В Н Поповичев, В Н Егоров - Кинетические закономерности фосфорного обмена черноморской бурой водоросли cystoseira barbata - страница 1

Страницы:
1  2  3 

МОРСЬКИЙ ЕКОЛОГІЧНИЙ ЖУРНАЛ

УДК 582.272:551.464.6 (262.5)

В. Н. Поповичев, н. с., В. Н. Егоров, чл.-корр. НАН Украины, зав. отделом

Институт биологии южных морей им. А. О. Ковалевского Национальной академии наук Украины,

Севастополь, Украина

КИНЕТИЧЕСКИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ ФОСФОРНОГО ОБМЕНА ЧЕРНОМОРСКОЙ БУРОЙ ВОДОРОСЛИ CYSTOSEIRA BARBATA

Представлены данные экспериментальных исследований кинетики фосфорного обмена бурой водоросли Cystoseira barbata в условиях изменения освещённости, концентрации фосфатов, а также добавок сулемы. Методом радиоактивных индикаторов, с использованием 32Р, получены оценки параметров фосфорного об­мена цистозиры для разных морфологических участков ее таллома. Показано, что у водоросли имеется меха­низм регулирования фосфорного метаболизма к условиям фосфатной гиперэвтрофикации морской среды.

Ключевые слова: бурые водоросли, Cystoseira barbata, фосфаты, фосфор-32, обмен фосфора, кинетика, по­глощение, сорбция, выведение, Чёрное море

Автотрофные процессы в прибрежных морских акваториях более чем на 90 % осуще­ствляются за счёт функционирования фитобен-тоса [5]. На видовой состав фитоценозов и их продукционные характеристики существенное влияние оказывают факторы среды, которые в мелководной прибрежной зоне варьируют в широком диапазоне. В роли значимых факто­ров проявляют себя также морфометрические характеристики водорослей, формирующие отклик на экологические условия среды обита­ния, а поверхностно-массовые соотношения их талломов могут определять перестройку фито-ценозов в условиях антропогенного воздейст­вия и гиперэвтрофикации вод [6, 7, 12, 13].

По современным представлениям об­менная функция водорослей, как основа их минерального питания и лимитирования роста биогенными элементами, является важнейшим механизмом продукционного процесса. Поэто­му изучение минерального обмена макрофитов с учетом их морфометрических характеристик составляет необходимое звено в понимании закономерностей, отвечающих за формирова­

© В. Н. Поповичев, В. Н. Егоров, 2009

ние, как структуры, так и биоразнообразия в прибрежных фитоценозах. В связи с этим, цель данной работы состояла в исследовании кине­тических закономерностей фосфорного обмена у разных участков слоевища черноморской цистозиры, с различными морфометрическими параметрами, в условиях изменения освещён­ности, концентрации фосфатов в водной среде и добавок метаболического яда (сулемы).

Материал и методы. Материалом для исследований служила бурая водоросль Cysto­seira barbata (Good. et Wood.) Ag. [5], обитаю­щая в прикреплённом состоянии в акватории севастопольских бухт, талломы которой для экспериментов были отобраны в бухте Омега (Круглая) (44° 36' 05.77" с.ш.; 33° 26' 27.02" в.д.) на глубинах 0.1 - 1.0 м, а её таксономия была любезно определена для нас С. А. Ковар-даковым.

Проводимые в октябре - ноябре 2000 г. экспериментальные исследования базирова­лись на радиоиндикаторном методе, вклю­чающем метод добавок изотопного носителя (NaH231PO4). В качестве метки использовалирадиофосфор (32Р) в виде ортофосфорной ки­слоты без носителя. Для оценки соотношения между сорбционной и метаболической актив­ностью цистозиры в отношении поглощения 32Р служила сулема (HgCl2), которая добавля­лась в экспериментальные аквариумы для по­давления жизненных процессов в водорослях в концентрации 1 мл насыщенного раствора на 1 л воды. Данная процедура позволяла вычле­нять вклад сорбционного механизма при по­глощении 32Р на фоне комплексного процесса его поглощения и сорбции живой цистозирой [1]. Опыты ставились в стеклянных аквариу­мах, которые устанавливались в изотопной ла­боратории вне прямого воздействия солнечно­го света и заполнялись прибрежной водой объ­ёмом 6 л из местообитания цистозиры. Содер­жание минерального фосфора в воде определя­лось Н. И. Бобко по принятой гидрохимиче­ской методике.

Перед постановкой экспериментов с 32Р была проделана морфометрическая работа с талломами цистозиры по определению значе­ний удельной поверхности (S/W) её морфоло­гических частей [6, 12, 13]. Для этого из ветвей талломов вырезали цилиндрические фрагмен­ты длиной 10 мм, обсушивали их промока­тельной бумагой и определяли сырую массу (W) и площадь боковой поверхности (S). На основании этих данных было сформировано три типа образцов водоросли с ветвями, имеющими различные значения удельной по­верхности: 1 - значения S/W свыше 4 мм2-мг-1 сырой массы, отражающие морфометрию вер­хушечных и адвентивных ветвей от 2 до 5-го порядков; 2 - от 1 до 4 мм2-мг-1 (ветви 1 и 2-го порядков) и 3 - с S/W менее 1 мм2-мг-1 (ветви 0 (ствол) и 1-го порядка). Первый тип образцов характеризовался диаметром ветвей не более 0.4 мм, с массой указанных фрагментов не бо­лее 3 мг; второй - диаметром от 0.4 до 1.5 мм, а соответствующая масса варьировала в преде­лах от 3 до 50 мг; третий - диаметром свыше 1.5 мм и массой фрагментов более 50 мг.

Опыты проводили с целыми талломами цистозиры (максимальный диаметр ствола со­ставлял 4.6 мм) с плотностью их посадки в ак­вариумы не свыше 7.5 г-л-1. Указанная плот­ность посадки водорослей была рассчитана, исходя из методических рекомендаций прове­дения количественных радиоэкологических исследований [3] и физиологических требова­ний содержания водорослей в эксперименталь­ных аквариумах, при таком соотношении в них воды и биомассы, чтобы не было автоингиби-рования макрофитов продуктами собственной жизнедеятельности [13].

Радиометрические измерения образцов цистозиры в отношении 32Р проводили по из­лучению Черенкова в стандартных флаконах на жидкостно-сцинтилляционном анализаторе "1219-Rack Beta". Перед этим цилиндрические фрагменты цистозиры промокали фильтро­вальной бумагой, взвешивали на лабораторных весах и микрометром определяли их диаметр для вычисления площади боковой поверхно­сти. Из условий требуемой точности наблюде­ний на каждый тип образцов приходилась вы­борка разного размера: для 1-го типа - от 4 до 9 фрагментов, для 2-го - 3 - 7 и для 3-го - 1 - 4 фрагмента.

Предварительно была проведена работа для оценки самопоглощения 32Р в пробах цис-тозиры, когда радиоактивность её образцов измерялась дважды: сначала без размельчения и растирания в фарфоровой чаше, а затем по­сле проведения данной процедуры. Отношение скоростей счёта импульсов (имп-мин-1) бета-излучения 32Р в пробе после её растирания в порошок и до растирания считали значением коэффициента самопоглощения 32Р в этой про­бе для данных условий радиометрии. Стати­стический разброс его значений, полученных в результате проведённых измерений, был ус­реднён линией регрессии, уравнение которой выражалось прямой: у = 0.13-х + 0.8688. На ос­нове этого уравнения была сформирована таб­лица  значений  данного  коэффициента дляветвей диаметром от 1 до 5 мм, образцы из ко­торых имели его значения выше единицы, и поэтому при радиометрии таких проб вноси­лась коррекция в скорость их счета, учиты­вающая факт самопоглощения 32Р.

Степень аккумуляции 32Р цистозирой характеризовали значениями коэффициента накопления Кн(0, равными отношению кон­центраций радиофосфора в пробах гидробио-нта (Сгр, имп-мин-1-г-1) и воды (Св, имп-мин-1-мл-1) на момент времени (t) отбора пробы. Выведение 32Р водорослями характеризовали отношением внутриклеточных концентраций радиофосфора в рассматриваемый момент времени к начальному, который определялся временем помещения экспериментальных об­разцов из аквариума с радиоактивной меткой в воду, не содержащую 32Р.

По результатам опытов с 32Р при раз­личных добавках в воду стабильного (31Р) ми­нерального  фосфора определяли параметры

К 2000 ■

А

0 1 2 3 4 5 6 |

Время, сутки

уравнения Михаэлиса-Ментен [8] и оценивали возможность его применения для описания скорости поглощения минерального фосфора водорослями при разном его содержании в во­де. Адекватность применимости этого уравне­ния оценивалась подчинённостью эксперимен­тальных данных модифицированному уравне­нию Лайнуивера-Бэрка [8].

Приводимые на рисунках значения ко­эффициента детерминации (R2) отражают ка­чество аппроксимации полученных данных линией регрессии в виде экспоненциальной функции [12].

Результаты и обсуждение. На рис. 1 показаны кинетические зависимости 5.1-суточного накопления (А) и 12-суточного вы­ведения (Б) 32Р разными морфологическими участками цистозиры, полученные по резуль­татам опытов по накоплению радиофосфора и последующего переноса образцов водоросли в аквариумы с нерадиоактивной морской водой.

С Гр / С1,0 н

Б

0,1

т

і

2

д

3

0 2 4 6 8 10

Время, сутки

отн. ед.

1600

1

1200

800

2

400

3

Рис. 1 Кинетика накопления (А) 32Р разными морфологическими участками цистозиры (S/W, мм2-мг-1): 1 - > 4; 2 - (1 - 4); 3 - < 1, а также его выведения (Б) в нерадиоактивной морской воде после 5.1-суточной экспо­зиции цистозиры в аквариуме с 32Р

Fig. 1 Kinetics of accumulation (A) of 32Р by different morphological parts of Cystoseira barbata (S/W, mm2-mg-1): 1 - > 4; 2 - (1 - 4); 3 - < 1, and of its loss (Б) in non-radioactive seawater after 5.1-day incubation of C. barbata in aquarium with 32P

Представленные на рис. 1 А материалы наблюдений показывают, что наиболее интен­сивно накапливали 32Р ветви цистозиры с более высокой удельной поверхностью (S/W). В то же время рис.1Б иллюстрирует, что кинетика выведения 32Р водорослями, выраженная в от­носительных единицах (Сгр/Сгр0), не зависела Морський екологічний журнал, № 1, Т. VIII. 2009 от морфологических особенностей их талломов (Сгр0 - концентрация 32Р в цистозире на момент начала опыта по его выведению в нерадиоак­тивную воду). Из данных рис. 1Б видно, что при природном (~ 10 мкгР-л-1) уровне содер­жания    минерального    фосфора    в водекинетическая кривая выведения 32Р образцами из талломов водоросли в логарифмическом масштабе по оси ординат не трансформируется в прямую линию. Графический анализ этой кривой дал возможность вычленить две экспо­ненты и определить их константы, что позво­лило достаточно адекватно описать представ­ленную на рис. 1 Б кинетическую кривую вы­ведения 32Р цистозирой двухэкспоненциальной функцией:

СФ(0 / Сгр0 = 0.6 - exp(- 0.02 - t) + 0.4 - exp(- 1.39 - t)

(1)

С точки зрения современных теорети­ческих представлений о минеральном обмене [9], данный факт свидетельствует, что фосфор­ное питание цистозиры связано более чем с одним фондом, обмениваемым фосфор со ско­ростью метаболических реакций первого по­рядка. Для количественной интерпретации этих данных нами выдвинута гипотеза о кине­тике фосфорного обмена каждым из морфоло­гических участков цистозиры, описываемой камерной математической моделью с двумя обменными фондами минерального фосфора [9, 10]. Данный подход позволил кинетику об­мена 32Р цистозирой интегрально представить функцией вида:

Кн(0 = Кнс - В1 - exp(-p1 - t) - В2

exp(-P2 - t) ,

(2)

где Кн(0 - коэффициент накопления 32Р в мо­мент времени t; Кнс - стационарное, статиче­ское или предельное значение Кн(0 при t да, причем Кнс = В1 + В2; В1 и В2 - показатели объ­емов соответственно медленно- и быстрообме-ниваемого фондов; p1 и p2 - соответствующие константы обмена с размерностью t-1, вычис-ляе мые через постоянные полузатухания экс­понент (ri): pi = ln2/ri.

Адекватность гипотезы о структуре фосфорного метаболизма цистозиры устанав­ливалась сравнением результатов наблюдений, иллюстрируемых рис. 1, с описанием этих ки­нетических закономерностей уравнениями (1) и (2). Выполнение общепринятых процедур аппроксимации приведенных на рис. 1 данных экспоненциальными функциями [2, 4, 9, 10] позволило определить параметрическую базу фосфорного обмена цистозиры, приведённую в табл. 1, где С10 и С20 - концентрации 32Р соот­ветственно в медленно- и быстрообменивае-мом фондах цистозиры на момент начала опы­та по его выведению в нерадиоактивную воду:

Сгр0 = С10 + С20.

Табл. 1 Оценки параметров уравнений (1) и (2) для разных морфологических участков цистозиры Table 1 Estimated parameters of equations (1) and (2) for different morphological parts Cystoseira barbata

уча­стка

S/W, мм2-мг-1

КХ0

(при t = 5.1 сут)

 

В1

В2

С10 /Сгр0

С20 гр0

Р 1 , сут-1

Р 2 ,

сут-1

1

> 4

1536

10075

9460

615

0.6

0.4

0.02

1.39

2

1 - 4

418

2741

2574

167

0.6

0.4

0.02

1.39

3

< 1

84

551

517

34

0.6

0.4

0.02

1.39

Результаты расчётов кинетики накоп­ления 32Р водорослями уравнением (2) с учётом данных, приведённых в табл. 1, отражают ли­нии на рис. 1А. Опыты по выведению этого радионуклида, описанные уравнением (1), от­ражены кривой на рис 1 Б. Сравнение результа­тов расчётов и наблюдений свидетельствует о достаточной адекватности принятой теорети­ческой гипотезы. Анализ экспериментальных

наблюдений в совокупности с их теоретиче­ской интерпретацией показывает, что актив­ность в поглощении минерального фосфора водорослями из водной среды в значительной степени определяется поверхностно-массовы­ми (размерно-весовыми) соотношениями их талломов. В то же время, при природных уров­нях содержания минерального фосфора в вод­ной среде, внутриклеточный фосфор обменивается по типу метаболических реакций первого порядка для каждого из обменных фондов с равной относительной интенсивно­стью для всех морфологических структур во­дорослей. Различие показателей скорости об­мена фосфора в фондах (р1 и р2) свидетельст­вует, что отдельные реакции фосфорного мета­болизма в водорослях протекают со скоростя­ми, отличающимися на один - два порядка ве­личин. Вместе с тем следует отметить, что тео­ретическая интерпретация представленных ма­териалов не позволяет придавать сорбционное или метаболическое соответствие отдельным фондам, т. к. используемые в качестве их иден­тификационных признаков параметры экспо­ненциальных функций не позволяют решать задачу однозначного вычленения всех экспо­нент по результатам экспериментальных на­блюдений. Интерпретация приведенных на рис. 1 и в табл. 1 данных с точки зрения теории камерного анализа [9] позволяет заключить,

К,

S / W Порядок ветвей

< 1 0 - 1

1- 4 1 - 2

> 4 2 - 5

R2 - 0,866

О - 1 ▲ - 2

22-

■qpr-g?

0123456789 S / W , мм2 / мг

что комплекс медленных реакций фосфорного обмена у цистозиры составляет около 60 %, а быстрых - 40 % от потребляемого потока ми­нерального фосфора. Время полного кругово­рота фосфора (Т) в обменных фондах может быть оценено по формуле: Т ~ 5-т05, где т05 -период времени полуобмена фонда (или пери­од полузатухания соответствующей экспонен­ты): т05 = 0.693 [9]. Расчеты с использованием данных табл. 1 показывают, что быстрые реак­ции фосфорного метаболизма протекают на масштабе 2.5 суток, а медленные - на масшта­бе 173 суток. Граница разделения быстрого и медленного масштабов фосфорного метабо­лизма хорошо отслеживается на рис. 1Б в виде спрямления кривой выведения 32Р цистозирой после 2.5 суток экспозиции наблюдений.

Результаты экспериментальных оценок концентрационных характеристик различных морфологических участков цистозиры в отно­шении 32Р показаны на рис. 2.

Кн / S , мм-2

R2 - 0,825

О - 1

▲ - 2

■о

0123456789

S / W , мм2 / мг

2000

200

1600

160

1200

120

800

80

400

40

0

Рис. 2 Зависимости: (А) - коэффициента накопления (Кн) 32Р цистозирой и (Б) - его удельной (на ед. площа­ди) величины (К/Б, мм-2) от поверхностно-массового отношения (S/W, мм2-мг-1) при 5.1-суточной экспози­ции в аквариуме без добавки сулемы (1) и с ее добавкой (2)

Fig. 2 Dependencies of: (A) - concentration factor (Кн) 32P of its accumulation by Cystoseira barbata and (Б) - its specific (per surface unit) value (Кн/Б, mm-2) from the surface-mass ratio (S/W, mm2-mg-1) after 5.1-day incubation in aquarium without addition of HgCl2 (1) and with the addition of HgCl2 (2)

Построенные по результатам наблюде­ний аппроксимационные кривые на этом ри­сунке отражают экспоненциальную зависи­мость коэффициента накопления (Кн) 32Р (рис. 2А) и его удельной (Кн/Б, мм-2) (на ед. площа­ди) величины (рис. 2Б) при изменении поверх­

Морський екологічний журнал, № 1, Т. VIII. 2009

Страницы:
1  2  3 


Похожие статьи

В Н Поповичев, В Н Егоров - Кинетические закономерности фосфорного обмена черноморской бурой водоросли cystoseira barbata