Механізми біотичного взаємовпливу прісноводних мікроводоростей

Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

ІНСТИТУТ ГІДРОБІОЛОГІЇ

03.00.17 - Гідробіологія

Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора біологічних наук

Механізми біотичного взаємовпливу прісноводних мікроводоростей

Кірпенко Наталя Іванівна

Київ-2011

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Інституті гідробіології НАН України

Офіційні опоненти:

Доктор біологічних наук, професор Фіненко Зосим Зосимович, Інститут біології південних морів НАН України, завідувач відділу екологічної фізіології водоростей

Доктор біологічних наук, професор, член-кореспондент НАН України Мусатенко Людмила Іванівна, Інститут ботаніки ім. М.Г. Холодного НАН України, завідувачка відділу фітогормонології

Доктор біологічних наук, професор Грубінко Василь Васильович, Тернопільський національний педагогічний університет ім. В. Гнатюка, завідувач кафедри загальної біології

Захист відбудеться « 15 » грудня 2011 р. о __11__ годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.213.01 в Інституті гідробіології НАН України, 04210, м. Київ, вул. Героїв Сталінграду, 12.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Інституту гідробіології НАН України (04210, м. Київ, вул. Героїв Сталінграду, 12).

Автореферат розісланий 2011 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради,

доктор біологічних наук А.В. Ліщук

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність проблеми. Одним з актуальних завдань гідробіології є з'ясування закономірностей формування й функціонування альгоугруповань, як первинної автотрофної ланки і основи біопродуктивності водних екосистем. Належність водоростей до різних відділів та різних еволюційних рівнів вказує на складність організації фітопланктону як біологічної підсистеми (Щербак, Майстрова, 2001). Незважаючи на велике значення цього компоненту гідробіоценозів, наразі нема достатньо повних уявлень щодо механізмів сукцесій - явищ, які відбуваються при постійній закономірній зміні видового складу альгоугруповань.

Угруповання водоростей розвиваються під впливом різноманітних чинників, серед яких, поряд з фізико-хімічними характеристиками середовища, не менш важливе значення мають чинники біологічної природи. Найменше з них досліджено біотичний взаємовплив представників альгофлори. Дослідження взаємозв'язків між водоростями набуває важливого значення, оскільки за несприятливих умов, в тому числі обумовлених глобальними змінами, біорізноманіття може перешкоджати еволюції окремих видів, змінюючи їх відгук на екологічні чинники (De Mazancourt, Johnson, Barraclough, 2008).

Інтенсивність росту і функціонування водоростей в складі угруповань суттєво відрізняється порівняно з окремими популяціями (Саут, Уиттик, 1990; Набивайло, Титлянов, 2006; Lam, Silvester, 1979). Пошукам пояснень цього феномену присвячені роботи відомих вчених (Винберг, 1967; Хайлов, 1971; Саут, Уиттик, 1990; Hutchinson, 1961). Про актуальність проблеми свідчать численні публікації, що стосуються взаємодії водоростей, проте фізіолого-біохімічні наслідки, рушійні сили та механізми їх біотичного взаємовпливу лишаються практично не дослідженими.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота пов'язана з виконанням планових держбюджетних тем Інституту гідробіології НАН України «Оцінити роль водяних рослин у процесах трансформації азотовмісних сполук у водоймах різного типу» (№ 0194U019358); «Дослідити зв'язок функціональних і морфологічних характеристик фотосинтезуючих гідробіонтів з чинниками формування якості води» (№ 0197U003309); «Дослідити фізіолого-біохімічні механізми впливу гідрофітів на зміни низки показників якості води» (№ 0198U003582); «Дослідити вплив біологічно активних сполук водяних рослин на формування якості води та перспективи їх практичного використання» (№ 000U003771); «Дослідити метаболічні шляхи взаємодії водоростей та вищих водяних рослин» (№0110U002113); спільного українсько-російського проекту «Дослідження «цвітіння» води, що викликають токсичні види водоростей у прісних водоймах (Україна і Східний Сибір) за допомогою мікроскопічних, молекулярно-біологічних та аналітичних методів» (№ 0109U008024).

Мета і завдання дослідження. Метою роботи було встановлення фізіолого-біохімічних закономірностей та основних механізмів біотичного взаємовпливу прісноводних водоростей. Для досягнення мети вирішували такі завдання:

- дослідити особливості росту водоростей у змішаних культурах порівняно з монокультурами, встановити основні закономірності їхнього взаємовпливу в залежності від деяких біотичних (стадія розвитку, систематична належність, екологічна характеристика) та абіотичних (освітленість) чинників і виявити основні типи взаємодії;

- встановити особливості перебігу основних фізіологічних процесів (фотосинтез, дихання, нагромадження розчиненої органічної речовини) у змішаних культурах водоростей порівняно з монокультурами;

- дослідити динаміку біохімічних показників у процесі взаємодії водоростей (активність окисно-відновних ферментів, кількість і фракційний склад ендо- й екзогенних білків, інтенсивність вільнорадикальних процесів у культуральних середовищах);

- з'ясувати реакцію водоростей на вторинні метаболіти різної хімічної природи (феноли, алкалоїди, аміни);

- виявити відмінності у складі й співвідношенні екзометаболітів у змішаних культурах водоростей порівняно з монокультурами;

- сформувати загальну схему фізіолого-біохімічних шляхів взаємовпливу водоростей.

Об'єкт дослідження: біотичний взаємовплив водоростей.

Предмет дослідження: особливості функціонування та механізми біотичного взаємовпливу прісноводних водоростей у модельних угрупованнях.

Методи дослідження: методи культивування водоростей; світлова та люмінесцентна мікроскопія; фізіолого-біохімічні методи дослідження функціональної активності водоростей з використанням фотоколориметрії й спектрофотометрії, диск-електрофорезу у поліакриламідному гелі, методу реєстрації хемілюмінесценції, високоефективної рідинної хроматографії. При виконанні роботи біоетичні норми не порушені.

Наукова новизна одержаних результатів. Робота є першим комплексним дослідженням взаємовпливу водоростей на клітинному та популяційному рівнях, де показано, що взаємовплив представників альгофлори є вагомим чинником формування їхньої функціональної активності.

На лабораторних популяціях 18 видів Chlorophyta та Cyanoprocaryota виявлено особливості росту й функціонування водоростей за умови їхнього взаємовпливу і виділено типи біотичної взаємодії.

Вперше встановлено фізіолого-біохімічні наслідки біотичного взаємовпливу водоростей, обґрунтовано висновок щодо стресорної природи цього чинника, показано тотожність виявлених змін загальнобіологічному явищу адаптаційного синдрому клітинних систем. Встановлено, що взаємодія водоростей викликає перебудову метаболізму і призводить до змін інтенсивності таких основних фізіологічних процесів, як фотосинтез, дихання, екскреція органічних речовин, а також активності ферментів, вмісту і фракційного складу ендо- й екзогенних білків, складу екзометаболітів. Вперше виявлено дигідрометилжасмонат в позаклітинних виділеннях низки прісноводних водоростей. Показано, що біотичний взаємовплив видів призводить до змін вмісту алелопатично активних речовин: він індукує утворення бензойної кислоти та посилення синтезу дигідрометилжасмонату.

Виявлено відмінності перебігу вільнорадикальних процесів у культуральних середовищах одновидових та змішаних культур водоростей. Показано, що генерація активних форм кисню та зміна інтенсивності окисно-відновних і вільнорадикальних процесів є одним з основних механізмів їхнього біотичного взаємовпливу.

Запропоновано загальну схему фізіолого-біохімічних шляхів взаємодії водоростей.

Практичне значення одержаних результатів. Одержані результати мають важливе значення для з'ясування закономірностей екологічного метаболізму водних екосистем, встановлення та прогнозування особливостей формування й функціонування альгоугруповань та їх участі у перебігу внутрішньоводоймних процесів.

Встановлені закономірності можуть служити обґрунтуванням заходів біологічної меліорації водойм з метою регулювання порушень водних екосистем і запобігання гіпертрофованому розвитку окремих представників альгофлори.

Виявлені зміни біохімічного складу клітин в процесі взаємодії водоростей можуть бути покладені в основу розробки способів регуляції біосинтезу окремих компонентів біомаси та біологічно активних речовин з метою підвищення ефективності промислового культивування цих гідробіонтів.

Результати роботи підтверджують участь бензойної кислоти та жасмонатів у формуванні біотичних взаємовідносин представників альгофлори, що дає підставу рекомендувати ці сполуки як альгіциди.

Особистий внесок здобувача. Авторка особисто обґрунтувала тему, мету й основні завдання, виконала експериментальні дослідження, провела аналіз та узагальнення одержаних результатів, сформулювала висновки, розробила схему метаболічних шляхів взаємовпливу водоростей.

У процесі підготовки дисертації консультативну допомогу з окремих питань надавали д.б.н. О.Й. Сакевич, д.б.н. П.Д. Клоченко, д.б.н. А.В. Ліщук, к.б.н. Т.Ф. Шевченко. Практичну допомогу у виконанні роботи надавали к.б.н. В.О. Медведь, м.н.с. І.Б. Зубенко, к.б.н. О.C. Потрохов, к.б.н. О.Г. Зіньковський, а також д.б.н. Є.О. Курашов та к.б.н. Ю.В. Крилова з Інституту озерознавства РАН, С.-Петербург (розділення й ідентифікація екзометаболітів водоростей). Технічну допомогу періодично надавали к.б.н. О.М. Усенко, пров. інж. Н.В. Рибак, ст. лаб. Л.М. Бондаренко.

Участь колег у дослідженнях відображена у спільних публікаціях. Автор висловлює їм щиру вдячність.

Апробація результатів дисертації. Результати роботи були представлені на: 4th International Conference on Toxic Cyanobacterium (Beaufort, 1998); 2й та 3й Міжнародній конференції «Актуальные проблемы современной альгологии» (Київ, 1999; Харків, 2005); Всеросійській конференції «Актуальные проблемы водохранилищ» (Борок, 2002); 2й та 3й Міжнародній науковій конференції «Озерные экосистемы: Биологические процессы, антропогенная трансформация, качество воды» (Мінськ-Нароч, 2003; 2007); Ювілейній науковій конференції студентів, аспірантів і молодих учених «Биоразнообразие. Экология. Эволюция. Адаптация» (Одеса, 2003); Міжнародній конференції «Современные проблемы физиологии и биохимии водных организмов» (Петрозаводськ, 2004); Міжнародній конференції «Первичная продукция водных экосистем» (Борок, 2004); Міжнародній науково-практичній конференції «Эколого-биологические проблемы водоемов бассейна р. Днепр» (Нов.-Каховка, 2004); Міжнародній конференції пам'яті д.б.н., проф. Б.А. Флерова «Современные проблемы водной токсикологии» (Борок, 2005); УІ Всеросійській школі-конференції по водних макрофітах «Гидроботаника-2005» (Борок, 2005); 3d International Conference«Ecological Chemistry» (Кишинів, 2005); Міжнародній науковій конференції «Физиология микроорганизмов в природных и экспериментальных системах (памяти проф. М.В. Гусева)» (Москва, 2006); Міжнародній науковій конференції «Алелопатія та сучасна біологія» (Київ, 2006); Третій та Четвертій Всеукраїнській науковій конференції «Гідрологія, гідрохімія, гідроекологія» (Київ, 2006; Луганськ, 2009); Всеросійській конференції «Эколого- биологические проблемы вод и биоресурсов: пути решения» (Ульянівськ, 2007); Міжнародній науковій конференції «Современные ййй йц проблемы гидробиологии. Перспективы, пути и методы решений - 2» (Херсон, 2008); 1 Міжнародній науково-практичній конференції «Озера та штучні водойми України: сучасний стан й антропогенні зміни» (Луцьк, 2008); Всеросійській конференції «Фундаментальные и прикладные проблемы ботаники в начале ХХІ века» (Петрозаводськ, 2008); Всеросійській конференції з міжнародною участю «Водные и наземные экосистемы: проблемы и перспективы исследований» (Вологда, 2008); УІ З'їзді фізіологів рослин України (Київ, 2009); ІІІ, ІУ, У з'їздах Гідроекологічного товариства України (Тернопіль, 2001; Карадаг, 2005; Житомир, 2010).

Публікації. Результати дисертації викладено у 52 публікаціях, в тому числі 18 одноосібних, з них 24 - у фахових виданнях, решта - в наукових журналах, збірниках, матеріалах конференцій, з'їздів, симпозіумів, а також патентах України.

Обсяг і структура дисертації. Дисертація складається з вступу, семи експериментальних розділів, узагальнення, висновків та списку літератури, що нараховує 501 назву. Робота ілюстрована 56 таблицями та 109 рисунками. Загальний обсяг рукопису становить 332 сторінки.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

БІОТИЧНИЙ ВЗАЄМОВПЛИВ ВОДОРОСТЕЙ (Стан проблеми)

Подано критичний огляд фахової літератури щодо впливу абіотичних і біотичних чинників на функціонування представників альгофлори. Проаналізовано наявні відомості щодо взаємовпливу водоростей, його фізіолого-біохімічних наслідків, метаболітів, що його обумовлюють. Складні взаємозв'язки, які виникають в альгоценозах, поряд з абіотичними чинниками відіграють важливу роль у формуванні біологічного різноманіття та продуктивності водних екосистем, проте досі не існує чіткого уявлення про явище взаємодії водоростей, його фізіолого-біохімічні закономірності й механізми, що зумовлює необхідність детального дослідження цієї проблеми.

ОБ'ЄКТИ ТА МЕТОДИ ДОСЛІДЖЕНЬ

Дослідження проведені на лабораторних популяціях водоростей з близькими оптимумами параметрів зовнішнього середовища, які у природних водоймах зазвичай вегетують одночасно і здатні рости на одному поживному середовищі, зокрема Microcystis aeruginosa Kьtz. emend Elenk., HPDP-6; Microcystis pulverea (Woodw.) Forti emend Elenkin, HPDP-30; Lyngbya limnetica Lemmerm., HPDP-9; Oscillatoria acutissima Kuff., HPDP-64; Oscillatoria neglecta Lemmerm., HPDP-25; Phormidium autumnale f. uncinata (C. Agardh.) N.V. Kondrat., HPDP-36; Anabaena cylindrica Lemmerm., HPDP-1; Anabaena flos-aquae (Lyngb.) Brйb., HPDP-26; Anabaena variabilis Kьtz., HPDP-4; Anabaena sp., РСС- 7120 (Cyanoprocaryota); Acutodesmus dimorphus (Turp.) P. Tsarenko (=Scenedesmus acutus Meyen), HPDP-108; Acutodesmus obliquus (Turp.) P. Tsarenko (=Scenedesmus obliquus (Turp.) Kьtz.), HPDP-104; Chlorella vulgaris Beijer., HPDP-119; Desmodesmus armatus (Chodax.) Hegew. (=Scenedesmus armatus (Chodax.) Chodax.), HPDP-110; Desmodesmus communis (E. Hegew.) E. Hegew. (=Scenedesmus qudricauda (Turpin) Brйb.), HPDP-109; Monoraphidium contortum (Thur.) Komarek-Legn. (= Ankistrodesmus contortus Thur. in Brйb.), IBASU-A 364; Selenastrum gracile Reinsch. (=Ankistrodesmus gracillis (Reinsch.) Korschikov), HPDP-115; Tetraedron caudatum (Corda) Hansg., IBASU-A 277 (Chlorophyta) з колекцій Інституту гідробіології та Інституту ботаніки ім. М.Г. Холодного НАН України. Водорості вирощували на середовищі Фітцджеральда у модифікації Цендера й Горема (Методы..., 1975) за температури 23-26°С, освітлення лампами денного світла протягом 16 годин на добу з інтенсивністю 3,5-5 клк (в окремих експериментах 0,5, 5 та 25 клк).

Взаємовплив водоростей досліджували на змішаних культурах як модельних альгоугрупованнях. Порівнювали функціональні показники моно- і змішаних культур, які вирощували паралельно за однакових умов. Для уніфікації умов живлення та освітлення монокультури з'єднували в рівному співвідношенні за кількістю клітин або біомаси з тим розрахунком, щоб густина моно- і змішаної культур була близькою.

Густину культур та фізіологічний стан водоростей визначали за допомогою світлової й люмінесцентної мікроскопії (Методы.., 1975). Інтенсивність росту нитчастих або дрібноклітинних форм водоростей оцінювали за приростом сухої маси. Обчислювали коефіцієнти приросту чисельності клітин, питому швидкість та інтенсивність пригнічення росту.

Інтенсивність фотосинтезу і темнового поглинання кисню визначали склянковим методом у кисневій модифікації, вміст розчиненої органічної речовини - методом спалювання культуральних фільтратів з дихроматом калію (Методы…, 1975). Фільтрати одержували шляхом фільтрування через мембранні фільтри «Синпор» № 4 (діаметр пор 0,85 мкм) або центрифугування суспензій протягом 15 хв при 3500 g (8000 об/хв). Концентрацію біогенних елементів у фільтратах визначали загальновідомими методами (Алекин, Семенов, Скопинцев, 1973), рН контролювали за допомогою рН-метра рН-340.

Склад екзогенних метаболітів моно- та змішаних культур визначали у гексанових екстрактах культуральних фільтратів (Курашов, Крылова, 2010) на хромато-мас-спектрометричному комплексі TRACE DSQ II (Thermo Electron Corporation) з квадрупольним мас-аналізатором на колонці Thermo TR-5ms SQC 1,5 м х 0,25 мм з фазою ID 0,25 мкм (газ-носій - гелій). Мас-спектри знімали в режимі сканування по повному діапазону мас (30-580 m/z) у програмованому режимі температур. Для ідентифікації виявлених речовин використовували бібліотеки мас-спектрів «NIST-2005» та «Wiley», для кількісного аналізу - внутрішні стандарти декафлуоробензофенон, бензофенон і метилстеарат.

Для з'ясування реакції представників альгофлори на різні рослинні метаболіти використано комплекси фенольних та алкалоїдних сполук макрофітів та водоростей, кореневище Nuphar lutea (L.) Smith., окремі феноли, аміни та нітрозаміни.

Кількість білків у біомасі визначали методом Лоурі (Lowry et al., 1951), в культуральних середовищах - методом Бремхола (Bramhall et al., 1969). Спектр білків оцінювали за допомогою диск-електрофорезу у 10-12% поліакриламідному гелі за методом Лемлі (Laemmli, 1970) у 6 М сечовині за рН 8,8-8,9. Фіксували електрофореграми 7% трихлороцтовою кислотою, фарбували барвником амідочорним 10В. Білкові компоненти характеризували за відносною електрофоретичною рухливістю та площею дисків на електрофореграмах, для оцінки молекулярної маси використовували білки- стандарти.

У біомасі водоростей визначали активність нітратредуктази (КФ 1.6.6.3) (Ермаков и др., 1987), у біомасі та культуральних фільтратах - активність каталази (КФ 1.11.1.6) (Починок, 1976; Антипчук, Кіреєва, 2005).

Рівень окисно-відновних процесів у культуральних середовищах оцінювали за інтенсивністю хемілюмінесценції (Лукина, Синельников, 1969) в системі пероксид водню - каталізатор - люмінол. Аналізували також вміст продуктів пероксидного окиснення ліпідів - дієнових кон'югатів та малонового диальдегіду (Стальная, 1977; Стальная, Гаришвили, 1977).

Проби фітопланктону відбирали на Київському водосховищі та в затоці Оболонь Канівського водосховища, склад і кількісні показники встановлювали стандартним альгологічним методом після фіксації 40% формальдегідом (Топачевский, Масюк, 1984).

Статистичну обробку проводили за допомогою пакету прикладних програм Statistica 6.0 і Microsoft Office Excel 2007.

ВЗАЄМОВПЛИВ ВОДОРОСТЕЙ ЗАЛЕЖНО ВІД АБІОТИЧНИХ ТА БІОТИЧНИХ ЧИННИКІВ

Встановлено, що в той час, як в окремих популяціях ріст водоростей характеризується класичними закономірностями, спільне культивування різних видів у переважній більшості випадків супроводжується відхиленням їхніх ростових характеристик. Так, коефіцієнти приросту чисельності M. aeruginosa у спільних культурах з D. communis, M. contortum, Ch. vulgaris за 10 діб зменшились з 1,82 (монокультура) до 1,27, 0,36, 0,25 відповідно, водночас фільтрати Anabaena sp. 7120 стимулювали ріст D. communis та Ch. vulgaris в середньому більш, ніж на 15% та 40% порівняно з монокультурами. Фільтрати перифітонної синьозеленої водорості Ph. autumnale f. uncinata у логарифмічній фазі росту пригнічували розмноження планктонних зелених Ch. vulgaris та D. сommunis, а у стаціонарній посилювали розмноження D. сommunis у 2,77 рази порівняно з монокультурою. У 80% дослідів зафіксовано уповільнення росту одного чи обох видів протягом усього терміну спостережень або в окремі проміжки часу, у 10% - посилення, в 10% інтенсивність росту достовірно не відрізнялась порівняно з монокультурами, тобто гальмування спостерігалось частіше (рис. 1).



Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

Рис. 1. Кількісне співвідношення ефектів гальмування та стимуляції росту окремих видів у змішаних культурах водоростей

Враховуючи, що запасів поживних речовин вистачає для інтенсивного росту водоростей протягом 15-30 діб (для монокультур різних видів), зовнішні умови для моно- і змішаних культур однакові, а їх початкова щільність характеризується близькими величинами, гальмування ростових процесів при спільному зростанні свідчить про вплив такого чинника як біотична взаємодія видів.

Виявлено декілька типів взаємовпливу водоростей: пригнічення одного з видів (O. neglecta пригнічує S. gracile); взаємне пригнічення (Ch. vulgaris + S. gracile, Ch. vulgaris + D. armatus, M. aeruginosa + S. gracile, M. aeruginosa + Ch. vulgaris та ін.); інколи стимуляція росту (чисельність Ch. vulgaris та D. communis збільшується під впливом фільтрату Anabaena sp.; M. aeruginosa викликає скорочення лаг-фази і прискорення розмноження D. communis).

Взаємовплив властивий водоростям різних систематичних відділів і різних екологічних груп і залежить від фази розвитку: найбільший ефект спостерігається, якщо один з видів знаходиться у експоненційній фазі росту, інший - у стаціонарній. Водорості в експоненційній фазі більш активні щодо іншого виду і самі менше відчувають його негативний вплив.

Взаємовплив водоростей зберігається за різних умов зовнішнього середовища, хоча абіотичні чинники впливають на його силу та спрямованість. Наприклад, за різної освітленості відрізняються і темпи приросту клітин, і реакція водоростей на присутність іншого виду: за дуже низького рівня освітленості 0,5 клк зафіксовано не тільки мінімальні показники росту популяції D. armatus, а й максимальне її пригнічення (75%) в змішаній культурі з Ch. vulgaris. Тобто біотичний взаємовплив найбільш негативно проявляється за несприятливих умов, що на наш погляд є результатом адитивної дії екстремально низького рівня освітленості та впливу іншої водорості, що узгоджується і з висновками інших дослідників (Набивайло, 2008). Оптимальною для D. armatus як у моно-, так і в змішаній культурі виявилась освітленість 25 клк, при цьому присутність Ch. vulgaris додатково посилювала його розмноження (питома швидкість росту м = 0,60 та 1,36 доба-1 відповідно), тобто біотичні взаємодії сприяють розвитку виду за оптимальних умов. Водночас взаємовплив є видоспецифічним: для монокультури Ch. vulgaris більш сприятливою була освітленість 5 клк (м = 0,40 доба-1), проте в змішаній культурі з D. armatus її ріст за цієї освітленості було пригнічено більш, ніж на 60%. Освітленість 25 клк виявилась для Ch. vulgaris надлишковою (м = 0,18 доба-1), але в присутності D. armatus спостерігалась стимуляція її росту на 90%. Отже вплив іншого виду змінив відгук водорості на зміну умов зовнішнього середовища.

Таким чином, взаємовплив водоростей є видоспецифічним, не залежить від систематичного положення та екологічної характеристики видів і спостерігається за різних умов зовнішнього середовища, хоча його прояви можуть кардинально відрізнятись, а відхилення умов середовища від оптимальних посилює його наслідки.

ФУНКЦІОНУВАННЯ ВОДОРОСТЕЙ ЗА ВЗАЄМОВПЛИВУ ВИДІВ

Для оцінки функціональної активності водоростей за взаємовпливу видів проаналізовано зміни інтенсивності фотосинтезу, темнового поглинання кисню та нагромадження розчиненої органічної речовини (РОР). Експерименти проводили на логарифмічній стадії росту культур водоростей, коли кількість бактерій в них мінімальна і не перевищує 0,3-3,3% від загальної маси (Сакевич, 1985; Тиберкевич, Сакевич, 2001), тому можна із значною часткою вірогідності вважати, що показники темнового поглинання кисню та концентрації РОР певним чином відображають динаміку процесів дихання водоростей і формування ними позаклітинної органічної речовини.

Дослідження фотосинтезу змішаних культур підтвердило наявність активного взаємовпливу водоростей. Змішуючи культури у близькому кількісному співвідношенні можна очікувати, що показники інтенсивності фотосинтезу займатимуть проміжне положення між величинами окремих популяцій. У деяких випадках така закономірність зберігається (M. aeruginosa + Ac. dimorphus), проте в більшості варіантів інтенсивність фотосинтезу суттєво відрізняється: для одних культур спостерігається його збільшення, для інших - суттєве зниження вже з перших моментів взаємодії (рис. 2).

Рис. 2. Питома фотосинтетична активність моно- і змішаних культур: А - Microcystis aeruginosa (1), Desmodesmus communis (2), Microcystis aeruginosa + Desmodesmus communis (3); Б - Microcystis aeruginosa (4), Selenastrum gracile (5), Microcystis aeruginosa + Selenastrum gracile (6)

Примітка: тут і далі «тривалість вирощування 0 діб» означає відбір проб через 30 хв після змішування культур

Взаємодія видів з сильним антагоністичним взаємовпливом супроводжується не тільки уповільненням росту, а й тривалим пригніченням фотосинтезу, що свідчить про виснаження адаптаційних можливостей водоростей. В разі більш слабких взаємодій водорості посилюють фотосинтетичну активність з метою підвищення стійкості до пошкоджувального впливу іншого виду.

В спільних культурах водоростей порушуються закономірності темнового поглинання кисню. Якщо для M. aeruginosa + An. flos-aquae, які в природних водоймах часто розвиваються одночасно, зміни цього показника несуттєві, то для M. aeruginosa + L. limnetica зафіксовано його низькі величини протягом усього терміну спостережень, незважаючи на відсутність антагонізму на рівні ростових процесів в обох варіантах (рис. 3).

За відсутності або незначного пригнічення росту (D. communis + Anabaena sp. 7120, Ch. vulgaris + An. flos-aquae) зміни темнового поглинання кисню відзначаються меншою амплітудою і менше відрізняються у часі. Для видів із значним негативним взаємовпливом порушення поглинання кисню більш виражені і тривалі.

Зміни інтенсивності фотосинтезу й дихання подібні до тих, що характерні для першої, адаптаційної фази інтоксикації водоростей за вегетації у токсичному середовищі (Брагинский, Величко, Щербань, 1987), тобто мають пристосувальний характер.

Рис. 3. Інтенсивність темнового поглинання кисню у моно- та змішаних культурах: А - Microcystis aeruginosa (1), Anabaena flos-aquae (2), Microcystis aeruginosa + Anabaena flos-aquae (3); Б - Microcystis aeruginosa (4), Lyngbya limnetica (5), Microcystis aeruginosa + Lyngbya limnetica (6)

Вміст позаклітинних органічних речовин в окремих популяціях водоростей змінюється згідно відомих закономірностей: найвищі показники характерні для лаг-фази; на експоненційній стадії розвитку вони поступово зменшуються, а з виходом на стаціонарну стадію знову зростають. В змішаних культурах водоростей динаміка кількості РОР суттєво відрізняється. В багатьох випадках на початку вирощування концентрація РОР істотно нижча, ніж у відповідних монокультурах (рис. 4).

Рис. 4. Динаміка нагромадження РОР у культуральних середовищах моно- та змішаних культур: А - Chlorella vulgaris (а), Desmodesmus armatus (б), Chlorella vulgaris + Desmodesmus armatus (в); Б - Chlorella vulgaris (ж), Monoraphidium contortum (з), Chlorella vulgaris + Monoraphidium contortum (і)

Зниження вмісту органічних речовин може бути досить суттєвим. Так, в середовищі T. caudatum протягом першої доби концентрація РОР становила 42,2 мг О/дм3, D. communis - 35,6 мг О/дм3, а для їх змішаної культури лише 15,2 мг О/дм3. На наш погляд, це є наслідком тимчасового скорочення обміну з зовнішнім середовищем у присутності іншого виду. Таке явище спостерігається на різних рівнях організації за несприятливих умов і є характерним для стресу (Браун, Моженок, 1987).

В кінці логарифмічної і на початку стаціонарної фази росту нагромадження РОР у змішаних культурах значно посилюється і перевищує показники монокультур. Так, в середовищах M. aeruginosa, Ch. vulgaris, M. contortum, S. gracile концентрація РОР становила 9,5-26,0 мг О/дм3 (в середньому 16,3±7,2 мг О/дм3), а в їх змішаних культурах - 22,4-51,2 мг О/дм3 (41,2±11,1 мг О/дм3), що свідчить про погіршення умов для росту водоростей.

За взаємовпливу порушується узгодженість метаболічних процесів. Якщо зазвичай уповільнення нагромадження РОР супроводжує інтенсивний фотосинтез (Сакевич, Усенко, 2008), то в змішаних культурах концентрація РОР може змінюватись як однонаправлено, так і різноспрямовано зі щільністю і фотосинтетичною активністю. Особливо це помітно у перші дні вирощування, коли зменшення інтенсивності нагромадження РОР спостерігається на фоні як зростання, так і зниження фотосинтетичної активності змішаних культур, тобто взаємовплив водоростей викликає перебудову метаболічних процесів.

Таким чином, внаслідок біотичних взаємодій фотосинтетичні, дихальні та видільні процеси водоростей в угрупованнях відзначаються іншими закономірностями, ніж в окремих популяціях. Біотичний взаємовплив здійснюється через регуляцію метаболічних процесів і є вагомим чинником функціонування водоростей. Зміну їх функціональної активності за взаємодії слід розглядати як один з механізмів пристосування цих рослин до співіснування з іншими видами.

ФІЗІОЛОГО-БІОХІМІЧНІ ОСОБЛИВОСТІ ВЗАЄМОВПЛИВУ ВОДОРОСТЕЙ

Живим клітинам властива висока узгодженість фізіологічних процесів, тому взаємодія водоростей супроводжується системними змінами на фізіолого-біохімічному рівні. Це стосується, зокрема, білкового обміну.

Вміст білків. Кількість білків у біомасі водоростей коливається у широких межах: у синьозелених їх визначено 97,5-183,7 мг/г сухої маси, у зелених - 27,8-73,4 мг/г. За взаємовпливу видів вміст білків зазнає істотних змін: в одних змішаних культурах він значно перевищує середні показники монокультур, в інших - суттєво знижується порівняно з ними (табл. 1).

Зростання кількості білків відбувається у тих випадках, коли водорості не зазнають істотного пригнічення росту, наприклад відносний вміст окремих видів в спільних культурах D. communis + M. contortum, D. communis + T. caudatum, M. contortum + T. caudatum становив протягом досліду 40,5-59,2%.

Таблиця 1

Вміст білків у біомасі змішаних культур водоростей

Водорості	Вміст білків, (мг/г)	Співвідношення експериментальних і розрахованих величин, %
Microcystis aeruginosa + Anabaena variabilis	162,8±11,3	161,7
Desmodesmus communis + Monoraphidium contortum	129,0±9,6	344,0
Desmodesmus communis + Tetraedron caudatum	85,4±7,2	141,6
Monoraphidium contortum + Tetraedron caudatum	97,2±6,3	192,1
Oscillatoria neglecta + Acutodesmus obliquus	57,3±5,2	48,3
Oscillatoria neglecta + Selenastrum gracile	51,7±4,9	45,9
Acutodesmus obliquus + Selenastrum gracile	33,2±3,7	69,7

- середнє між показниками відповідних монокультур

Водночас в клітинах водоростей із значним негативним взаємовпливом вміст білків зменшується на фоні зниження функціональної активності. Так, у змішаній культурі O. neglecta + S. gracile кількість клітин S. gracile за тиждень зменшилась на 30%, фотосинтез був пригнічений протягом усього періоду спостережень, а вміст білків знизився більш, ніж удвічі, порівняно з середніми значеннями монокультур.

Таким чином, взаємодія водоростей суттєво впливає на їх білковий обмін. Як відомо, погіршення умов існування клітин тваринних і рослинних організмів викликає стимуляцію синтезу або утворення за рахунок лізосомального протеолізу окремих адаптивних білків, що є складовою загального адаптаційного синдрому, який формується в процесі пристосування до несприятливих умов (Проссер, 1983; Браун, Моженок, 1987; Голов'янко, Косаківська, 2006). Взаємовплив представників альгофлори є певною мірою несприятливим чинником, що пояснює зростання вмісту білків. Посилення негативного впливу супроводжується зменшенням кількості білків внаслідок пригнічення їх синтезу та/або посилення внутрішньоклітинного протеолітичного розщеплення (Браун, Моженок, 1987; Немова и др., 2007). Подібну реакцію спостерігали також в разі спільного вирощування інших несумісних організмів (Дьяков, 2009).

Взаємодія водоростей впливає на фракційний склад білків. В основному білкові спектри контрольних і дослідних культур подібні, проте в змішаних культурах за допомогою використаного методу розділення не вдалось визначати від однієї до п'яти фракцій, наявних в обох або одній монокультурі. Для деяких фракцій спостерігаються відхилення у величині відносної електрофоретичної рухливості (ВЕР), які дозволяють припустити зміну конформації білків чи появу ізомерів з близькими молекулярними масами, що можна розглядати як свідчення стресового стану клітин (Тупик, Золотарева, 2008). В змішаній культурі Ac. obliquus + S. gracile виявлено додаткову смугу з ВЕР 0,18, відсутню у монокультур. Порівняння з характеристиками стандартних препаратів білків свідчить про те, що молекулярна маса цієї сполуки 110-115 кДа. Напевне вона відноситься до стресових білків, біосинтез яких, як відомо, інтенсифікується або індукується в несприятливих умовах, в тому числі, при взаємодії різних організмів (Барбье, 1978).

У біомасі змішаних культур водоростей спостерігається перерозподіл фракційного складу білків. В основному, відносна кількість окремих фракцій займає проміжне положення між такою монокультур, проте вміст низки фракцій значно знижується, інших - істотно перевищує середні показники монокультур (рис. 5). Суттєві відхилення у співвідношенні фракцій свідчать про перебудову метаболізму загалом.

Рис. 5. Відносний фракційний вміст білків у біомасі водоростей: А - Oscillatoria neglecta (1), Acutodesmus obliquus (2) Oscillatoria neglecta + Acutodesmus obliquus (3); Б - Acutodesmus obliquus (1), Selenastrum gracile (2) Acutodesmus obliquus + Selenastrum gracile (3)

Встановлено, що за взаємовпливу водоростей істотно відрізняється динаміка екзогенних білків (рис. 6). Якщо в одних змішаних культурах (Ac. obliquus + S. gracile) їх кількість майже не виходить за межі показників окремих популяцій, то в інших - помітно зменшується, незважаючи на відсутність суттєвих порушень на рівні ростових процесів, що свідчить про адаптаційні перебудови навіть за відсутності антагонізму. Закономірності змін концентрації позаклітинних білків подібні до тих, що спостерігаються для загального вмісту розчиненої органічної речовини.

Фракційний склад позаклітинних білків також змінюється. В разі спільного вирощування водоростей зафіксовано зникнення низки фракцій, характерних для однієї або обох монокультур, та появу нових фракцій, не зареєстрованих у жодній монокультурі. Таким чином, перебудова метаболізму, яка відбувається внаслідок біотичного взаємовпливу водоростей, реалізується через білковий обмін.



Рис. 6. Вміст білків у культуральному середовищі змішаних культур через 7 діб вирощування: І - Desmodesmus communis (1); Monoraphidium contortum (2); Desmodesmus communis + Monoraphidium contortum (3); ІІ - Tetraedron caudatum (1); Monoraphidium contortum (2); Tetraedron caudatum + Monoraphidium contortum (3); ІІІ - Desmodesmus communis (1); Tetraedron caudatum (2); Desmodesmus communis (1); Tetraedron caudatum (3)

Активність ферментів. Загальновідомо, що значна частина білків - це ферменти, які відповідають за життєво важливі функції клітин та їх реакцію на вплив різноманітних чинників, в тому числі, на біотичні взаємодії організмів (Богдан, 1981; Амелина, Высоцкая, Халаман, 2007). Це дає підстави пов'язувати з активністю ферментів зміни, які відбуваються в разі спільної вегетації водоростей. Встановлено, що в їх змішаних культурах змінюються динаміка і абсолютні показники активності нітратредуктази (КФ 1.6.6.3) - ключового ферменту асиміляції неорганічних форм азоту. Зокрема, в клітинах змішаної культури T. caudatum + D. communis активність нітратредуктази на початку логарифмічної фази знизилась до 2,1±0,7 мкг N-NO3/г сухої маси за 30 хв порівняно з 5,2±3,1 у монокультурах. Концентрація нітратного азоту, як субстрату для ферменту, та величина рН суттєво не відрізнялись в середовищі моно- і змішаної культур, тобто зниження активності ферменту відбувалось внаслідок взаємовпливу видів. Це може пояснити зменшення внутрішньоклітинного вмісту нітратів, виявлене в спільних культурах морських водоростей (Zhang et al., 2008). Отже, біотичний взаємовплив може мати негативні наслідки для водоростей, гальмуючи засвоєння ними елементів живлення.

До важливих окисно-відновних ферментів відноситься каталаза (КФ 1.11.1.6) - фермент антиоксидантної системи, який бере участь у дезактивації активних форм кисню (АФК), що утворюються під час знешкодження вільних радикалів, зазвичай наявних у рослинних клітинах та, особливо, їх підвищеного вмісту за дії стресових чинників (Прайор, 1979; Барабой, Орел, Карнаух, 1991).

В змішаних культурах водоростей амплітуда коливань активності каталази (АК) зростала, а динаміка змін відзначалась іншим, часто протилежним характером, порівняно з монокультурами. Істотне зростання АК зафіксоване у біомасі змішаної культури вже через 1 добу експозиції (рис. 7А), що на нашу думку, зумовлено збільшенням концентрації АФК.

Рис. 7. Каталазна активність у біомасі (А) та безклітинних фільтратах (Б) культур водоростей: а - Tetraedron caudatum, б - Desmodesmus communis, в - Tetraedron caudatum + Desmodesmus communis

Результати експериментів свідчать про те, що в перші моменти контакту різних видів водоростей різко змінюється інтенсивність фотосинтезу, дихання, екскреції органічних речовин. Ці реакції характерні для стресу, що, як відомо, супроводжується зростанням кількості АФК і вільних радикалів, захист від яких забезпечує каталаза, що утворює перший захисний бар'єр (Шахматова, 2001; Солдатов, Гостюхин, Головина, 2008). Підвищення АК через 1 добу після змішування культур свідчить про запуск механізму відновлення окисно-відновного балансу та знешкодження АФК, що утворились в процесі біотичної взаємодії видів.

Значні відхилення АК зафіксовано і в середовищах змішаних культур. Уже через 30 хв після змішування D. communis та T. caudatum активність каталази в фільтраті значно перевищувала показники окремих популяцій (рис. 7Б). Зміни активності ферменту й нагромадження РОР відбувались не паралельно, тобто збільшення АК викликане не посиленням розкладання органічних речовин і, очевидно, не збільшенням в їх складі вмісту каталази. В середовищах різних змішаних культур активність ферменту зростала в 1,6-13,8 разів, при цьому, якщо в кінці експерименту це можна пояснити діяльністю бактерій, то на початку вирощування, коли активність бактерій мінімальна, ці зміни, ймовірно, викликані біотичним взаємовпливом водоростей. Це підтверджується тим, що збільшення АК зафіксоване для культур з різним ступенем взаємовпливу, незалежно від кількості епіфітної мікрофлори.

Інтенсивність вільнорадикальних процесів. Зростання активності каталази під час взаємодії водоростей свідчить про значне утворення АФК. Як відомо, за його участю відбуваються процеси, відповідальні за забезпечення гомеостазу, фізіологічного статусу й взаємовідносин організмів у біоценозах (Bingham, 1991; Regoli et al., 2002). Посилення вільнорадикальних процесів і пероксидного окиснення ліпідів внаслідок генерації АФК - початкова, первинна у часі реакція рослинних клітин на стресові чинники (Колупаєв, 2001).

Дослідження вільнорадикальних процесів методом реєстрації хемілюмінесценції (ХЛ) культуральних середовищ показало, що в спільних культурах водоростей рівень та динаміка ХЛ значно відрізняються від монокультур. В деяких випадках інтенсивність свічення займає проміжне положення, наближаючись в окремі моменти до показників однієї з монокультур (O. neglecta + An. variabilis, O. neglecta + An. cylindrica, D. communis + M. contortum) (рис. 8А).

Рис. 8. Інтенсивність хемілюмінесценції культуральних фільтратів: Oscillatoria neglecta (1), Anabaena cylindrica (2), Oscillatoria neglecta + Anabaena cylindrica (3) через 30 хв після посіву; Anabaena variabilis (4), Acutodesmus obliquus (5) Anabaena variabilis + Acutodesmus obliquus (6) через 3 доби вирощування

Це можна розглядати як свідчення близького рівня вільних радикалів у моно- та змішаній культурах. Хоча в спільній культурі D. armatus + M. contortum ріст першого виду посилювався (коефіцієнт наростання чисельності 11,5 порівняно з 9,4 у монокультурі), а другого - уповільнювався (3,1 і 7,7 відповідно), показник прооксидантно-антиоксидантної рівноваги суттєво не змінювався.

В інших варіантах в перші моменти контакту клітин різних видів інтенсивність ХЛ нижча або займає проміжне положення порівняно з монокультурами, але надалі зростає і істотно перевищує показники окремих популяцій (M. contortum + T. caudatum, An. variabilis + Ac. obliquus, D. communis + T. caudatum) (рис. 8Б). Ріст цих водоростей у змішаних культурах не було пригнічено, проте спостерігалось істотне початкове зниження інтенсивності фотосинтезу. Отже, пристосування водоростей до існування за взаємовпливу видів зумовило посилення генерації АФК і вільних радикалів.

В деяких випадках інтенсивність люмінесценції в змішаній культурі спершу значно вища за монокультури, але поступово знижується і займає проміжне положення або наближається до однієї з монокультур. Цей тип кінетики зафіксовано в фільтратах An. cylindrica + S. gracile, між якими суттєвого антагонізму не виявлено (так, чисельність S. gracile у змішаній культурі зросла у 10,9 разів, а в монокультурі - у 8,9). Отже водорості швидко адаптувались до нових умов і утворення активованого кисню та вільних радикалів зменшилось.

Динаміка інтенсивності ХЛ свідчить, що в деяких спільних культурах вільнорадикальні процеси та антиокиснювальна здатність метаболітів знаходяться в рівновазі. Разом з тим, постійне чи тимчасове зростання інтенсивності хемілюмінесценції в інших змішаних культурах свідчить про значне посилення вільнорадикальних процесів або недостатність функції систем антиоксидантного захисту внаслідок їх виснаження чи загального уповільнення метаболізму.

Найбільше вільнорадикальному окисненню піддаються ліпіди, які збагачують воду пероксидними сполуками з високою біологічною активністю (Vaca et al., 1988). Динаміка вмісту дієнових кон'югатів (ДК) та малонового диальдегіду (МДА), як і інші фізіологічні показники, в середовищах змішаних культур відрізняється, порівняно з монокультурами. Концентрація ДК змішаних культур на 15-113% перевищувала показники монокультур, що свідчить про зростання інтенсивності ПОЛ. Збільшення амплітуди коливань вмісту первинних продуктів ПОЛ найбільш характерне для перших моментів взаємодії водоростей, надалі концентрація ДК в спільних культурах наближається до середніх значень монокультур.

Вміст малонового диальдегіду відзначався власною динамікою змін і меншою амплітудою коливань, ніж дієнових кон'югатів. Проте в середовищі змішаної культури S. gracile + O. neglecta вміст МДА через 7 діб культивування перевищив середні показники монокультур на 35%. В інших випадках різниця була менш суттєвою, при цьому динаміка нагромадження малонового диальдегіду частіше мала обернений характер порівняно з дієновими кон'югатами.

Відомо, що посилення вільнорадикальних процесів викликають багато сполук з алелохімічною активністю (Hong et al., 2009; Al-Shehri, 2010). Очевидно, це універсальна реакція клітин на вплив чужорідних метаболітів. Наведені результати свідчать, що генерація активних форм кисню, утворення вільних радикалів і зміна інтенсивності окисно-відновних та пероксидних процесів характерні для взаємодії водоростей і є одним з основних механізмів їхнього взаємовпливу.

Таким чином, на рівні метаболічних і захисних процесів взаємодія водоростей викликає системні зміни, які відповідають реакціям рослинних клітин на вплив біотичного стресу. Фізіолого-біохімічні перебудови свідчать, з одного боку, про вагомість чинника біотичного взаємовпливу видів та його стресорну природу, з іншого - характеризують шляхи взаємної регуляції метаболізму в ході адаптації водоростей до впливу чужорідних метаболітів.

ФУНКЦІОНУВАННЯ ВОДОРОСТЕЙ ПІД ВПЛИВОМ ЕКЗОМЕТАБОЛІТІВ РІЗНОЇ ПРИРОДИ

Наведені результати свідчать, що реакція водоростей на вплив іншого виду є багатосторонньою і неоднозначною. Не викликає сумніву участь у формуванні цих змін екзометаболітів водоростей, проте досі невідомо, який саме чинник їх ініціює. Найбільш алелопатично активними з метаболітів вважають фенольні сполуки (Сакевич, Усенко, 2008). Відмінності у реакції на них різних водоростей дають підставу припускати їхню участь у формуванні взаємовідносин представників альгофлори.

Виявилось, що феноли, виділені з біомаси синьозелених водоростей (концентрація 3,0-19,25 мг/дм3), пригнічували ріст M. aeruginosa на 61-75% порівняно з контролем, а S. gracile - на 11-30%, що свідчить про більшу чутливість ціанеї.

Дослідження впливу окремих фенолів показало, що гідрохінон (0,1 мг/дм3) пригнічував фотосинтез фітопланктону з домінуванням синьозелених, інтенсивність якого через 1 год експозиції складала лише 52,8% порівняно з контролем.

Феноли впливали й на функціональну активність культури S. gracile. Найбільше пригнічення викликала бензойна кислота. Через 1 год після її додавання (1 мг/дм3) спостерігалось зниження фотосинтезу і різке посилення темнового поглинання кисню, а через добу помітно знизилась чисельність культури (рис. 9).

Таким чином, феноли виявляють значну активність щодо планктонних водоростей. Для Chlorophyta токсичні більш високі концентрації фенолів, ніж для Cyanoprocaryota. В разі появи цих речовин у воді, внаслідок різної чутливості може відбуватись випадіння з альгоценозів одних видів водоростей і посилений розвиток інших. Враховуючи високий рівень продукування фенолів водоростями (Козицкая, 1971), ці речовини можна вважати потужним чинником формування їхніх біотичних взаємовідносин.

Рис. 9. Зміни деяких показників культури Selenastrum gracile під впливом фенолів (1 - контроль, 2 - галова кислота, 3 - резорцин, 4 - бензойна кислота, 5 - рутин): А - чисельність клітин через 1 добу, Б - інтенсивність фотосинтезу (а) й темнового поглинання кисню (б) через 1 год експозиції

Серед вторинних метаболітів рослинних організмів значної уваги заслуговують речовини алкалоїдної природи.

Алкалоїди N. lutea (5-50 мг/дм3) гальмували розмноження та фотосинтез низки зелених і синьозелених водоростей, які за чутливістю можна розташувати у такому порядку: M. aeruginosa, S. gracile, O. neglecta, Ac. dimorphus, An. flos-aquae, Ch. vulgaris. Водночас алкалоїди природних популяцій M. aeruginosa не гальмували ріст культур, хоча впливали на фізіологічні процеси - посилювали темнове поглинання кисню і пригнічували фотосинтез. Так, інтенсивність фотосинтезу Ch. vulgaris за концентрації алкалоїдів 10 мг/дм3 на 4 добу експозиції становила 82,4% від контролю. Ці сполуки стимулювали розвиток M. aeruginosa в культурі, що, можливо, має значення і для виживання його та поширення в природі. У дослідах на фітопланктоні алкалоїди M. aeruginosa за концентрації 5 мг/дм3 збільшували показники розвитку синьозелених, зелених і діатомових водоростей, а за 50 мг/дм3 уповільнювали ріст синьозелених та пригнічували розвиток зелених і діатомових на 26 та 15% відповідно. Таким чином, метаболіти алкалоїдної природи впливають на функціональну активність водоростей, проте менш токсичні для них, ніж феноли. Очевидно, коли популяція знаходиться в стані активної життєдіяльності, ці речовини не тільки не призведуть до її загибелі, а можуть навіть стимулювати її розвиток. В разі ж ослаблення популяції внаслідок вікових особливостей або впливу якогось чинника, додаткове пригнічення фотосинтетичних процесів алкалоїдними екзометаболітами може суттєво гальмувати розвиток виду.

До вторинних метаболітів водоростей належать такі поліфункціональні регуляторні й сигнальні речовини, як аміни та їх похідні. Для рослинних клітин, залежно від концентрації, вони виступають як стимулятори росту або як токсини широкого спектру дії (Сиренко, Козицкая, 1988; Олескин и др., 2009) і можуть брати участь у здійсненні зв'язків між гідробіонтами та їх популяціями (Клоченко, 2002). Значна біологічна активність амінів та здатність водоростей до їх продукування дають підстави припускати, що вони беруть участь у формуванні біотичних взаємовідносин між представниками альгофлори. В зв'язку з цим перевірено реакцію водоростей на спермідин, спермін, путресцин, морфолін, які зустрічаються серед метаболітів морських і прісноводних видів.

Встановлено, що водорості відрізняються за чутливістю до амінів. Найбільш токсичним виявився морфолін, який у концентраціях 2-5 см3/дм3 пригнічував ріст і фотосинтез досліджених культур. M. aeruginosa був менш чутливим, ніж O. neglecta, суха маса якої зменшилась за три доби з 61 до 22 мг/дм3, а Ch. vulgaris - менш чутливою, ніж D. communis. За концентрації аміну 2 см3/дм3 інтенсивність фотосинтезу D. communis навіть через тиждень вирощування складала 0,015 мг О2/дм3.год порівняно з 0,15 мг О2/дм3.год у контролі. Поліаміни спермідин та спермін за концентрацій 20-50 мг/дм3 не викликали суттєвих змін інтенсивності росту водоростей, а диамін путресцин через тиждень експозиції помітно стимулював розмноження, хоча дещо пригнічував фотосинтетичну активність. Подібно реагували водорості на нітрозодибутиламін та нітрозодипропіламін. Отже аміни та нітрозаміни здатні порушувати функціонування та розмноження клітин водоростей. Проте, це відбувається під впливом досить значних концентрацій, крім того, реакція на ці сполуки, як і на феноли та алкалоїди, має видоспецифічний характер.

Наведені результати та відомості літератури (Сакевич, Усенко, 2008; An, 2008; Leflaive, Ten-Hage, 2009) свідчать про те, що водорості реагують на різні екзометаболіти. Відомо, що деякі з них здатні впливати на рецептори і виконувати інформаційну функцію, прямо чи опосередковано регулювати ріст і розвиток організмів у біоценозах (Тамбиев, Телитченко, 1971). Таким чином, впливаючи на різні ланки метаболізму клітин, екзогенні метаболіти регулюють розвиток окремих популяцій водоростей і беруть участь у формуванні їхніх біотичних взаємовідносин.

ДИНАМІКА СКЛАДУ ЕКЗОМЕТАБОЛІТІВ ВОДОРОСТЕЙ ЗА РІЗНИХ УМОВ РОСТУ

В зв'язку з великим значенням екзометаболітів у взаємодії водоростей, особливої уваги заслуговує вивчення спектру цих сполук. Встановлено, що їх кількість і компонентний склад у різних видів значно відрізняються (табл. 2).

Для O. neglecta, яка відзначається високою біотичною активністю щодо інших представників альгофлори, характерний найбагатший склад метаболітів. В її середовищі міститься велика кількість насичених вуглеводнів, а 22,5% від загальної кількості сполук припадає на речовини з високою реакційною здатністю і потенційною біологічною активністю (сквален, фталати, іонол тощо). Можна припустити, що насичені вуглеводні відіграють певну роль у формуванні стійкості водорості до впливу інших видів, а наявність у виділеннях речовин різноманітної хімічної природи сприяє добору специфічних «антибіотиків» для обмеження росту різних конкурентів.

...