А Б Боровков - Зеленая микроводоросль dunaliella salina teod - страница 1

Страницы:
1  2  3 

УДК 582.263

А. Б. Б О Р О В К О В

ЗЕЛЕНАЯ МИКРОВОДОРОСЛЬ DUNALIELLA SALINA TEOD. (ОБЗОР)

На основе литературных данных дано описание внешнего вида, строения и размножения зеленой микроводоросли Dunaliella salina Teod. Рассматривается влияние экологических факторов (соле­ности, элементов питания, рН среды) на жизнедеятельность клеток этого вида водорослей. Пере­числяются области естественного обитания микроводоросли. Проводится анализ способов индук­ции повышенного синтеза и накопления в-каротина клетками Dunaliella.

История обнаружения и краткая характеристика Dunaliella salina Teod.

Красное "цветение" гипергалинных водоемов обнаружили очень давно (1836 г.), однако о причинах его возникновения ученые спорили почти 100 лет. И лишь Дюналь [см. 14] первый связал это явление с развитием микроскопических водорослей, которые впо­следствии стали объектом изучения широкого круга специалистов.

Наибольшую известность среди ботаников и специалистов-практиков получил род Dunaliella семейства Dunaliellaceae, описанный еще в 1905 г. Род водоросли был назван в честь Дюналя, который первым дал правильное объяснение "красного цвете­ния" морской воды. История изучения водоросли подробно изложена в [14].

Род включает 29 солоноводных, морских, пресноводных и почвенных видов; 6 из них найдены на территории Украины исключительно в соленых водоемах. Хорошо известна D. salina - дуналиелла солоноводная, развивающаяся в гипергалинных водо­емах юга Украины (степной Крым). В массовом количестве она вызывает красное "цве­тение", особенно яркое в период летнего испарения воды из мелководных лагун. На по­верхности последних образуется солевой концентрат в виде пластинок из кристаллов соли, а под ними теплая соленая вода (рапа). Водоросль является активным продуцентом глицерола, ряда жирных кислот, в-каротина (провитамина А).

Клетки водоросли разнообразной формы - овальные, эллипсоидные, яйцевид­ные, грушевидные, иногда шаровидные, цилиндрические или веретеновидные; радиаль-но- или билатерально симметричные, редко дорсовентральные или слегка ассиметрич-ные [14]. Размеры клеток разнообразны: их длина может колебаться от 2,8 до 40 мк, ши­рина от 1,5 до 20 мк, объём от 8 до 4500 мк3. Наиболее подробные иллюстрации по из­менчивости дуналиелл имеются в [14], где представлены материалы по гомологическим рядам модификационной изменчивости видов дуналиелл. Это важно учитывать для кон­троля чистоты культуры, поскольку при выращивании клетки D. salina, окруженные лишь плазмолеммой, склонны к метаболии. Проявление последней наиболее сильно вы­ражено при технологическом процессе, когда водоросли подвергаются различным воз­действиям (например, перемешиванию, сепарированию, осаждению, фильтрации и т.д.).

Важную дополнительную информацию при идентификации организма имеет хлоропласт, по цвету чаще всего зеленый, иногда желтый, бурый до красного. В экспе­рименте способность изменять цвет проявляется как реакция на неблагоприятные усло­вия существования. По форме хлоропласт обычно чашевидного типа с пиреноидом и глазком, реже без них. Пульсирующие вакуоли (одна или две) встречаются только у пре­сноводных видов. По обе стороны от папиллы, на выпуклом апикальном конце клетки прикреплены два жгутика. Обычно жгутики одинаковой длины, равной или превышаю­щей длину клетки. У молодых, только что разделившихся клеток один из жгутиков мо­жет быть короче другого.

Клетки D. salina изоконтны и характеризуются веслоподобным движением жгу­тиков. Как и вся клетка, жгутики покрыты протоплазматической мембраной. Их тонкая структура характеризуется обычной конструкцией (9 + 2).

© А. Б. Боровков, 2005

Экология моря. 2005. Вып. 67 5

Для D. salina характерны вегетативный, бесполый и половой типы размноже­ния. Первый является преобладающим, происходит преимущественно в темноте путём поперечного деления клеток. Последовательность деления органелл строго не детерми­нирована и легко нарушается, особенно в старых культурах. При этом образуются урод­ливые формы [14].

В неблагоприятных условиях D. salina способна образовывать цисты бесполого происхождения. Цисты имеют шаровидную форму, толстую двойную оболочку и грану­лированное содержимое, освобождение которого при прорастании происходит через щель в оболочке. Перед прорастанием цисты её содержимое красного цвета зеленеет и делится с образованием 2 - 4 клеток.

Половой процесс у D. salina - гологамного типа. Копуляция может происходить как на свету, так и в темноте. В результате слияния двух клеток образуется неподвижная зигота, покрытая оболочкой (иногда слоистой). Перед прорастанием происходит редук­ционное деление с образованием 2 - 32 клеток. Количество клеток обусловлено разме­рами зиготы и условиями, в которых она развивается.

Географическое распространение. D. salina отмечена в Европе (Средиземно­морье, побережье Черного, Азовского и Каспийского морей), Азии (степная зона Запад­ной Сибири, Казахстан, Средняя Азия, Индия, Ява), Северной Америке (штаты Кали­форния, Невада, Юта), Южной Америке (Чили), северной Африке (Алжир, пустыня Са­хара) и Южной Австралии. В наиболее северных, менее характерных для данного вида местонахождениях (окрестности Иновроцлава, Польша; оз. Карачинское, Новосибирская обл.), обнаружены морфологически отклоняющиеся от типа популяции. На территории всего Земного шара этот вид представлен в аридных зонах (пустыни, степь, реже лесо­степь), т. е. в условиях, способствующих образованию водоемов с высокой степенью минерализации воды. Гипергалинные водоемы, населенные D. salina, размещены не только во внутриконтинентальных, аридных или субаридных областях, но чаще всегона побережьях морей и океанов. Таким образом, D. salina, отмеченная на пяти континен­тах, имеет мультирегиональный тип ареала.

Экологическая толерантность. Общей особенностью всех соленых водоемов является нестабильный солевой режим, на основании чего их относят к пойкилогалин-ным водоемам, в отличие от морских и пресных — гомойогалинных. Нестабильный со­левой режим соленых водоемов является основным контролирующим фактором разви­тия в них альгофлоры. Поэтому водоросли представлены здесь немногочисленными, исключительно пластичными видами, способными выдерживать резкие перепады и ши­рокие границы солености.

Исследование эколого-физиологических, биохимических и цитологических осо­бенностей гипергалобных видов Dunaliella позволили пролить свет на механизм соле-устойчивости. Феноменальная стойкость D. salina к резким осмотическим сдвигам не является результатом изоляции клеток от внешней среды и поддержания в них гомеоста-тических условий. Наоборот, эта устойчивость является результатом легкой проницае­мости ряда плазматических мембран для воды и некоторых ионов, вследствие чего про­исходит быстрое уравновешивание внешнего и внутреннего осмотического давления. Эти процессы, в свою очередь, сопровождаются резкими перепадами концентрации кле­точного сока, что выдвигает новые проблемы приспособления внутриклеточных струк­тур, фотосинтетического аппарата и белков плазмы к этим условиям. Данные многих авторов свидетельствуют о том, что с увеличением солености окружающей среды в клетках Dunaliella происходит перестройка пигментного аппарата, дыхательного и фо­тосинтетического метаболизма, нуклеинового обмена, смена активности терминальных оксидаз, обеспечивающие выживание этих водорослей в экстремальных условиях суще­ствования [13].

Согласно экспериментальным данным, амплитуда солености, которую выдер­живает D. salina, находится в пределах 30 - 300 г/л [14, 19], по мнению других авторов, -2,5 - 500 г/л [41].

Таким образом, экспериментальные данные подтверждают наблюдения в есте­ственных условиях, свидетельствуя об эвригалобном характере этих видов и опровергая взгляд на них как на стеногалобные, облигатно гипергалобные организмы.

Резкое изменение осмотического давления при внезапном разбавлении концен­трированной среды приводит к разрушению и гибели клеток Dunaliella. Однако А. П. Артари [14] установил, что D. salina может выдерживать внезапное изменение концен­трации питательного раствора на 6, 12, 15 и даже 18 % в сторону уменьшения и на 6 - 12 % в сторону увеличения. При этом доказано, что способность приспособляться к резким изменениям концентрации окружающей среды является феноменом, свойственным ин­дивидуальным клеткам, не зависящим от гетерогенности и генетической вариабельности популяции. Благодаря своей выдающейся солеустойчивости гипергалобные виды Du-naliella являются исключительно удобными модельными объектами для изучения меха­низма галофилии.

Массовое развитие Dunaliella в естественных бассейнах чаще всего лимитиру­ется недостатком биогенных элементов, азота и фосфора [14, 42]. Эти элементы влияют на характер метаболизма, состав пигментов, активность фотосинтетических процессов, рост и развитие Dunaliella [14, 28].

Как известно, зеленые водоросли способны усваивать азот органических и неор­ганических соединений. Основными источниками минерального азота являются нитра­ты, нитриты и соли аммония. Способность водорослей к утилизации различных форм азота в значительной степени зависит от активной реакции окружающей среды.

По данным А. П. Артари и Е. С. Милько, наиболее благоприятным источником азота для роста D. salina является азотнокислый натрий. Оптимальная для роста этих водорослей концентрация NaNCte 0,5 - 1г/л, однако темп их размножения почти не зави­сит от концентрации NaNO3 в пределах 0,25 — 20 г /л [19]. Виды Dunaliella хорошо вы­держивают насыщенные растворы нитратов. Широкий ростовой оптимум концентрации различных ингредиентов питательного раствора, особенно стойкость к высоким дозам азота, является большим преимуществом Dunaliella как объектов массового культивиро­вания.

Источником фосфора для видов Dunaliella, как и для большинства других зеле­ных водорослей, служат фосфаты. Из них наиболее благоприятным для роста оказался калий фосфорнокислый двузамещенный, так как большинство видов Dunaliella предпо­читает щелочную реакцию среды [19, 43]. Ростовой оптимум концентрации фосфатов для D. salina находится в пределах, известных для других водорослей (0,02—0,25 г /л К2НР04) [19, 44]. Рост видов Dunaliella наблюдался в широких концентрационных пре­делах 0,004 — 5 г /л К2НРО4, хотя последняя доза угнетала рост водорослей [19].

Сера принадлежит к элементам, входящим в состав всех живых организмов. Минимальные дозы сульфата магния, необходимые для нормального развития видов Dunaliella, находятся в пределах до 2 г/л [11, 40, 43]. В естественных эвгалинных и ги-пергалинных водоемах сернокислый ион имеется в достаточном количестве, обеспечи­вающем нормальный рост и размножение клеток Dunaliella. Концентрация калия и маг­ния в воде эвгалинных и гипергалинных водоемов намного превышает минимальные потребности водорослей [41]. Литературные данные относительно потребности во­дорослей в кальции довольно противоречивы. По [14], хлористый кальций в концентра­ции 0,02 - 2 г/л стимулирует рост культуры D. salina на питательной среде Артари, ус­коряя темп деления клеток. Однако большинство исследователей считает, что следовых концентраций Ca вполне достаточно.

Потребность в Na+ у видов Dunaliella оказалась специфической, так как другие одновалентные ионы не могут заменить натрий в питательной среде [45]. Специфиче­ская потребность в натрии, по-видимому, является общим феноменом для обитателей эв-и гипергалинных вод. У видов Dunaliella минимальная потребность в натрии значитель­но выше, чем в других элементах морской воды [44].

Хлор является основным галогеном в составе большинства, если не всех, водо­рослей. Галобионтный вид D. salina не может расти без Cl [11]. А. П. Артари также за­метил, что «в крепких растворах MgS04 7Н2О рост D. salina лучше в том случае, когда защитную роль выполняет NaCl, а не Na2S04 10Н2О, т. е. тогда, когда анионы разные» [14]. Ростовой оптимум Cl/S04 для D. salina составляет 3,2, а оптимум накопления каро­тина — 8,6 [11].

Микроэлементы являются одним из решающих факторов распространения во­дорослей в природе. Считают, что изготовление карт распределения ростовых веществ и микроэлементов в водоемах с учетом их сезонной периодичности позволит установить закономерности в распространении и сроках возникновения «цветения» воды [44]. Су­ществует многочисленная литература, в которой проблема микроэлементов в жизни во­дорослей освещается с разных точек зрения. Однако данные, касающиеся непосредст­венно представителей рода Dunaliella, очень скудны.

Спектральный анализ солей Сакского и Сасык-Сивашского солепромыслов в Крыму [14] показал, что марганец и медь в этих образцах представлены в следовых ко­личествах, а цинк, бор, кобальт и молибден отсутствуют. Обогащение естественной ра­пы из Сакских водоемов раствором микроэлементов по Гютнеру в опытах увеличивало урожай двухнедельной культуры D. salina в два раза.

Искусственные питательные среды, рекомендованные для выращивания Du-naliella, содержат более или менее разнообразный набор микроэлементов [19, 40, 42, 43], однако эти рекомендации в большинстве случаев не базируются на точном эксперимен­те.

Согласно В. В. Упитису [39] существуют микроэлементы с широкой амплиту­дой оптимума концентрации в среде (Mn, Mo, Co, Cr, Fe, B) и узкой амплитудой (Cu, Zn, Ni, Ti, V, W). Кроме теоретических выкладок он приводит и конкретные эксперимен­тальные данные (свои и других исследователей). Эксперименты Р. П. Тренкеншу и В. Н. Белянина [38] показывают, что при отсутствии лимитирования по макроэлементам раз­витие культуры определяется соотношением микроэлементов.

Жизнедеятельность каждого организма возможна в определенных пределах концентрации Н и ОН-ионов. Кроме непосредственного влияния на жизнеспособность, скорость вегетативного деления или зооспорообразование водорослей, рН играет опо­средованную регуляторную роль в их питании, определяя количество доступного железа в среде, соотношение различных форм азотного и углеродного, автотрофного и гетеро­трофного питания.

Минерализованные эв- и гипергалинные воды благодаря наличию карбонатно-бикарбонатной системы характеризуются устойчивыми буферными свойствами и ней­трально-щелочной активной реакцией. При этом суточные и сезонные колебания рН очень незначительны. Поэтому большинство представителей рода Dunaliella, обитая в гипер- и эвгалинных водоемах, являются стеноионными организмами, предпочитающи­ми нейтрально-щелочную реакцию среды и не выдерживающими резких изменений.

Типичный гипергалоб D. salina в естественных условиях встречается в диапазо­не рН 6,5 — 9,5 [11]. Согласно [19], рост D. salina не зависит от рН равного 7 — 9. По [17], этот вид сохраняет жизнедеятельность при рН 6 — 10,5, по данным Милько — при рН 5,5 — 10. Однако Е. В. Юрина [40] свидетельствует, что при рН 10,8 D. salina еще продолжает фотосинтезировать. Ростовой оптимум рН для этого вида 8 — 9 [17].

Минерализованные водоемы характеризуются своеобразным температурным режимом. Летом температура рапы достигает 80°С, зимой, благодаря высокой концен­трации солей, снижающих точку ее замерзания, охлаждается до 30—32°С ниже нуля.

Таким образом, амплитуда сезонных температурных колебаний соленых водо­емов может достигать 110°С и более. Амплитуда суточных температур также достаточно велика. Поэтому виды Dunaliella, обитающие в этих водоемах, характеризуются исключительной термотолерантностью и могут служить прекрасными модельными объектами для исследования механизмов морозоустойчивости, жароустойчивости и стойкости к резким температурным сдвигам.

Таким образом, гипергалобные виды Dunaliella характеризуются более высокой жароустойчивостью по сравнению с большинством других зеленых водорослей, при­ближаясь в этом отношении к некоторым термофильным организмам. Как известно, вы­сокий температурный максимум является ценным свойством водорослей объектов массового культивирования, в частности потому, что термофильные организмы обла­дают более высокой потенциальной продуктивностью по сравнению с мезофильными.

Характеризуясь значительной теневыносливостью, виды Dunaliella вместе с тем являются гелиофильными организмами [11]. Так, в условиях Сакского и Сасык-Сивашского водоемов при 65 000 лк/с красные клетки D. salina скапливаются в поверх­ностном слое рапы, образуя пленку [11]. Аналогичная картина наблюдалась и при более высокой освещенности порядка 100 тыс. лк и выше.

Таким образом, Dunaliella salina выдерживает широкую амплитуду экстремаль­ных значений различных факторов внешней среды (общей солености, содержания и со­отношения отдельных осмотически действующих и биогенных элементов, температуры, освещенности). Следует подчеркнуть, что оптимальные для этих водорослей значения некоторых параметров (например, освещенности, температуры) близки к тем, которые известны для других Chlorophyta, однако по своей устойчивости к их крайним, экстре­мальным значениям виды Dunaliella намного их превосходят. Кроме того, пред­ставители этого рода характеризуются исключительной устойчивостью к резким и глу­боким изменениям абсолютных значений этих факторов.

Пределы устойчивости, обнаруженные в экспериментальных условиях, как пра­вило, хорошо согласуются с экологической амплитудой этих организмов, наблюдаемой в природе. Однако в отдельных случаях экспериментальные границы устойчивости к крайним значениям некоторых факторов среды оказались более широкими по сравне­нию с наблюдаемыми в естественных условиях.

Пигментный состав. Согласно [16], анализ пигментного состава дуналиелл на примере 12 штаммов и видов показал, что на долю хлорофилла а приходится 50 - 59 % присутствующих в клетке пигментов, на долю хлорофилла b 19 - 25 % суммы послед­них. Еще меньше доля каротиноидов, в том числе с учетом лютеина, антераксантина, входящих в их состав. На долю каротиноидов приходится 8 - 16 % всех пигментов. Со­отношения содержания различных пигментов у дуналиеллы находятся в следующих пределах:

Хлорофиллы / каротиноиды 2,8 - 4,4

Ксантофиллы / каротин 1,3 - 4,2

Хлорофилл а / хлорофилл b 2,1 - 3,0

В целом, эти показатели соответствуют пигментным соотношениям других зе­леных водорослей, хотя степень изученности пигментного состава представителей раз­ных отделов отличается. У наиболее распространенных водорослей идентифицированы все изомеры каротина (а, р, у, є), а также представлен более широкий набор ксантофил­лов (зеаксантин, неоксантин, виолаксантин, микронон, сифоноксантин, сифонеин, астак-сантин, ликопин). При этом следует отметить, что отдельные показатели соотношения пигментов отличаются даже для различных штаммов. При этом абсолютное содержание пигментов и их суммы коррелирует со средними объемами клеток, а степень вариабель­ности - с экологическими особенностями видов.

По сравнению с другими морскими водорослями, дуналиеллы характеризуютсяболее низкими соотношениями хлорофиллы/каротиноиды и ксантофиллы/каротиноиды. К сказанному следует добавить, что в отличие от пигментных характеристик, другие биохимические показатели дуналиелл в благоприятных условиях нахождения вида меж­ду собой не отличаются. Это свидетельствует об определенной пластичности пигмент­ного комплекса водоросли в зависимости от условий ее выращивания. Хотя, как считают Н. П. Масюк и М. И. Радченко, пигментный набор зеленых водорослей помогает в иден­тификации вида при установлении его систематической принадлежности.

Влияние различных факторов на образование каротина клетками Du­naliella salina. Имеющиеся материалы свидетельствуют [21, 23, 22], что уровень содер­жания каротина в технологическом процессе очень изменяется в зависимости от особен­ностей его расчета. Содержание Р-каротина выражают в мг/мл суспензии, в мг/клетку, в % на сухое вещество. Во всех случаях получаются разноплановые данные (табл. 1).

Страницы:
1  2  3 


Похожие статьи

А Б Боровков - Зеленая микроводоросль dunaliella salina teod