Механізми біотичного взаємовпливу прісноводних мікроводоростей

Таблиця 2

Кількість і співвідношення ідентифікованих екзометаболітів у гексанових екстрактах культуральних середовищ різних водоростей

У An. variabilis та An. cylindrica спектр екзометаболітів менший. У них нижчий вміст алканів, вища частка ненасичених та ароматичних вуглеводнів, крім того ідентифіковано пероксидні сполуки.

Особливий інтерес становить виявлення дигідрометилжасмонату. Наявність і функції цієї сполуки у водоростей поки що досліджені дуже мало, досі його знаходили лише в клітинах деяких водоростей (Ueda et al., 1991; Christov et al., 2001). Цю похідну метилжасмонату, який бере участь в алелопатичних взаємодіях у наземних і водних екосистемах (Preston, Betts, Baldwin, 2002; Nam et al., 2008), розглядають як мобільний сигнал, що здійснює контакти між рослинами. Відомо, що жасмонати виконують роль інформаційних медіаторів і індукують синтез речовин, відповідальних за хімічний захист рослин в разі пошкоджень абіотичного та біотичного походження (Arnold et al., 2001).

Дигідрометилжасмонат виявлено також серед 10 екзометаболітів Ac. obliquus. У цього виду відсутні ненасичені вуглеводні, знайдено 2 алкани і значну кількість ароматичних сполук, зокрема 69,5% фталатів, 10,1% терпеноїдів, 0,6% бензофенону, які за даними Kinouchi et al. (2000), Jasiсski et al. (2001), Rodil et al.(2009) відзначаються алелохімічними властивостями.

Результати експериментів показують, що в процесі росту водоростей склад екзометаболітів змінюється. Незалежно від стадії розвитку Ch. vulgaris виділяє у зовнішнє середовище низку насичених, ненасичених та ароматичних сполук. Водночас, на логарифмічній стадії у неї ідентифіковано 10 насичених вуглеводнів, а на стаціонарній лише 4. Від стадії розвитку залежить також обмін карбонових кислот: якщо ефір масляної кислоти можна вважати ознакою молодої культури (надалі він зникає), то метиловий ефір пропіонової кислоти та бензойна кислота з'являються у стаціонарній фазі, тобто певною мірою вказують на старіння.

На відміну від Ch. vulgaris, у M. contortum кількість екзогенних метаболітів зростає в стаціонарній фазі росту, більше за рахунок ароматичних і терпенових сполук, тоді як склад алканів (лише 2 речовини - 1,2-диетил-3-метил-циклогексан та 8-гексил-пентадекан) не відрізняється. На стаціонарній стадії у цієї культури також з'явилась бензойна кислота, що свідчить про її можливу участь у процесах старіння й обмеження росту водоростей. Одночасно в середовищі з'явились також терпенові сполуки (камфора, ювабіон, склареолід), що відзначаються алелохімічними функціями, причому деякі дослідники вважають, що вони більш активні по відношенню до прокаріот (Усенко, Сакевич, Баланда, 2010; Chou, 2006).

Таким чином, на різних стадіях росту водоростей їх екзометаболіти відрізняються за кількістю, співвідношенням та біологічною активністю. О.Й. Сакевич, О.М. Усенко (2008) вважають, що відмінності у властивостях цих речовин та видоспецифічність відгуку на них інших організмів обумовлює їх участь у визначенні видового різноманіття та інтенсивності розвитку видів у гідробіоценозах. Як відомо (Пида, 2009), алелопатична активність рослинних організмів зумовлена зазвичай не однією специфічною для даного виду сполукою, а сукупністю речовин різної природи. Отже, різноманітні фізіологічно активні екзометаболіти, здатні впливати на різні ланки метаболізму клітин водоростей, є значущим чинником формування й функціонування альгофлори.

Співставлення складу і співвідношення екзометаболітів в середовищах моно- та змішаних культур водоростей показало, що склад виділень цих гідробіонтів активно змінюється у присутності інших видів. В змішаних культурах суттєво зменшувалась концентрація фталатів: в монокультурі An. cylindrica визначено 0,0204 мг/дм3 диізобутилфталату, O. neglecta - 0,0268 мг/дм3, а в спільній культурі цих видів через 1 добу після змішування - лише 0,0178 мг/дм3. В середовищі O. neglecta+ An. cylindrica через 1 добу, а O. neglecta + An. variabilis через 3 доби не визначались алкани, високим вмістом яких характеризувалась монокультура O. neglecta. В спільних культурах An. variabilis + Ac. obliquus та O. neglecta + An. variabilis через 3 доби експозиції не виявлено гідропероксиди. Водночас в середовищі O. neglecta + An. variabilis через 3 доби ідентифіковано бензойну кислоту (0,0089 мг/дм3), відсутню в обох монокультурах.

Згідно з даними Rice (1984), Macias et al. (2008), бензойна кислота бере участь в алелопатичних взаємодіях наземних і водних рослин. Як зазначалося в попередньому розділі, ця сполука пригнічує ріст водоростей. Оскільки в монокультурах вона з'являється на стаціонарній стадії, її поява в змішаній культурі на початкових етапах росту, очевидно, служить певним хімічним сигналом, який обумовлює обмеження розвитку конкуруючого виду водоростей.

В культуральному середовищі досліджених змішаних культур зростав вміст дигідрометилжасмонату (ДГМЖ): через 3 доби він становив 0,0038-0,0041 мг/дм3, порівняно з 0,0018-0,0023 мг/дм3 у монокультурах (5,5-9,1% від загальної кількості ароматичних вуглеводнів порівняно з 3,1-3,5%). Відомо (Christov et al., 2001), що найбільше жасмонатів містять старі клітини водоростей. В наших дослідах збільшення концентрації ДГМЖ спостерігалось на логарифмічній стадії росту, але за умови взаємодії видів. Отже, як і бензойна кислота, ця сполука, очевидно, сприяє припиненню розвитку конкуруючого виду, прискорюючи його старіння.

Відомо, що у вищих рослин октадеканоїдний шлях жасмонової кислоти в нормі неактивний (Gardner, 1995), жасмонати нагромаджуються у відповідь на біотичний вплив (Farmer, Johnson, Ryan, 1992). Ці сполуки характеризують розвиток стресу і відіграють істотну роль в індукуванні системної експресії факторів захисту (Васюкова, Озерецковская, 2009; Jiang et al., 2008). Отже, збільшення вмісту похідних жасмонової кислоти в змішаних культурах водоростей є наслідком їх біотичного взаємовпливу, воно характеризує стресовий стан і викликає індукцію захисних механізмів для підвищення стійкості до впливу інших видів.

МЕХАНІЗМИ БІОТИЧНОГО ВЗАЄМОВПЛИВУ ВОДОРОСТЕЙ (узагальнення)

Одержані експериментальні результати свідчать, що між водоростями різних екологічних груп та різної систематичної належності існує біотичний взаємовплив, прояви якого залежать від фізіологічного стану популяцій і умов зовнішнього середовища. В змішаних культурах порушується перебіг фізіологічних процесів з максимальним відхиленням показників у перші моменти контакту клітин різних видів, що свідчить про необхідність адаптації водоростей до існування в полівидових угрупованнях. Для видів, яким властивий слабший антагонізм або у яких він відсутній, фізіологічні показники менше відрізняються порівняно з окремими популяціями, для видів із значним негативним взаємовпливом порушення виражені значніше. Аналіз одержаних результатів свідчить, що на перших етапах взаємодії водоростей часто спостерігається гальмування метаболічних процесів, що характерно для неспецифічного адаптаційного синдрому клітинних систем різного рівня організації у відповідь на вплив будь-яких несприятливих чинників (Браун, Моженок, 1987; Ипатова, Прохоцкая, 2008).

У взаємодії водоростей велику роль відіграють екзогенні метаболіти. На важливу роль прижиттєвих виділень, як інтегруючого чинника, що визначає структуру угруповань та метаболізм водних екосистем, вказували Г.Г. Вінберг (1967) та К.М. Хайлов (1971). Склад екзометаболітів відзначається видоспецифічністю, високим багатством і різноманітністю. Значну їх частку складають речовини з високою реакційною здатністю і потенційною біологічною активністю, які впливають на ростові, фотосинтетичні, дихальні, ферментативні, окисно-відновні процеси і приймають участь у формуванні взаємовідносин наземних і водних організмів (Гавриленко и др., 1986; Shadyro et ak., 2002; Mitova e yak., 2003). Таким чином, екзометаболіти водоростей - це вагомий чинник формування їх біотичних взаємовідносин. Важливо підкреслити, що в процесі взаємодії водорості активно змінюють склад і співвідношення цих речовин. Зокрема, поява в змішаних культурах бензойної кислоти, відсутньої в монокультурах, свідчить про активну протидію щонайменше однієї з водоростей впливу іншого виду.

Виявлення в середовищах водоростей дигідрометилжасмонату, вміст якого зростав у змішаних культурах, свідчить про те, що одним із шляхів взаємовпливу цих фотосинтетиків є жасмонатний сигналінг. Жасмонатний сигнальний шлях - це частина шикиматного або октодеценового сигнального шляху, що бере початок від перетворень фенілаланіну. Ця метаболічна ланка відповідальна за синтез не тільки жасмонатів, - регуляторів захисних реакцій від біогенних стресорів (Тарчевский, 2002), а й багатьох інших алелохімічних агентів, зокрема, алкалоїдів і фенолів, в тому числі бензойної кислоти та її похідних (Einhelling, 1986; Arnold et al., 2001). Як відомо (Тарчевский, 2002; Gardner, 1995), на молекулярному рівні дія жасмонатів проявляється у посиленні синтезу захисних вторинних метаболітів, генерації АФК, зміні білкового обміну.

На наш погляд, біохімічні реакції в процесі взаємодії водоростей розвиваються за наступною схемою (рис. 10).

Після надходження жасмонатного сигналу посилюються утворення активних форм кисню та вільнорадикальні процеси. АФК й продукти ПОЛ ініціюють посилення антиоксидантного захисту. Одночасно збільшується кількість жасмонатів, які додатково індукують системну експресію факторів захисту. Зокрема, як відомо (Wasternack, 2007), вони беруть участь в регуляції білкового обміну, що пояснює суттєві зміни кількості та складу білків, зафіксовані в процесі взаємодії водоростей.

Рис. 10. Схема деяких зумовлених дигідрометилжасмонатом біохімічних реакцій в клітинах водоростей за взаємодії видів

Метаболічні зміни відбуваються не тільки в результаті антагоністичних взаємовідносин. Навіть за відсутності явного антагонізму біохімічні показники змішаних культур відрізняються порівняно з монокультурами. Перебудова фізіологічних процесів впливає на швидкість росту і призводить до пригнічення або адаптації окремих видів водоростей, залежно від їх чутливості й фізіологічного стану (рис. 11).

Таким чином, біотичний взаємовплив є одним з чинників, що регулюють інтенсивність розвитку окремих популяцій водоростей, клітини яких залишаються в незначній кількості або продовжують розвиватись з тією ж чи й більшою швидкістю. Утворюється нове альгоугруповання - з домінуванням більш сильного виду, або з паритетним розвитком видів, яке починає функціонувати на якісно новому рівні.

Біотичний взаємовплив водоростей спостерігається і в природних умовах. Багаторічні натурні дослідження (Растительность…, 1989; Keating, 1978) показали, що інтенсивність розвитку діатомових і зелених водоростей у водосховищах Волги і Дніпра, деяких водоймах Європи обернено залежить від ступеню розвитку представників синьозелених.

Рис. 11. Загальна схема фізіолого-біохімічних шляхів взаємовпливу водоростей

В період максимального розвитку синьозелені водорості становлять до 60-90% сумарної чисельності фітопланктону, пригнічуючи розвиток інших видів метаболітами високої біологічної активності (Сеничева, 2008). Водночас Ю.Б. Долидзе та ін. (2008) показали, що альголізація заток Іваньківського водосховища культурою Ch. vulgaris BIN поступово знижує кількісні показники розвитку і зменшує в альгоценозі частку синьозелених водоростей з 81,1-85,4% до 29,9-42,6% на фоні посилення ролі діатомових та зелених. Отже, взаємовплив водоростей проявляється і у великих просторово-часових масштабах.

Очевидно, явища, які спостерігаються в процесі взаємодії водоростей, належать, за висловом Є.Л. Кордюм (2001) до проявів «оперативної адаптації, яка відбувається в межах норми реакції», що зумовлює фенотипічну пластичність водоростей і забезпечує їх ріст, розвиток, репродукцію та поширення в різних умовах зовнішнього середовища, в тому числі в складі альгоугруповань. Закономірності, встановлені в ході виконання роботи, можуть служити обґрунтуванням заходів біологічної меліорації водойм з метою регулювання порушень водних екосистем, одним з методів яких розглядається втручання в ті чи інші аспекти комплексу внутрішньоводоймних процесів (Стрембицкая, Соломина, 2008), зокрема, за рахунок альголізації водойм (Богданов, 2008; Долидзе и др., 2008).

Аналіз одержаних експериментальних матеріалів свідчить про те, що між водоростями, незалежно від їх екологічного та систематичного положення, існує біотичний взаємовплив. Взаємодія водоростей опосередкована через жасмонатний сигнальний шлях. Реакції водоростей у відповідь на вплив інших видів розвиваються за закономірностями, характерними для клітин різного рівня організації, і супроводжуються комплексом фізіолого-біохімічних змін, аналогічних неспецифічному адаптаційному синдрому, кінцевою метою яких є адаптація водоростей до співіснування з іншими видами. Одержані результати переконливо свідчать про те, що взаємовплив водоростей є вагомим чинником формування функціональної активності альгофлори, а склад альгоугруповань залежить не тільки від умов зовнішнього середовища, а й від взаємодії видів, які складають ці угруповання.

ВИСНОВКИ

Встановлено, що біотичний взаємовплив водоростей є важливим чинником їх існування в альгоугрупованнях. Взаємовплив здійснюється через регуляцію фізіолого-біохімічних процесів, супроводжується генерацією активних форм кисню і посиленням інтенсивності вільнорадикальних процесів та викликає зміни складу й кількісного співвідношення екзометаболітів.

Взаємний вплив водоростей є широко розповсюдженим явищем, яке спостерігається в межах як однієї, так і різних екологічних груп, між популяціями як відділеної систематичної належності, так і представниками одного роду і навіть одного виду. Основними типами взаємовпливу є пригнічення росту, рідше стимуляція ростових процесів або індиферентні взаємовідносини.

Взаємовплив представників альгофлори спостерігається за різних умов зовнішнього середовища. Абіотичні чинники (зокрема, освітленість) впливають на силу та спрямованість реакції водоростей на присутність іншого виду, водночас міжвидові взаємодії змінюють відгук цих гідробіонтів на зовнішні умови.

Взаємовідносини водоростей залежать від їхнього фізіологічного стану, зокрема стадії розвитку. На логарифмічній стадії представники альгофлори сильніше пригнічують ріст інших видів і самі менше відчувають їх вплив.

Встановлено, що взаємодія водоростей супроводжується зміною інтенсивності фізіологічних процесів - фотосинтезу, дихання, нагромадження позаклітинних органічних речовин. Найістотніші зміни, як результат стресу, спостерігаються на початкових етапах контакту клітин. Збільшення тривалості спільного вирощування різних видів супроводжується відновленням або посиленням інтенсивності метаболічних процесів порівняно з відповідними монокультурами.

В спільних культурах водоростей спостерігаються суттєві зміни вмісту та фракційного складу ендо- і екзогенних білків, поява білкових сполук, не характерних для монокультур. Істотне пригнічення ростових процесів супроводжується зменшенням кількості білків у клітинах на 30-50%, за відсутності пригнічення росту вміст білків зростає в середньому в 2,5 рази.

Взаємний вплив водоростей призводить до змін активності ендогенних та позаклітинних окисно-відновних ферментів (нітратредуктаза, каталаза), інтенсивності вільнорадикальних процесів і нагромадження продуктів пероксидного окиснення ліпідів у культуральному середовищі. Збільшення інтенсивності хемілюмінесценції культуральних фільтратів змішаних культур порівняно з монокультурами досягає 70%, активність каталази в середовищі зростає в середньому в 1,6-13,8 разів, а концентрація дієнових кон'югатів - на 23-86% на різних етапах вирощування. Комплекс цих порушень за взаємодії водоростей свідчить про розвиток у них окиснювального стресу.

Відгук клітин водоростей на вплив інших видів носить адаптаційний характер і аналогічний комплексу змін, характерних для неспецифічного адаптаційного синдрому клітинних систем організмів тварин і рослин у відповідь на пошкоджувальний вплив різноманітних чинників.

На функціональну активність водоростей впливають як виділені з фітомаси вищих водяних рослин і водоростей комплекси фенольних сполук, так і окремі феноли, найвищою активністю з яких характеризується бензойна кислота. Меншою мірою активні по відношенню до представників альгофлори алкалоїди та аміни. Алкалоїдні сполуки викликають значні порушення кисневого обміну водоростей, проте відзначаються меншою токсичністю, порівняно з фенолами. Дія алкалоїдів більш короткочасна, у концентраціях 5-25 мг/дм3 вони суттєво не пригнічують функціональну активність та ріст культур зелених водоростей, водночас синьозелені більш чутливі до впливу цих речовин. За сумісної дії алкалоїдів і фенолів ступінь їх впливу на водорості посилюється.

В процесі взаємодії водорості активно змінюють склад екзометаболітів, зокрема алелопатично активних речовин. Внаслідок біотичного взаємовпливу в середовищах досліджених змішаних культур, на відміну від окремих популяцій, з'являється бензойна кислота (0,0089 мг/дм3) та більш, ніж удвічі збільшується вміст дигідрометилжасмонату. Ці сполуки здатні індукувати в клітинах захисні реакції і перебудову метаболізму з метою підвищення стійкості до впливу інших видів.

Встановлені фізіолого-біохімічні закономірності взаємовпливу водоростей свідчать про те, що у формуванні альгоугруповань та перебігу сукцесійних процесів у гідробіоценозах бере участь ще один біологічний чинник - біотичний взаємовплив видів, значення якого посилюється в неоптимальних для їх розвитку умовах зовнішнього середовища. Біотичний взаємовплив водоростей відіграє важливу роль у закономірній зміні складу альгоугруповань і сприяє зміні в них домінуючого комплексу видів.

СПИСОК НАУКОВИХ ПРАЦЬ, ОПУБЛІКОВАНИХ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

Сиренко Л.А. Влияние метаболитов некоторых водорослей на культуры клеток человека и животных / Л.А. Сиренко, Ю.А. Кирпенко, Н.И. Кирпенко // Альгология. - 1995. - 5, № 1. - С. 102-105. (участь у проведенні досліджень, узагальненні даних та написанні статті).

Сиренко Л.А. Биологически активные метаболиты синезеленых водорослей и их роль в эпидемиологии / Л.А. Сиренко, Ю.А. Кирпенко, Н.И. Кирпенко // Гидробиол. журн. - 1997. - 33, № 3. - С. 51-61. (участь у проведенні досліджень, узагальненні даних та написанні статті).

Кирпенко Ю.А. Природные популяции синезеленых водоростей - продуценты биологически активних веществ (БАВ) / Ю.А. Кирпенко, Н.И. Кирпенко, А.В. Паршиков // Гидробиол. журн. - 1999. - 35, № 1. - С. (участь у проведенні натурних та лабораторних досліджень, узагальненні даних та написанні статті).

Кирпенко Н.И. Динамика содержания форм азота в среде при интенсивном культивировании хлореллы / Н.И. Кирпенко // Гидробиол. журн. - 2000. - 36, № 6. - С. 74-81.

Влияние полифенолов высших водных растений на функциональную активность планктонных водорослей / А.И. Сакевич, Н.И. Кирпенко, В.А. Медведь, О.М. Усенко, З.Н. Горбунова // Гидробиол. журн. - 2005. -- 42, № 4. - С. 104-116. (участь у проведенні досліджень, узагальненні даних та написанні статті).

Кирпенко Н.И. Рост и функционирование некоторых планктонных водорослей в условиях смешанного культивирования / Н.И. Кирпенко // Гидробиол. журн. - 2005. - 41, № 3. - С. 58-71.

Кирпенко Н.И. Особенности реакции планктонных водорослей на экстрактивные вещества кубышки желтой Nuphar lutea (L.) Smith. / Н.И. Кирпенко, В.А. Медведь, Т.Ф. Шевченко // Гидробиол. журн. - 2006. - 42, № 2. - С. 66-77. (участь у проведенні натурних та лабораторних досліджень, узагальненні даних та написанні статті).

Кирпенко Н.И. Влияние комплекса алкалоидов Nuphar lutea (L.) Smith. на выживание сеголеток карпа при различных путях введения / Н.И. Кирпенко, В.Ф. Коваленко, О.В. Баланда // Гидробиол. журн. - 2006. - 42, № 4. - С. 91-98. (участь у проведенні досліджень, узагальненні даних та написанні статті).

Кирпенко Н.И. Пути и механизмы утилизации микроводорослями неорганического углерода (обзор) / Н.И. Кирпенко, И.Ю. Иванова // Гидробиол. журн. - 2008. - 44, № 2. - С. 52-74. (участь у критичному аналізі відомостей літератури, написанні статті).

Кирпенко Н.И. Аллелопатическое взаимодействие водорослей разных экологических групп / Н.И. Кирпенко // Гидробиол. журн. - 2008. - 44, № 5. - С. 83-93.

Кирпенко Н.И. Фотосинтетическая активность водорослей в моновидовых и смешанных культурах / Н.И. Кирпенко // Гидробиол. журн. - 2009. - 45, № 2. - С. 63-76.

Кирпенко Н.И. Особенности взаимовлияния водорослей в условиях различной освещенности / Н.И. Кирпенко // Гидробиол. журн. - 2009. - 45, № 4. - С. 90-100.

Видоспецифические особенности роста зеленых водорослей при дополнительном углеродном питании. Сообщение 1. Скорость роста зеленых водорослей при максимальном насыщении среды СО2 в открытой культивационной системе / В.Д. Романенко, Н.И. Кирпенко, И.Н. Коновец, Ю.Г. Крот // Гидробиол. журн. - 2010. - 46, № 1. - С. 62-74. (участь у проведенні досліджень, узагальненні даних та написанні статті).

Видоспецифические особенности роста зеленых водорослей при дополнительном углеродном питании. Сообщение 1. Рост Chlorella vulgaris Beijer. штамм ЛАРГ-3 при утилизации СО2 в закрытой культивационной системе / В.Д. Романенко, Н.И. Кирпенко, И.Н. Коновец, Ю.Г. Крот // Гидробиол. журн. - 2010. - 46, № 3. - С. 50-57. (участь у проведенні досліджень, узагальненні даних та написанні статті).

Курейшевич А.В. К вопросу о механизмах формирования РОВ / А.В. Курейшевич, Н.И. Кирпенко, К.П. Калениченко // Наук. зап. Терноп. держ. пед. ун-ту. Сер. Біол. - 2001. - № 4(15). - С. 81-82. - (Спецвип. : Гідроекологія). (участь у проведенні досліджень, узагальненні даних та написанні статті).

Кірпенко Н.І. Шляхи використання біополімерів мікроводоростей / Н.І. Кірпенко // Наук. зап. Терноп. нац. пед. ун-ту. Сер. Біол. - 2004. - № 3-4(24). - С. 48-52.

Влияние алкалоидов Cyanophyta на структуру альгосообществ / В.А. Медведь, Н.И. Кирпенко, З.Н. Горбунова, М.Н. Пахомова // Наук. зап. Терноп. нац. пед. ун-ту. Сер. Біол. - 2005. - № 3(26). - С. 292-294. (участь у проведенні експериментальних досліджень, узагальненні даних та написанні статті)

Кірпенко Н.І. Особливості росту синьозеленої водорості Microcystis aeruginosa Kьtz. еmend Elenk. у змішаних культурах з Chlorophyta / Н.І. Кірпенко // Наук. зап. Терноп. держ. пед. ун-ту. Сер. Біол. - 2009. - № 1-2(39). - С. 43-47.

Кірпенко Н.І. Фізіолого-біохімічні особливості функціонування водоростей у змішаних культурах / Н.І. Кірпенко // Наук. зап. Терноп. нац. пед. ун-ту. Сер. Біол. - 2010. - № 1(42). - С. 76-84.

Кирпенко Н.И. Экзогенные метаболитные комплексы двух синезеленых водоростей в моно- и смешанных культурах / Н.И. Кирпенко, Е.А. Курашов, Ю.В. Крылова // Наук. зап. Терноп. нац. пед. ун-ту. Сер. Біол. - 2010. - № 2(43). - С. 241-244. (ідея роботи, участь у проведенні досліджень, узагальненні даних та написанні статті).

Кірпенко Н.І. Склад екзометаболітів деяких зелених водоростей на різних стадіях росту / Н.І. Кірпенко, Є.О. Курашов, Ю.В. Крилова // Наук. зап. Терноп. нац. пед. ун-ту. Сер. Біол. - 2011. - №2(47). - С. 31-34.

Кирпенко Н.И. Особенности функционирования зеленых водорослей Tetraedron caudatum и Desmodesmes communis при раздельном и смешанном культивировании / Н.И. Кирпенко, В.А. Медведь // Наук. вісник Чернівецького ун-ту: Збірник наукових праць. - Вип. 416 : Біологія. - Чернівці: «Рута», 2008. - С. 256-264. (ідея роботи, участь у проведенні досліджень, узагальненні даних та написанні статті).

Кирпенко Н.И. Содержание белков в биомассе монокультур и смешанных культур водорослей / Н.И. Кирпенко, А.В. Курейшевич // Альгология. - 2010. - 20, № 2. - С. 168-176. (ідея роботи, участь у проведенні досліджень, узагальненні даних та написанні статті).

Кірпенко Н.І. Фракційний склад білків у біомасі альгологічно чистих та змішаних культур водоростей / Н.І. Кірпенко / Укр. ботан. журн. - 2010. - 67, № 1. - С. 136-143.

Пат. 13945 А Україна, МПК5 А 61 К 35/78. Спосіб одержання хлорофіло-каротинової пасти з репаративно-регенеративними властивостями / Сіренко Л.Я., Сакевич О.Й., Кірпенко Ю.О., Кірпенко Н.І., Бадзюк В.В., Паршикова Т.В.; заявник і патентотримач Укр. асоц. «Северо-Восток». - № 96010114; заявл. 11.01.96; опубл. 25.04.97, Бюл. № 2. (участь у проведенні досліджень, узагальненні даних та оформленні патенту).

Пат. 27446 Україна, МПК6 С12З1/00, С12N1/00//(C12P1/00.C12R1:89). Штам синьозелених водоростей Oscillatoria neglecta Lemm. - продуцент біологічно активних речовин з антибластомними та антимікробними властивостями / Сіренко Л.Я., Кірпенко Ю.О., Кірпенко Н.І., Романенко О.В., Паршикова Т.В.; заявник і патентотримач Ін-т гідробіології НАН України. - № 94043418; заявл. 05.04.94; опубл. 15.09.2000, Бюл. № 4. (участь у проведенні досліджень, узагальненні даних та оформленні патенту).

Пат. 43383 Україна, МПК7 C12N1/12.C07K14/405. Штам синьозелених водоростей Spirulina platensis - продуцент біологічно активних речовин з антибластомними та антимікробними властивостями / Сіренко Л.Я., Кірпенко Ю.О., Кірпенко Н.І.; заявник і патентотримач Ін-т гідробіології НАН України. - № 97063127; заявл. 26.06.97; опубл. 17.12.2001, Бюл. № 11. (участь у проведенні досліджень, узагальненні даних та оформленні патенту).

Пат. 21437 А Україна, МПК6 С07Н 19/14, Ф61Л 35/78. Спосіб одержання біологічно активної речовини, що проявляє антибластомну, антимікробну та нейротропну дію / Сіренко Л.Я., Кірпенко Ю.О., Кірпенко Н.І., Паршиков О.В., Романенко О.В.; заявник і патентотримач Ін-т гідробіології НАН України. - № 94117543; заявл. 14.11.94; опубл. 02.12.97, бюл. № 10. (участь у проведенні досліджень, узагальненні даних та оформленні патенту).

Кирпенко Н.И. Перспективы использования биополимеров микроводорослей в сельском хозяйстве / Н.И. Кирпенко // Альгология. - 1999. - 9, № 2. : Тез. докл. 2 Междун. конф. «Акт. пробл. соврем. альгологии», Киев, май 1999 г. - С.

Kirpenko Yu.A. Studying of biologically active substances (BAS) of blue-green algae - agents of water bloom / Yu.A. Kirpenko, L.A. Sirenko, N.I. Kirpenko // 4th Intern. Conf. on Toxic Cyanobact. Comp. (27 Sept.-1 Okt., 1998, Beaufort, North Carolina, USA) : Abstracts. - P. 47.

Кирпенко Н.И. Биологическая активность комплекса фенольных соединений водных растений / Н.И. Кирпенко // Актуальные проблемы водохранилищ. Всерос. конф. (29 окт.- 3 ноя., 2002 г., Борок) : Тез. докл. - Ярославль, 2002. - С. 132-133.

К вопросу об участии метаболитов водных растений в формировании фитоценозов и качества воды / Н.И. Кирпенко, А.В. Курейшевич, В.А. Медведь, О.В. Баланда, З.Н. Горбунова, Г.В. Харченко // Озерные экосистемы: Биол. процессы, антропог. трансформ., качество воды: Мат. 2 Междун. науч. конф. (22-26 сент., 2003 г., Минск-Нарочь). - Минск, 2003. - С. 144-147. (участь у проведенні досліджень, узагальненні даних та написанні статті).

Реакция фитопланктона на экзометаболиты макрофитов / О.В. Баланда, Н.И. Кирпенко, В.А. Медведь, Т.Ф. Шевченко, З.Н. Горбунова, Л.М. Бондаренко // Биоразнообразие. Экология. Эволюция. Адаптация : Матер. юбил. науч. конф. студ., асп. и мол. уч. (28 мар.-1 апр., 2003 г., Одесса). - Одесса, 2003. - С. 10. (участь у проведенні досліджень, узагальненні даних та написанні тез).

Кирпенко Н.И. Особенности влияния полифенолов высших водных растений на функциональную активность планктонных водорослей / Н.И. Кирпенко, В.А. Медведь // Эколого-биол. пробл. водоемов бассейна р. Днепр: Матер. Междун. н.-практ. конф. (7-8 мая, 2004 г., Нов.-Каховка). - Нов.-Каховка, 2004. - С. 201-204. (участь у проведенні досліджень, узагальненні даних та написанні тез).

Кирпенко Н.И. Влияние алкалоидов цианобактерий на функциональную активность высших водных растений / Н.И. Кирпенко, В.А. Медведь // Первичная продукция водных экосистем: Матер. Междун. конф. (11-16 окт., 2004 г., Борок, Россия). - Ярославль. - 2004. - С. 42-43. ((участь у проведенні досліджень, узагальненні даних та написанні тез).

Кирпенко Н.И. Рост и функционирование микроводорослей под. влиянием метаболитов Nuphar lutea (L.) Smith. / Н.И. Кирпенко, В.А. Медведь, З.Н. Горбунова // Совр. пробл. физиол. и биох. водных орг-мов; Сб. статей. - Петрозаводск, 2005. - С. 70-75. (участь у проведенні досліджень, узагальненні даних та написанні статті).

Кирпенко Н.И. Метаболиты водных растений и качество воды / Н.И. Кирпенко, В.А. Медведь // Ecological Chemistry, 3d Int. Nat. Conf. (20-21 May 2005, Chiєinгu) : Abstr. : Chiєinгu: Tipogr. Acad. St. a Moldovei, 2005. - C.65. (участь у проведенні досліджень, узагальненні даних та написанні тез).

38. Кирпенко Н.И. Формы аллелопатического взаимовлияния водоростей / Н.И. Кирпенко // Актуальные проблемы совр. альгологии: Тез. докл. 3 Междун. конф. : под ред. Т.В. Догадиной.- Харьков, 2005. - С. 68-69.

39. Кирпенко Н.И. Особенности реакции представителей гидрофлоры на биологически активные вещества растительного происхождения / Н.И. Кирпенко, В.А. Медведь, З.Н. Горбунова // Совр. пробл. водн. токсикол.: Междун. конф. памяти д.б.н., проф. Б.А. Флерова (20-24 сент., 2005 г., Борок) : Тез. докл. - Борок, 2005. - С. 67-68. (участь у проведенні досліджень, узагальненні даних та написанні тез).

40. Роль алкалоидов высших водных растений в формировании альгосообществ / В.А. Медведь, Н.И. Кирпенко, О.В. Баланда, З.Н. Горбунова // Мат-лы УI Всеросс. шк.-конф. по водным макрофитам «Гидроботаника-2005» (11-16 окт., 2005 г., Борок). - Рыбинск : ОАО Рыбинский Дом печати, 2006. - С. 314-315. (участь у проведенні досліджень, узагальненні даних та написанні тез).

Кірпенко Н.І. До питання про алелопатичні взаємовідношення водоростей / Н.І. Кірпенко // Мат-ли Міжн. наук. конф. «Алелопатія та сучасна біологія» (17-19 жовтня, 2006 р., Київ). - К. : Фітосоціоцентр, 2006. - С. 58-64.

Кирпенко Н.И. Изменение показателей качества воды под влиянием метаболитов водных растений / Кирпенко Н.И., Медведь В.А., Горбунова З.Н. // Мат-ли Третьої Всеукр. наук. конф. «Гідрологія, гідрохімія, гідроекологія» (15-17 лист., 2006 р., Київ). - Київ: Ніка-Центр, 2006.- С. 111-113. (участь у проведенні досліджень, узагальненні даних та написанні тез).

Кирпенко Н.И. Взаимовлияние водорослей в смешанных культурах / Н.И. Кирпенко, Н.В. Рыбак // Физиология микроорганизмов в природных и экспериментальных системах (памяти проф. М.В. Гусева) : Мат-лы Междун. науч. конф. (16-19 мая, 2006 г., Москва). - М. : МАКС Пресс, 2006. - С.23. (участь у проведенні досліджень, узагальненні даних та написанні тез).

К вопросу о механизмах формирования альгосообществ / А.В. Курейшевич, Н.И. Кирпенко, В.А. Медведь, В.П. Гусейнова, З.Н. Горбунова // Эколого-биол. пробл. вод и биоресурсов: пути решения : Сб. науч. тр. Всеросс. конф. (12-14 ноя., 2007 г., Ульяновск). - Ульяновск, 2007. - С. 64-71. (участь у проведенні досліджень, узагальненні даних та написанні тез).

Кирпенко Н.И. К вопросу о метаболитных взаимоотношениях гидробионтов / Н.И. Кирпенко, А.В. Курейшевич, В.А. Медведь // Озерные экосистемы: Биол. процессы, антропог. трансформ., качество воды : Мат-лы 3 Междун. науч. конф. (17-22 сент., 2007 г., Минск-Нарочь). - Минск : Издат. Центр БГУ, 2007. - С. 19-20. (участь у проведенні досліджень, узагальненні даних та написанні тез).

Кирпенко Н.И. Особенности накопления растворенного органического вещества в условиях смешанного культивирования водорослей / Н.И. Кирпенко // Организмы, популяции, экосистемы: проблемы и пути сохранения биоразнообразия : Мат-лы Всеросс. конф. с междунар. Участием «Водные и наземные экосистемы: проблемы и перспективы исследований» (24-28 ноя., 2008 г., Вологда, Россия). - Вологда, 2008. - С. 48-81.

Кирпенко Н.И. Изменение фотосинтетической активности водорослей при их аллелопатическом взаимодействии / Н.И. Кирпенко // Фундаментальные и прикладные проблемы ботаники в начале ХХI века: Мат-лы всеросс. конф. (22-27 сент., 2008 г., Петрозаводск). Ч. 2: Альгология. Микология. Лихенология. Бриология. - Петрозаводск: Карельский научн. Центр РАН, 2008. - С. 40-41.

Кірпенко Н.І. Алелопатія серед мікроводоростей / Н.І. Кірпенко // Озера та штучні водойми України: сучасний стан й антропогенні зміни: Мат-ли І Міжнар. наук.-практ. Конф. (22-24 травня, 2008 р., Луцьк). - Луцьк : РВВ «Вежа» Волин. нац. ун-ту ім. Лесі Українки, 2008. - С. 297-300.

Медведь В.А. Активность нитратредуктазы зеленых водорослей в условиях раздельного и смешанного культивирования / В.А. Медведь, Н.И. Кирпенко, З.Н. Горбунова // Соврем. пробл. гидробиологии. Перспективы, пути и методы решений-2: мат-лы Междун. науч. конф. - Херсон, 2008. - С. 273-279. (участь у проведенні досліджень, узагальненні даних та написанні тез).

Кірпенко Н.І. Хемілюмінесценція культуральних фільтратів водоростей при окремому і змішаному вирощуванні / Н.І. Кірпенко, І.Б. Зубенко // Гідрологія, гідрохімія, гідроекологія: Мат-ли Четвертої Всеукр. Наук. конф. (29 вер.-2 жов., 2009 р., м. Луганськ). - Луганськ: вид-во СНУ ім. В. Даля, 2009. - С. 90-92. (участь у проведенні досліджень, узагальненні даних та написанні тез).

Кірпенко Н.І. Метаболічна активність водоростей в умовах їх алелопатичної взаємодії / Н.І. Кірпенко // Фізіологія рослин: проблеми та перспективи розвитку: у 2 т. / НАН України, Ін-т фізіології рослин і генетики, Укр. Т-во фізіологів рослин; голов. ред. В.В. Моргун. - К. : Логос, 2009. - т. 2. - С. 460-465.

Кірпенко Н.І. Позаклітинні білкові сполуки одновидових та змішаних культур водоростей / Н.І. Кірпенко // Природничий альманах. Сер.: Біол. науки, вип. 12. - 2009. - С. 101-108.

АНОТАЦІЇ

Кірпенко Н.І. Механізми біотичного взаємовпливу прісноводних мікроводоростей. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора біологічних наук за спеціальністю 03.00.17 - гідробіологія. - Інститут гідробіології НАН України. Київ, 2011.

На прикладі змішаних культур зелених і синьозелених прісноводних водоростей встановлено закономірності й механізми біотичного взаємовпливу видів. Показано, що взаємовплив спостерігається як в межах однієї екологічної групи (фітопланктон), так і між водоростями різних екологічних груп (планктон і перифітон), між видами близькоспорідненими і віддаленої систематичної належності, в різних умовах зовнішнього середовища. Взаємодія водоростей характеризується видоспецифічністю і залежить від їх фізіологічного стану. Зміни інтенсивності росту водоростей внаслідок взаємовпливу супроводжуються перебудовою фізіолого-біохімічних процесів - фотосинтезу, дихання, нагромадження позаклітинних органічних речовин, змінами вмісту ендо- й екзогенних білків та перерозподілом їх фракційного складу, появою сполук, не характерних для монокультур. Найістотніші порушення спостерігаються на початкових етапах контакту клітин різних видів. Зміни активності ендо- та екзогенних окисно-відновних ферментів (нітратредуктази, каталази), інтенсивності вільнорадикальних процесів і нагромадження продуктів пероксидного окиснення ліпідів свідчать про розвиток окиснювального стресу. Відгук водоростей на вплив інших видів носить адаптаційний характер і аналогічний комплексу змін, характерних для неспецифічного адаптаційного синдрому клітинних систем. В процесі взаємодії водорості здатні активно змінювати склад екзометаболітів, зокрема, в середовищах досліджених змішаних культур, на відміну від відповідних монокультур, спостерігається поява бензойної кислоти та збільшення вмісту дигідрометилжасмонату. Завдяки здатності викликати перебудову метаболізму та індукувати захисні реакції, ці сполуки приймають участь у підвищенні стійкості водоростей до впливу інших видів.

Ключові слова: водорості, змішані культури, біотичний взаємовплив, фізіолого-біохімічні показники, вільнорадикальні процеси, екзометаболіти.

водорості фотосинтез метаболіт біотичний

АННОТАЦИЯ

Кирпенко Н.И. Механизмы биотического взаимовлияния пресноводных микроводорослей. - Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени доктора биологических наук по специальности 03.00.17 - гидробиология. - Институт гадробиологии НАН Украины. Киев, 2011.

Изучение особенностей функционирования водорослей в смешанных культурах показало, что биотическое взаимовлияние видов является важным фактором формирования их функциональной активности.

Установлено, что взаимовлияние наблюдается между представителями как одной (фитопланктон), так и разных экологических групп (фитопланктон и фитоперифитон) водорослей, между видами близкородственными и отдаленной систематической принадлежности, а также в разных условиях внешней среды. Взаимодействие водорослей зависит от их физиологического состояния, влияет на интенсивность их роста и сопровождается перестройкой физиологических процессов - фотосинтеза, дыхания, накопления внеклеточных органических веществ. Максимальные изменения наблюдаются на начальных этапах контакта клеток разных видов и носят стрессовый характер. В совместных культурах водорослей отмечены неоднозначные изменения содержания эндо- и экзогенных белков. Существенное угнетение ростовых процессов сопровождается уменьшением количества белков на 30-50%, в случае отсутствия угнетения роста содержание белков возрастает в среднем в 2,5 раза. При взаимодействии водорослей наблюдается перераспределение фракционного состава белков, появление белковых соединений, не характерных для монокультур.

Выявлены различия в интенсивности окислительно-восстановительных процессов в культуральных средах одновидовых и смешанных культур водорослей. Вследствие взаимовлияния видов изменяется активность эндогенных и внеклеточных ферментов (нитратредуктаза, каталаза), интенсивность свободнорадикальных процессов и накопления продуктов пероксидного окисления липидов в культуральной среде, что свидетельствует о развитии окислительного стресса. Показано, что генерация активных форм кислорода и изменение интенсивности окислительно-восстановительных и свободнорадикальных процессов является одним из основных механизмов биотического взаимовлияния. Предложена принципиальная схема физиолого-биохимических путей взаимовлияния водорослей. Установлено, что отклик водорослей на влияние других видов носит адаптационный характер и аналогичен комплексу изменений, характерных для неспецифического адаптационного синдрома клеточных систем организмов животных и растений в ответ на повреждающее влияние разнообразных факторов.

На функциональную активность водорослей влияют фенолы и в меньшей мере алкалоиды и амины. Алкалоидные соединения на первых этапах вызывают значительные нарушения кислородного обмена, однако их действие более кратковременно и они менее токсичны для водорослей по сравнению с фенолами. В случае совместного действия алкалоидов и фенолов степень их влияния на водоросли усиливается. Синезеленые водоросли более чувствительны к влиянию фенольных и алкалоидных соединений, чем зеленые.

Установлено, что в процессе взаимодействия водоросли активно изменяют состав экзометаболитов, в частности аллелопатичеки активных веществ. Вследствие биотического взаимовлияния в средах исследованных смешанных культур, в отличие от монокультур соответствующих видов, появляется бензойная кислота (0,0089 мг/дм3) и более чем в два раза увеличивается содержание дигидрометилжасмоната. Эти вещества способны индуцировать у водорослей защитные реакции и перестройку метаболизма с целью повышения устойчивости к влиянию других видов.

Выявленные закономерности взаимодействия водорослей свидетельствуют о важной роли этого биотического фактора, который может принимать участие в формировании альгосообществ и сукцессионных процессах в гидробиоценозах. Значение этого фактора усиливается в неоптимальных и/или неблагоприятных условиях внешней среды. Биотическое взаимовлияние видов наряду с абиотическими факторами обусловливает закономерную смену состава альгосообществ и способствует замене доминирующего комплекса видов.

Ключевые слова: водоросли, смешанные культуры, биотическое взаимовлияние, физиолого-биохимические показатели, свободнорадикальные процессы, экзометаболиты.

SUMMARY

Kirpenko N.I. Mechanisms of biotic interaction between freshwater microalgae. - Manuscript.

Thesis for the degree of Doctor of Biological Sciences on speciality 03.00.17 - Hydrobiology. - Institute of Hydrobiology, National Academy of Sciences of Ukraine. Kyiv, 2011.

Regularities and mechanisms of biotic interaction between species were revealed on the example of mixed cultures of green and blue-green freshwater algae. It has been found that interaction is registered both within the same ecological group (phytoplankton) and between different ecological groups (phytoplankton and phytoperiphyton), between closely related species and those differing in their taxonomic affiliation, and under different environmental conditions. Interaction between algae is species-specific and depends on their physiological state. Changes in the intensity of algae growth as a result of interaction are accompanied by transformations in physiological and biochemical processes, including photosynthesis, respiration, accumulation of extracellular organic matter, changes in the content of endo- and exogenous proteins and in the redistribution of their fractional composition, and the formation of substances non-typical to monocultures. The most essential disruptions are observed at the early stages of the contact between the cells of different species. Changes in the activity of endo- and exogenous oxidation-reduction enzymes (nitratereductase and catalase), in the intensity of free-radical processes, and in the accumulation of lipid peroxidation products are indicative of the formation of oxidative stress. The response of algae to the influence of other species is closely similar to non-specific adaptation syndrome of cell systems. During the process of interaction algae are capable of transforming exometabolite composition. The media of the studied mixed cultures unlike the media of monocultures were characterized by the presence of benzoic acid and by the increase in the content of dihydromethyljasmonate. These substances are capable of transforming metabolism and inducing protective reactions responsible for the increase in the resistance of algae to the influence of other species.

Keywords: algae, mixed culture, biotic interaction, physiological and biochemical indices, free radical processes, exometabolites.

Размещено на Allbest.ru