытных образцов снизилось, по сравнению с исходным материалом, и составило по 88 % при разных концентрациях нефтепродук­тов в воде. Наблюдались различия в характере изменения содержания отдельных ком­понентов химического состава ульвы. Конечным продуктом фотосинтеза, как известно, являются углеводы. Значительную часть УС ульвы составляют углеводы (кислотная, щелочная и трудногидролизуемая фракции), выполняющие защитную функцию. Доля этих углеводов возрастает с 84.2 % в исходном материале до 90.8 % в ульве из сосуда с концентрацией 0.2 мг/ л нефтепродуктов в воде.

Моно- и полисахариды составляют группу углеводов, обеспечивающих энерге­тические потребности; по мере увеличения концентрации нефтепродуктов в воде их до­ля в УС ульвы снижается с 15.8 % до 9.2 %. Обмен разных фракций углеводов имеет различную направленность (рис. 1).

мг/10 0мг

45

35

25

15 5

И 1

\W\ Кислотораст-воримые углеводы

2 3

Щелочераст-

воримые

углеводы

мг/100мг

10

8

6

4 2 0

И      12 3

Моносахариды

Полисахарид

Рисунок 1. Количественное содержание фракций углеводов ульвы в исходном материале (И) и при концентрации нефтепродуктов в воде: 1 - 0.12 мг/л; 2 - 0.2 мг/л; 3 - 10.0 мг/л Figure 1. Quantitative contents of carbohydrates fractions in initial material (И) and at concentra­tion of oil products in water: 1 - 0.12 mg / l; 2 - 0.2 mg / l; 3 - 10.0 mg / l

При концентрации нефтепродуктов в воде 0.12 мг/ л на различные процессы в водорослях расходуются моносахариды, количество которых резко падает, по сравне­нию с исходным материалом, тогда как количество полисахаридов практически не из­меняется. При возрастании концентрации нефтепродуктов наблюдается увеличение со­держания моносахаридов, в то время как количество полисахаридов снижается. При низкой концентрации нефтепродуктов защитную функцию в клетках водоросли выпол­няют щелочерастворимые углеводы, количество которых уменьшается с увеличением концентрации нефтепродуктов в воде, и защитную функцию начинают выполнять ки-слоторастворимые углеводы, количество которых соответственно возрастает. В целом можно отметить снижение суммы углеводов в ульве с 61.5 + 5.33 мг/100 мг в исходном материале по мере возрастания концентрации нефтепродуктов в воде до 46.51 + 3.13 мг/100 мг.

При концентрации 0.12 мг/ л нефтепродуктов в воде количество РНК в ульве уве­личивается. При возрастании концентрации нефтепродуктов наблюдается замедление биосинтеза нуклеиновых кислот (в большей степени РНК) и постепенное увеличение содержания их низкомолекулярных предшественников - свободных нуклеотидов. Соот­ветственно    количество    белка    в    ульве    сначала    увеличивается,    а затемпостепенно снижается (табл. 5). Биологическая ценность белка водорослей-макрофитов тем выше, чем ниже уровень загрязнения среды их обитания. В умеренно загрязненных районах Одесского залива, где присутствует в основном один тип загрязнения - детер­генты, качество водорослевого белка и его содержание выше, чем в районе с более вы­сокой степенью загрязнения [7].

Значения индекса РНК/ДНК повышаются с 3.8 в исходном материале до 8.8 в ульве из сосуда с концентрацией 0.2 мг/ л нефтепродуктов в воде. Количество липидов в водорослях статистически достоверно не изменяется, тогда как углеводородная фракция значительно увеличивается при возрастании концентрации нефтепродуктов в воде. Из­вестно, что водоросли - макрофиты накапливают углеводороды нефтяного происхожде­ния и могут включать их в синтез собственных углеводородов [2, 10].

Таким образом, состав СОВ ульвы при нефтяном загрязнении изменяется в сто­рону увеличения доли БНП и ЛУВ (липидно-углеводородного комплекса), но уменьше­ния доли УС и суммы пигментов.

Заключение. Сочетание естественных экофакторов с антропогенными в большей степени оказывает влияние на фотосинтетический аппарат клеток водоросли. В ульве из штольни Балаклавской бухты содержание хлорофиллов "а" и "в" и каротиноидов в 1,5 раза меньше по сравнению с таковыми ульву из бухты. На фоне практически равного количества защитных углеводов в ульве из штольни (структура её пластин более плот­ная и кожистая) наблюдается повышенное содержание трудногидролизуемых углеводов. На различные энергетические потребности в ульве из штольни в первую очередь расхо­дуются моносахариды, количество которых в ней здесь меньше, чем в ульве из бухты. Судя по небольшой величине суммарного органического вещества ульвы из сравнивае­мых мест (44,38 мг/100 мг сухого веса в ульве из штольни и 46,43 мг/100 мг в ульве из бухты), можно предположить, что загрязнение Балаклавской бухты оказывает угнетаю­щее действие на обмен основных биохимических компонентов клеток водоросли.

В условиях загрязнения морской воды как природными органическими соедине­ниями (мидийные выделения), так и нефтепродуктами (соляр), наблюдаются количест­венные изменения в химическом составе ульвы. Мидийные выделения, вероятно, вы­ступили в роли своеобразного удобрения, так как наблюдалось увеличение СОВ ульвы, которое составило 116.5 % по сравнению с контрольным образцом, при этом возросла доля БНП, липидов и пигментов. Под влиянием соляра при концентрации нефтепродук­тов в воде 0.12 ... 0.2 ... 10.0 мг/л СОВ ульвы уменьшилось и составило всего по 88 % от исходного, при этом наблюдалось увеличение доли БНП и ЛУВ (в основном за счет углеводородов). При загрязнении, как органическими соединениями, так и нефтепро­дуктами, уменьшилась доля УС в СОВ ульвы. В присутствии мидийных выделений ко­личество хлорофилла "а" и каротиноидов в ульве увеличилось, а под воздействием соля­ра - уменьшилось.

Страницы:
1  2 


Похожие статьи

И П Муравьёва - Влияние освещенности и характера загрязнения на химический состав ulva rigida ag

И П Муравьёва - Сравнение химического состава красных водорослей

И П Муравьева - Химический состав зеленой водоросли enteromorphaintestinalis l link из обрастаний причалов севастопольских бухт черное море

И П Муравьева - Химический состав зеленой водоросли enteromorphaintestinalis l link из обрастаний причалов севастопольских бухт черное море

И П Муравьёва - Химический состав иьул ювтл ас из разных по степени загрязнения акваторий севастополя (черное море)