Наукові принципи структурно-функціонального конструювання штучних біогеоценозів (в системі: ґрунт-рослина-ґрунт)

Розподіл асимілятів в органах рослин. Структурно-функціональний підхід при формуванні штучного біогеоценозу дає можливість вивчити особливості розподілу асимілятів у листках рослин з різною будовою пагонової системи, а саме з симподіальним і моноподіальним типом галуження. Аналіз вмісту цукрів і елементів мінерального живлення у листках дослідних видів показав наявність трьох зон перерозподілу асимілятів незалежно від будови пагонової системи рослин. Виявлену залежність можна пояснити, по-перше, можливістю реутилізації того або іншого елементу, по-друге, певним об'ємом вільного простору (ВП) тканин листка. Виміри об'єму ВП показали суттєві розбіжності в інтенсивності заповнення і вимивання 0,1 М розчину сахарози з вільного простору листків різних ярусів, зокрема, найбільший об'єм властивий листкам середнього ярусу - 2,7-3,2%, найменший - молодим листкам - 1,3-1,5%, а для листків нижнього ярусу він становить 2,3-2,8%. Слід зазначити, що така закономірність була встановлена і при дослідженні динаміки розподілу біоелектричних потенціалів (БЕП) на поверхні листків і пагонів різних ярусів. Наявність зон, де відбувається зміна полярності БЕП і перерозподілу асилімятів, дозволяє зробити припущення стосовно різної функціональної ролі окремих частин рослини: листки і пагони нижнього ярусу виконують запасаючу функцію, середня частина характеризується високою чутливістю до зовнішніх факторів і виділена нами як синтезуюча зона, верхня частина - зона активного росту.

Дослідження розподілу БЕП по ярусах та аналіз взаємозв'язку між цим параметром і вмістом фотосинтетичних пігментів показали значну різницю між наземними видами та епіфітами.

Для перших характерна позитивна полярність листків всіх ярусів і підвищений вміст фотосинтетичних пігментів. Між концентрацією фотосинтетичних пігментів та електрофізіологічною активністю існує, як правило, прямо пропорційна залежність, що особливо помітно для листків нижнього ярусу. Для епіфітів спостерігається такий самий рівень електрофізіологічної активності, як і для наземних видів, але при цьому вміст фотосинтетичних пігментів є майже у 8-10 разів меншим.

Визначено амплітуду світлозалежної біоелектричної активності у рослин різного екотипу і морфоструктури та проаналізовано їх біохімічну реакцію на вплив факторів накволишнього середовища.

Доведено, що епіфіти є стійкішими до коливань температури і вологи, ніж види, які ведуть наземний спосіб життя. Про це може свідчити, наприклад, зменшення за умов водного дефіциту в 2,5-15,0 разів концентрації амінокислот у епіфітів і збільшення їх вмісту в 1,5-6,0 разів у наземних видів. Крім того, виявлено, що якісний і кількісний склад вільних амінокислот може бути індикатором належності рослин до певного екотипу.

На фоні водного стресу у наземних видів збільшується вміст глутамінової кислоти, серіну, валіну, треоніну, проліну, а у епіфітів - лізину. При цьому відбувались суттєві зміни у хімічному складі тканин. При надлишковій вологості волокнистого субстрату (80% від ПВ) спостерігається зменшення кількості азоту, калію, молібдену, бору, фосфору, цинку і міді у листках, за умов різної нестачі вологи (20 % від ПВ) у субстраті рівень біогенних елементів в рослинах трохи підвищується, у той час як продуктивність росту зменшується.

ФОРМУВАННЯ ТА ДОСЛІДЖЕННЯ ШТУЧНИХ ЕКОСИСТЕМ В УМОВАХ НЕВАГОМОСТІ

Еколого-фізіологічні особливості вищих рослин в умовах функціонування штучних екосистем. Наші багаторічні дослідження із залученням кліностатів і герметичних камер показали перспективність використання різних видів орхідних як модельних об'єктів для визначення дії невагомості на ріст і розвиток вищих рослин. Метою роботи було визначення впливу 2, 6 і 12-місячного кліностатування на фізіолого-біохімічні процеси вищих рослин. В експериментах на горизонтальному і вертикальному кліностатах вперше виявлено, що двомісячна імітована мікрогравітація призводить до зменшення активності нативних стимуляторів росту. При цьому в епіфітних видів орхідних вміст вільних ауксинів і гіберелінів зменшується в меншій мірі, ніж у наземних видів, що, мабуть, поряд з ослабленою геотропічною реакцією, є однією з причин їх витривалості в умовах невагомості. Аналіз фітогормонального статусу рослин різного екоморфотипу довів, що генеративно зрілі епіфітні орхідні із симподіальним типом галуження пагонової системи і наявністю туберидіїв найбільш придатні для космічних досліджень. Показано істотний вплив кліностатування на біохімічний склад рослин. Зокрема, в епіфітів спостерігалось зниження вмісту білкового азоту, а у наземних видів, навпаки, - його помітне збільшення. При цьому рослинні тканини наземних видів характеризувались вищим вмістом фосфору, калію, кальцію і марганцю, тоді як для епіфітних характерне зменшення вмісту макро- і мікроелементів в їх органах. Короткочасна імітована мікрогравітація призводила до зменшення біосинтезу фотосинтетичних пігментів, зниження вмісту дицукрів і підвищення моноцукрів в листках всіх дослідних видів, негативно впливала на активність цитохромоксидази і поліфенолоксидази у наземних видів. 6-місячне перебування рослин на кліностаті загалом справляло негативну дію на ростові процеси. Так, приріст дослідних видів був в 1,3-2,5 рази меншим порівняно з контролем. Цікаві дані отримано при порівняльному аналізі ваги надземної частини та коренів рослин. Вага сирої маси надземної частини зменшувалась по відношенню до контролю в 1,3-1,7, а вага коренів, навпаки, збільшувалась в 1,8-2,3 рази. Слід зазначити, що отримані результати властиві для всіх досліджуваних видів незалежно від типу галуження їх пагонової системи або життєвої форми. Певні зміни відбувались і у фотосинтетичній активності рослин. В листках орхідних, які протягом 1 місяця знаходились в умовах імітованої мікрогравітації, помітно збільшується вміст хлорофілів. Протилежна закономірність спостерігається в розподілі хлорофілів після 6 місяців кліностатування: вміст хлорофілів зменшувався в середньому в 1,2-1,9 разів. Суттєво змінюється розподіл макро- і мікроелементів у вегетативних органах орхідних. Спостерігається різке зменшення вмісту фосфору, азоту і кальцію в тканинах рослин. Слід зазначити, що виявлене нами збільшення об'єму кореневої системи за умов імітованої мікрогравітації може бути пов'язане з порушенням фосфорного обміну в рослинах. Результати досліджень свідчать також про значні відмінності і в амінокислотному складі рослин. Встановлено, що загальний вміст вільних амінокислот в листках дослідних видів після 6 місяців перебування на кліностаті підвищується порівняно з контролем у 1,9-2,7 рази.

Заслуговують на увагу результати, одержані при аналізі вмісту пігментів у повітряних коренях Doritis pulcherrima Lindl. після 4-місячного перебування рослин в умовах невагомості. У дослідних рослин спостерігали тритцятикратне збільшення вмісту хлорофілу а у повітряних коренях. Для хлорофілу b і каротиноїдів ці величини складають, відповідно, 7 і 10 разів. Слід зазначити, що збільшення вмісту хлорофілу b у повітряних коренях рослин в умовах мікрогравітації свідчить про інтенсивне накопичення органічної маси і відповідне збільшення поглинальної та синтетичної діяльності кореневої системи. Так, об'єм коренів у досліді досягав 9,8 см³, тоді як у наземних умовах - лише 4,6 см³. За умов невагомості було виявлено зменшення кількості і розмірів крохмальних зерен, а в ядрах клітин утворення голчастих кристалів білка. Ми припускаємо, що це спричинено порушенням водного балансу рослин, яке призводить до гідролізу крохмалю і білка.

Участь в українсько-американському проекті надала нам можливість дослідити амінокислотний склад рослин Brassica rapa в умовах космічного польоту на борту Шаттла. Попередні експерименти з орхідними довели, що кількісний і якісний склад вільних амінокислот може бути показником при визначенні залежності між фізіологічними процесами і зовнішнім середовищем для аналізу відповідних реакцій рослин на умови невагомості та створення у майбутньому штучних біогеоценозів для космосу. Досліджувався загальний вміст вільних амінокислот і фотосинтетичних пігментів на 9, 15 і 28 добу розвитку рослин (табл. 5).

Вперше встановлено, що вміст амінокислот в різних органах рослин під впливом мікрогравітації збільшувався в середньому у 1,4-2,1 раза. Найсуттєвіші зміни в амінокислотному складі спостерігали на 15 і 28 добу розвитку Brassica rapa. Виявлено факт різкого збільшення концентрації аргініну і лізину в листках і стеблах дослідних рослин на 28 добу. Зростання вільного аргініну в листках в 5,5, а в стеблах - у 25,6 раза свідчить, на нашу думку, про недостатню фосфатну забезпеченість рослин.

Таблиця 5 Вміст вільних амінокислот в стеблах Brassica rapa в умовах мікрогравітації, мкг/100 мг сирої речовини

На порушення фосфатного обміну вказує також і зменшення кількості амінокислот ароматичного ряду, зокрема фенілаланіну, гістидину і тірозину. Накопичення вільних амінокислот у тканинах Brassica rapa за умов невагомості може бути пов'язане також і з порушенням водного режиму. При цьому показано негативну залежність між інтенсивністю ростових процесів і збільшенням в органах рослин концентрації амінокислот. Необхідно зазначити, що збільшення кількості глутамінової кислоти в рослинах на 15 добу розвитку за умов невагомості свідчить про активізацію біосинтезу фотосинтетичних пігментів. При дослідженні фотосинтетичного комплексу виявлено підвищення вмісту фотосинтетичних пігментів в рослинах брасіки на 15 добу у 1,2-1,9 раза і зменшення їх кількості у 2,3-2,7 раза на 28 добу вирощування.

Аналіз впливу екологічних умов гермооб'єму на біохімічні процеси рослин. Для розмежування впливу невагомості і мікроклімату гермооб'єму на ріст і розвиток рослин проводили порівняльний аналіз їх біохімічного складу після 24-місячного перебування в умовах герметичної камери і 12-місячного кліностатування. Вперше визначено пороги чутливості орхідних до дії мікроклімату гермооб'єму та кліностатування залежно від їх морфологічних особливостей. Виявлено суттєві розбіжності у кількості фотосинтетичних пігментів і нуклеїнових кислот, концентрації біогенних елементів, якісному складі вільних амінокислот у рослин з різною будовою пагонової системи. Показано, що для моноподіальних видів порівняно із симподіальними характерне збільшення в тканинах листків і повітряних коренів вмісту азоту, калію і марганцю, підвищення концентрації хлорофілів, зменшення рівня вільних амінокислот (табл.6). Зовсім інша залежність спостерігається у рослин за умов 12-місячного кліностатування. При тривалій імітованій мікрогравітації підвищується кількість вільних амінокислот, зменшується вміст фосфору, калію і кальцію в тканинах орхідних. При цьому така закономірність зберігається у рослин незалежно від особливостей їх морфологічної будови. Встановлені біохімічні відмінності у рослин різного екотипу дозволять у майбутньому розробити оптимальну технологію їх культивування в умовах закритих екосистем під час тривалого перебування рослинних організмів у космосі.

Рослини як фільтри для очищення газоповітряного середовища закритих екологічних систем. Пластичність і різноманітність стратегій життєдіяльності рослин різних екотипів визначають можливості їх існування за екстремальних умов, у т.ч. і в умовах космічного польоту. Відомо, що однією з причин загибелі рослин при мікрогравітації може бути високий вміст летких органічних сполук у герметичних камерах, тому вивчення здатності рослин поглинати і знешкоджувати токсичні органічні речовини антропогенного походження - важливе завдання, яке становить великий теоретичний інтерес і має практичне значення при формуванні штучних біогеоценозів. На першому етапі досліджень як модельні об'єкти були використані п'ять видів Chlorophytum Ker-Gawl. Газохроматографічний аналіз атмосфери герметичних камер у присутності рослин свідчить про значне зменшення концентрації ксенобіотиків, зокрема бензолу, толуолу, гексану і циклогексану, у порівнянні з контрольною камерою без рослин. При цьому толуол і бензол рослини нейтралізують протягом 96 годин на 100%. Максимальну здатність поглинати великі кількості газоподібних вуглеводів ми виявили у Chlorophytum comosum `Vittatum'. Дослідження біохімічного складу рослин цього культивару доводить суттєву різницю в активності рістрегулюючих сполук і кількісних показниках вільних амінокислот. Встановлено, що рослинні тканини малостійких до фітотоксинів видів характеризуються значно меншою кількістю вільних амінокислот та високим рівнем речовин, що гальмують ростові процеси порівняно з рослинами, стійкими до їх дії.

Таблиця 6 Вміст макро- і мікроелементів в різних органах орхідних після 24-місячного перебування в герметичній камері

На другому етапі досліджень аналізували еколого-фізіологічні і біохімічні зміни в рослинах різного екотипу під впливом бензолу. В результаті проведених досліджень виявлено, що головну роль в окисленні бензолу в рослинах відіграють ферменти, які містять мідь, і, в першу чергу, поліфенолоксидаза і аскорбіноксидаза. При порівняльному вивченні ферментативної активності листків 12 видів із 6 родин встановлено підвищення її активності у стійких до ксенобіотиків рослин. Крім того, рослинні тканини стійких видів відрізнялись також і найвищим вмістом міді. Так, у листках цих видів її кількість була у 3,2-6,8 раза вища порівняно з іншими видами. Показано негативний вплив бензолу на фотосинтетичний комплекс. Вміст каротиноїдів в листках найбільш витривалих до дії бензолу видів, зокрема Chlorophytum comosum і Ficus triangularis був у 1,2-1,5 рази більшим. Виявлено також значні порушення у вуглеводному обміні. Спостерігалось зменшення вмісту крохмалю та моно- і дицукрів у листках. При цьому стійким рослинам властиве накопичення дицукрів.

КОНЦЕПТУАЛЬНІ МОДЕЛІ СТРУКТУРОУТВОРЕННЯ У ШТУЧНИХ БІОГЕОЦЕНОЗАХ

Біогеоценози будь-якого рівня ієрархії можуть бути описані в рамках концептуальної моделі, яка відтворює загальні принципи життєдіяльності, адаптації та еволюції. У разі випадку концептуальна модель як біотехнічний аналог систем подібного рівня складності включає дві підсистеми - ресурсну та інформаційну. Ресурсна підструктура описує динаміку балансу матеріальних і енергетичних ресурсів та їх еколого-фізіологічні і біохімічні перетворення в процесі життєдіяльності рослин. Вона містить перетворювач ресурсів, накопичувач ресурсів і споживач ресурсів. Функціонування перетворювача описує оператор, який враховує частку впливу кожного з факторів у процесі перетворення ресурсів у просторі і часі. Внутрішні зв'язки в штучному біогеоценозі відтворюються структурною організацією моделі і характеризуються формуючими фільтрами стану обмінних процесів. Інформаційна підструктура характеризує рух потоків інформації на різних ієрархічних рівнях. Відповідно до розробленої структурно-функціональної схеми екосистеми вона складається із спостерігача системи з індикатором процесора прийняття рішень, цілеспрямованої системи з банком знань і набором моделей цільового простору системи та ресурсних перетворювачів. Банк знань формується ієрархічною системою вищого рівня на основі апріорної та апостеріорної інформації про організацію і роботу штучного біогеоценозу та складається із структурної і функціональної компонент (рис.2). Проведені дослідження дозволили розробити концептуальну модель штучного біогеоценозу, описати і проаналізувати систему: грунт-рослина- грунт, розглянути структурну модель рослини в рамках інформаційно-ресурсної концепції, виділити функціональні ознаки життєдіяльності рослинного організму за умов стрес-факторів. Необхідно зазначити, що всі ланки структурної організації штучного біогеоценозу, а саме волокнистий субстрат, органо-мінеральні добрива, кремнійорганічні сполуки, комплекси металів, модифіковані цеоліти можуть бути використані самостійно для підвищення продуктивності рослин, стабілізації хімічного балансу кореневого середовища, активізації фізіолого-біохімічних процесів.

Рис.2. Структура цілеспрямовуючої системи

Умовні позначення: GP - глобальна ціль; МС - моделі концептуальні;

MD - моделі параметричні; M struct - моделі структуроутворення; M strat M - моделі стратегії поведінки; M strat O - моделі стратегії управління; M strat P - моделі стратегічних цілей; DP(OE) - розв'язувач проблеми з врахуванням зовнішнього середовища; GRS - генератор цілеспрямованої системи; OS - спостерігаюча система; LSM - локальна система управління; РМ - процесор управління; strat O - стратегія управління; strat M - стратегія поведінки; P_s - ціль; Р - проблема; М(ВК) - управління базою знань; MCPS - модель поточної цільової ситуації; SC - схема порівняння цілей.

Модельний підхід до створення штучних біогеоценозів дозволяє не тільки спостерігати зміни, які відбуваються у часі і просторі функціональної організації будь-якої екосистеми, але й дослідити розвиток її структури і диференціацію біотичних блоків, проаналізувати матеріально-енергетичний та інформаційний взаємозв'язок між усіма складовими компонентами, простежити механізми самоконтролю і саморегуляції. Вивчення особливостей функціонування культурбіогеоценозів під впливом факторів навколишнього середовища, визначення порогів чутливості екосистеми до зовнішніх збуджень, пошук шляхів підвищення їх адаптаційної спроможності передбачає поліпшення умов існування людини і має, безперечно, величезне теоретичне і прикладне значення. Крім того, розробка теоретичних аспектів побудови штучних біогеоценозів надає можливість здійснити довільне моделювання біогеоценотичних процесів і провести їх математичний опис у межах еволюційних перетворень біогеоценотичних систем. На даний час екологічний прогноз не здатний передбачити та оцінити наслідки антропогенного впливу на біосферу та всі її системи, оскільки питанням технологічного оснащення і математичного забезпечення приділялось дуже мало уваги (Голубець, 1982). Перед біогеоценологією виникають надзвичайно важливі наукові і практичні проблеми, пов'язані із моделюванням і прогнозуванням природних екологічних процесів як в окремих екосистемах, так і біосфері загалом, дослідженням впливу зовнішнього середовища на ці процеси, створенням штучних біогеоценозів із керованими властивостями, пошуком методів управління процесами для оптимізації структурно-функціональної організації екосистем різного рівня складності. Розумний вплив на природні системи можливий тільки за умов досконально продуманої, детально розрахованої і бездоганно спланованої еталонної системи. Отже, лише всебічний науковий аналіз природних систем та впровадження сучасних методів дослідження особливостей їх будови дозволить розробити штучні біогеоценози для грунтовного вивчення антропогенних процесів.

У зв'язку з цим метою нашої роботи було створення структурно-функціональних основ для формування модельних біогеоценозів із залученням методів системного аналізу процесів, що відбуваються у штучній екосистемі під впливом життєдіяльності рослин і факторів зовнішнього середовища. На думку М.А.Голубця (2000), пізнання структурно-функціональної організації екосистеми різного типу має починатися з найпростішої і зручної для вивчення екосистеми - індивідуальної консорції. Тому свою науково-дослідну роботу ми в основному зосередили на вивченні всіх компонентів змодельованого культурбіогеоценозу, а саме замінників грунту, органо-мінеральних добрив, біологічно активних сполук, рослин різного екотипу, з детальним аналізом фізико-хімічних, фізіологічних, біохімічних, біофізичних, мікробіологічних, молекулярно-біологічних процесів формування штучної екосистеми та перевіреної дослідженням її дієздатності в умовах закритих систем, у тому числі і в умовах невагомості.

ВИСНОВКИ

1. Розроблено теоретичні аспекти і практичні підходи до формування штучних біогеоценозів. Детально досліджено їх структурно-функціональну організацію, зокрема замінники грунту з керованими параметрами, системою добрив та рослини різного екоморфотипу у взаємодії з факторами зовнішнього середовища. Створено замкнутий цикл використання вторинної сировини у сільському господарстві і біологічних системах.

2. Визначено засади конструювання замінників грунту. Доведено можливість регулювання іонообмінними і кислотно-лужними характеристиками композиційних матеріалів у результаті поєднання супертонкого базальтового волокна з органічними волокнами різної хімічної природи. Оптимальними для рослин виявилися субстрати, які складаються із поліамідних або поліакрилонітрильних волокон та базальтових волокон, взятих у співвідношенні 3:1. Для одержання формованих субстратів перспективні полімерні зв'язуючі, що забезпечують високу водопоглинаючу здатність та еластичність структури грунтозамінника.

3. Завдяки математичним методам складено прогноз фізичних процесів у грунтовій екосистемі та розроблено ряд математичних моделей, що описують механізми конвективного руху, дифузії і гідродинамічної дисперсії розчинів у грунтах з різними фізико-хімічними властивостями.

4. Проаналізовано динаміку накопичення органічних речовин і мікробну колонізацію замінників грунту та показано вплив забарвлення субстратів на їх біологічну активність. Обробка матеріалів розчинами амінокислот, вуглеводів і органічних кислот надає інертним волокнистим субстратам біологічної активності.

5. Розроблено збалансовані за хімічним складом органо-мінеральні добрива пролонгованої дії. Для забезпечення оптимальних технологічних параметрів встановлена доцільність використання як зв'язуючого полівінілового спирту.

6. Розроблено технологію промислового виготовлення органо-мінеральних добрив пролонгованої дії. Доведено, що в їх композиції доцільно вводити як неорганічні сорбенти-іонообмінники модифіковані метали (Cu, Zn, Fe, Mn, Co) і цеоліти, які сприяють активізації ростових процесів, позитивно впливають на продуктивність рослин.

7. Проведено порівняльний аналіз фізико-хімічних властивостей органо-мінеральних добрив, отриманих за допомогою таблетуючих апаратів і гранулюючого устаткування. Встановлено, що гранульовні добрива характеризуються більш уповільненим виходом елементів живлення у водне середовище.

8. Виявлено позитивну роль кремнійорганічних сполук у функціонуванні штучної екосистеми: грунт-рослина-грунт. Показано, що кремній бере безпосередню участь у формуванні органічної речовини волокнистого субстрату, активізує розвиток агрономічно корисної мікрофлори, підвищує мобільність макро- і мікроелементів, стимулює еколого-фізіологічні і біохімічні процеси у рослин, підвищує їх адаптаційну здатність до стрес-факторів.

9. В результаті порівняльного біохімічного дослідження рослин різного екоморфотипу встановлено суттєві відмінності у біохімічному складі тканин епіфітних і наземних видів. Доведено, що особливості розподілу ДНК і РНК у листках і коренях дозволяє визначити екотип рослин.

10. Вивчено розподіл асимілятів в органах рослин з моноподіальним та симподіальним типами галуження пагонової системи. Аналіз вмісту цукрів і елементів мінерального живлення у листках та зміна градієнтів біоелектричних потенціалів на поверхні рослин свідчить про наявність трьох зон розподілу асимілятів і БЕП незалежно від будови їх пагонової системи.

11. Досліджено особливості функціонування штучних біогеоценозів в модельних експериментах з використанням кліностатів, герметичних камер та в умовах космічного польоту. 12. Статус нативних регуляторів росту доводить, що генеративно зрілі епіфітні орхідеї з симподіальним типом галуження пагонової системи найбільш придатні для вивчення впливу невагомості на ріст і розвиток вищих рослин. Еколого-фізіологічними і біохімічними дослідженнями встановлено, що тривале кліностатування зменшує вміст азоту, фосфору і кальцію в ролинах, підвищує кількість вільних амінокислот, пригнічує біосинтез фотосинтетичних пігментів.

13. Встановлено значні відмінності у біохімічному складі орхідних різного екотипу після 24-місячного перебування в умовах герметичної камери. Показано, що в гермооб'ємі у моноподіальних видів зменшуються кількості вільних амінокислот, підвищується вміст РНК, фотосинтетичних пігментів, азоту, калію і марганцю у порівнянні із симподіальними видами.

14. В космічних експериментах з рослинами Brassica rapa виявлено збільшення вмісту вільних амінокислот в надземних органах. Амінокислотний склад листків і стебла свідчить про порушення водного забеспечення рослин, погіршення азотного і фосфатного обміну та передчасне старіння рослин.

15. Визначено діагностичні критерії для пошуку видів, здатних поглинати токсичні органічні сполуки, зокрема бензол. Це активність поліфенолоксидази, а також вміст у листках каротиноїдів, міді і дицукрів. Отримані результати можуть бути використані при створені принципово нових біологічних систем для оптимізації екологічного стану закритих приміщень.

16. Розроблено концептуальну модель структурно-функціональної організації штучного біогеоценозу в системі: грунт-рослина-грунт.

СПИСОК ОСНОВНИХ НАУКОВИХ ПУБЛІКАЦІЙ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Заименко Н.В. Структурно-функциональные основы конструирования заменителей почвы. - К.: ОА "Наукова думка". - 1998. - 216 с.

2. Черевченко Т.М., Лаврентьева А.Н., Заименко Н.В. Сравнительная характеристика биоморфологических признаков сеянцев и растений-регенерантов цимбидиума гибридного //Интродукция и акклиматизация растений. - 1987. - Вып. 8. - С.64-67.

3. Черевченко Т.М., Заименко Н.В., Денисьевская Н.А. Некоторые аспекты эдафических условий лесов Амазонии //Там же. - 1991. - Вып.15. - С.92-95.

4. Прутенская М.Д., Заименко Н.В., Журба Л.Н. Физиолого-биохимические изменения в листьях цимбмдиума гибридного под влиянием пестицидов // Там же. - С.88-91.

5. Свешников С.Н., Заименко Н.В., Денисьевская Н.А. Особенности выращивания декоративных растений закрытого грунта на волокнистых субстратах Гравилен // Там же. - 1994. - Вып. 21. - С. 78-81.

6. Прутенская М.Д., Мисюренко И.П., Заименко Н.В. Использование субстратной смеси для биологического подавления почвенных патогенных грибов //Там же. - С.90-94.

7. Черевченко Т.М., Заіменко Н.В. Тропічні епіфітні орхідні - об'єкт досліджень космічної ботаніки та елемент дизайну кабіни космічних кораблів і орбітальних станцій- 1998. - Т.4, № 5/6. - С. 141-147.

8. Заименко Н.В. Влияние кремнийорганического препарата на активность окислительно-восстановительных процессов и содержание некоторых ассимилятов в листьях растений //Физиология и биохимия культ.растений. - 1998. - Т.30, № 5. - С.363-367.

9. Заіменко Н.В. Структурно-функціональні основи конструювання волокнистих субстратів //Доповіді Національної академії наук України. - 1998. -№ 12. - С.164-169.

10. Заіменко Н.В., Черевченко Т.М., Мартиненко О.І. Електрофізіологічні особливості тропічних видів орхідних //Физиология и биохимия культ.растений. - 1998. - Т.30, № 4. - С.279-287.

11. Черевченко Т.М., Харитонова І.П., Заіменко Н.В. Аналіз фітонцидної активності тропічних і субтропічних рослин: Зб. наук. пр. Запорізького державного університету: Питання біоіндикації та екології. - 1998. - Вип. 3. - С.65-70.

12. Заіменко Н.В.Органо-мінеральні добрива пролонгованої дії //Цукрові буряки. - 1998. - № 6. - С.17.

13. Заіменко Н.В. Роль кремнійорганічних сполук у функціонуванні системи грунт-рослина // Доповіді Національної академії наук України. - 1999. - № 4. - С.167-170.

14. Заіменко Н.В., Черевченко Т.М., Харитонова І.П. Вплив бензолу на активність окислювально-відновних ферментів і вміст деяких асимілятів у листках декоративних рослин //Физиология и биохимия культ.растений. - 1999. - Т. 31, № 5. - С.345-350.

15. Заіменко Н.В., Шикула М.К. Вплив кремнійорганічних сполук на біологічну активність субстратів: Зб. наук.пр. Одеськогодержавного сільськогосподарського інституту: Аграрний вісник Причорномор'я. - 1999. - Вип. 3(6). - С.174-178.

16. Заіменко Н.В., Черевченко Т.М., Лаврентьеєва А.М. Зв'язок продуктивності цвітіння сортів Cymbidium hybridum hort. з їх регенераційною та асиміляційною здатністю //Інтродукція рослин. - 1999. - № 1. - С.70-73.

17. Заіменко Н.В., Черевченко Т.М. Біохімічні зміни у листках тропічних видів орхідних в умовах герметичної камери // Інтродукція рослин. - 1999. - №2. - С.88-92.

18. Заіменко Н.В. Концептуальні моделі структуроутворення у біоекосистемах //Інтродукція рослин. - 1999, № 3-4. - С. 18-21.

19. Заіменко Н.В. Модельний підхід до створення замінників грунту //Екологія та ноосферологія. - 1999. - Т.7, № 3. - С.116-127.

20. Заіменко Н.В. Вплив кліностатування на фізіолого-біохімічні процеси у тропічних орхідних //Укр.ботан.журн. - 1999. - Т.56, № 2. - С.174-179.

21. Заіменко Н.В. Сполуки кремнію та врожайність цукрових буряків //Цукрові буряки. - 1999. - № 3. - С.18.

22. Заіменко Н.В. Розробка екологічно чистих орано-мінеральних добрив пролонгованої дії: Зб. наук. праць Тернопільського педуніверситету: Наукові записки. Серія біологія. - 2000. - № 2 (9). - С.26-28.

23. Черевченко Т.М., Заіменко Н.В., Харитонова І.П. Ріст та амінокислотний склад орхідних в умовах імітованої мікрогравітації //Укр.ботан.журн. - 2000. - Т. 57, № 1. - С.83-88.

24. Черевченко Т.М., Заименко Н.В., Мартиненко Е.И. Биохимические особенности видов орхидных различных экотипов //Физиология и биохимия культ. растений. - 2000. - Т. 32, № 2. - С.121-127.

25. Заіменко Н.В. Вплив забарвлення замінників грунту на їх біологічну активність та біосинтез фотосинтетичних пігментів у листках рослин: Зб.наук.пр. Волинського державного університету ім. Лесі українки: Науковий вісник. - 2000. - № 7. - С.149-153.

26. Способ обработки волокнистого субстрата для выращивания тепличных растений: А.с. №1556597, СССР, МКИ А01 G 31/00 /Н.В. Заименко, П.С. Яремов, С.Н. Свешников и др. (СССР). № 439265; Заявл. 15.03.88; Опубл. 15.04.90, Бюл. № 14. - С.13.

27. Средство для регулирования роста растений. А.с. № 1687194, СССР, МКИ А 01 № 59/00 /А.С. Григорьева, Н.Ф. Конахович, Н.В. Заименко и др. (СССР). - № 4687033; Заявл.03.05.89; Опубл. 30.10.91, Бюл. № 40. - С.24.

28. Гранулированное органо-минеральное удобрение “Ормин” /Н.В.Заименко, С.Н.Свешников, П.С.Яремов и др.(СССР). -№ 4847697; Опубл. 24.04.90. Патент № 1819413, СССР, МКИ С 05 F 11/00 Бюл. изобр. - М., 1988, № 12. - 12 с.

29. Способ ингибирования вирусных болезней цветочных культур семейства орхидных: А.с. № 1407471, СССР, МКИ А 01 N 59/00 /Г.Г.Русин, Н.В.Заименко, В.Н.Тарусина, Т.М.Черевченко (СССР). № 4047232. Заявл. 31.03.86; Опубл. 07.07.88. Бюл. № 25. - С.14.

30. Способ выращивания орхидных: А.с. № 1509014, СССР, МКИ А 01 N 55/00 /Г.Г.Русин, Н.В.Заименко, В.Н.Тарусина, Т.М.Черевченко (СССР). № 4290362. Заявл. 27.07.87; Опубл. 23.09.89, Бюл. № 35. - С.11.

31. Субстрат для выращивания растений: А.с. № 1833519, СССР, МКИ А 01 G 31/00 /С.Н.Свешников, Н.В.Заименко, Г.В.Сандул, Т.М.Черевченко, Б.А.Толотов, Э.В.Чинчян (СССР). № 4740316. Заявл. 25.09.89.

32. Способ изготовления волокнистого субстрата для выращивания растений: А.с. № 1503083, СССР, МКИ А 01 G 31/00 /С.Н.Свешников, Г.В.Сандул, Н.В.Заименко, А.С.Григорьева и др. (СССР). № 4344368. Заявл. 10.11.87.

33. {Тетракис -µ [N - (2,3-диметилфенил)антранилато] - бисакво-бикобальт (II)},обладающий биостимулирующей и рострегулирующей активностью: А.с. № 1609099, СССР, МКИ С 07 F 15/06, А 01 N 55/02 /А.С.Григорьева, Н.Ф.Конахович, Н.В.Заименко, С.Н.Свешников и др. (СССР). № 4615315. Заявл. 19.09.88. Опубл. 22.07.90, Бюл. № 35. - С.19.

34. Субстрат для выращивания растений: А.с. № 1825437, СССР, МКИ А 01 G 31/00 /С.Н.Свешников, Н.В.Заименко, А.С.Григорьева, Г.В.Сандул и др. (СССР). № 4943810. Заявл. 10.06.91.

35. Telysheva G., Lebedeva G., Zaimenko N., Viesturs U. New lignosilicon fertilizers and their action on soil biota: Preprints /Soil decontamination using biological processes. - Karlsruhe: - 1992. - P. 525-530.

36. Cherevchenko T.M., Zaimenko N.V. Spaceflight effects on amino acid content in Brassica rapa //Science Milestones. - 1997. - N 10. - P. 9-14.

37. Cherevchenko T.M., Zaimenko N.V. Effect of microgravitation on physiological-biochemical processes in orchids of different ecotypes // J. Gravitational Physiol. - 1998. - Vol. 5, N 1. - P. 159-160.

38. Cherevchenko T.M., Zaimenko N.V., Martynenko O.I. Effect of microgravity on biology of development and physiological-biochemical peculiarities of orchids with different morphoecotypes //Proceedings of the First International Symposium on microgravity research. - Sorrento (Italy). - 2000. - P.191-197.

39. Zaimenko N., Cherevchenko T., Rusin G. Structural and functional aspects of artificial soil construction. // Remediation engineering of contaminated soils. - New York -Basel: Marcel Dekker, 2000. - P.489-503.

40. Telysheva G., Lebedeva G., Dizhbite T., Zaimenko N., Ammosova J., Viesturs U. Use of silicon-containing lignin products for in situ soil bioremediatiom. // Bioremediation of contaminated soils. - New York; Basel: Marcel Dekker, 2000. - P.699-727.

штучний біогеоценоз цикл ґрунт

АНОТАЦІЇ

Заіменко Н.В. Наукові принципи структурно-функціонального конструювання штучних біогеоценозів (в системі: грунт-рослина-грунт). Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора біологічних наук за спеціальністю 03.00.16 - екологія. - Дніпропетровський національний університет, Дніпропетровськ, 2001.

Дисертація присвячена розробці структурно-функціональних основ конструювання штучних біогеоценозів та створенню замкнутого циклу у біологічних системах за рахунок використання вторинної сировини. Досліджено всі його компоненти: замінники ґрунту з керованими параметрами, добрива пролонгованої дії, біологічно активні сполуки і рослини різних екотипів. Визначено якісні і кількісні критерії оптимізації волокнистіх замінників грунту. Проведено детальний аналіз фізико-хімічних, мікробіологічних, еколого-фізіологічних, біохімічних і біофізичних процесів формування штучної екосистеми. Вивчено особливості росту і розвитку вищих рослин в межах змодельованого біогеоценозу в умовах імітованої мікрогравітації, гермооб'єму і невагомості та визначено механізми їх саморегуляції. Описано систему: грунт-рослина-грунт з урахуванням динамічного характеру взаємодії середовища і рослин та розроблено інформаційно-ресурсні моделі для з'ясування основних принципів структуроутворення системи.

Ключові слова: штучний біогеоценоз, замінник грунту, добрива пролонгованої дії, біологічно активні сполуки, екотип, біохімічні процеси, невагомість, концептуальна модель.

Заименко Н.В. Научные принципы структурно-функционального конструирования искусственных биогеоценозов (в системе: почва-растение-почва). - Рукопись. Диссертация на соискание ученой степени доктора биологических наук по специальности 03.00.16 - экология. Днепропетровский национальный университет, Днепропетровск, 2001. Диссертация является итогом продолжительных исследований по разработке структурно-функциональных основ конструирования искусственных биогеоценозов и создания замкнутого цикла в биологических системах за счет использования вторичного сырья. Комплексный подход к изучению всех компонентов почвенной экосистемы: заменитель почвы с управляемыми физико-химическими параметрами, органо-минеральные удобрения пролонгированного действия, биологически активные соединения и кремнийорганические препараты, а также использование в качестве модельных объектов растений различного экотипа и морфологического строения позволило не только проанализировать физические, химические и биологические процессы, которые происходят в субстрате и растительном организме, но и исследовать их взаимосвязь с внешней средой.

Впервые определены количественные и качественные критерии оптимизации заменителей почвы, в т. ч. и скорость образования биологически активных структур инертного волокнистого субстрата. Доказана возможность регулирования ионообменными и физико-химическими характеристиками композиционных материалов при помощи взаимодействия базальтового волокна с органическими волокнами различной химической природы. Модельный подход к конструированию заменителей почвы дал возможность осуществить математический прогноз физических процессов, происходящих в почвенной экосистеме, и описать механизмы конвективного движения, диффузии и гидродинамической дисперсии растворов в субстратах с различными физико-химическими свойствами. Анализ отзывчивости растений на экзогенные воздействия в соответствии с их экотипом и морфологическими особенностями свидетельствует о перспективности использования разработанных волокнистых заменителей почвы для формирования искусственных биогеоценозов в условиях невесомости. Показано влияние окраски субстратов на их биологическую активность. Разработан простой способ регенерации заменителей почвы после их многолетней эксплуатации. С целью обеспечения растений элементами минерального питания при длительном культивировании разработаны универсальные органо-минеральные удобрения пролонгированного действия, которые содержат в сбалансированном соотношении питательные вещества и целевые добавки в виде цеолита и комплексов металлов. Решающим критерием при отработке технологического регламента изготовления удобрений было определение соотношения органического и минерального компонентов в их составе, которое учитывало бы не только видовые особенности растений, но и физико-химические параметры волокнистых субстратов. Для обеспечения необходимых технологических свойств удобрений, а также для регулирования скорости растворения был использован поливиниловый спирт. Создана технологическая схема для промышленного выпуска гранулированных удобрений.

Важные результаты получены при изучении роли кремния в функционировании искусственного биогеоценоза. Показано, что кремний принимает непосредственное участие в формировании органического вещества заменителей почвы, активизирует развитие агрономически полезной микрофлоры, повышает мобильность макро- и микроэлементов, стимулирует эколого-физиологические и биохимические процессы у растений, повышает их адаптационную способность к воздействию стресс-факторов.

Создание заменителей почвы с управляемыми физико-химическими параметрами позволило установить существенное различие в биохимическом составе растительных тканей эпифитного и наземного видов и выявить переходную форму экотипа. Впервые доказано, что показатель соотношения содержания РНК и ДНК в листьях и корнях растений может служить диагностическим критерием при определением их экотипа. Для растительных тканей наземного вида характерна активизация ферментативных процессов, более высокое содержание фотосинтетических пигментов, биогенных элементов, свободных аминокислот по сравнению с эпифитным видом. Результаты исследований показали существенное отличие в распределении ассимилятов в органах растений с моноподиальным и симподиальным типами ветвления побеговой системы. Анализ количества углеводов, макро- и микроэлементов в листьях и изменения градиентов биоэлектрических потенциалов на поверхности растений свидетельствует о наличии трех зон распределения ассимилятов и БЭП независимо от строения их побеговой системы.

Изучены особенности функционирования искусственных биогеоценозов в модельных экспериментах с использованием клиностатов, герметических камер и в условиях космического полета. Результаты исследования статуса нативных регуляторов роста указывают на то, что генеративно зрелые эпифитные орхидеи с симподиальным типом ветвления наиболее приемлемы для изучения влияния невесомости на развитие высших растений. Впервые показано существенное отличие в биохимическом составе орхидных различного экотипа после 24-месячного пребывания в условиях герметической камеры. Выявлено, что у моноподиальных видов уменьшается количество свободных аминокислот, повышается уровень РНК, фотосинтетических пигментов, азота, калия и марганца в сравнении с симподиальными. В космических экспериментах с растениями Brassica rapa обнаружено увеличение содержания свободных аминокислот в наземных органах. Аминокислотный состав листьев и стеблей свидетельствует о нарушении водного обеспечения растений, ухудшении азотного и фосфатного обменов, а также преждевременном старении растений. Определены диагностические критерии для поиска видов, способных поглощать токсические органические соединения из воздушного пространства закрытых экосистем. Это активность полифенолоксидазы, а также количество каротиноидов, меди и дисахаридов в листьях.

Проведенные исследования позволили разработать структурно-функциональную модель искусственного биогеоценоза, описать и проанализировать систему: почва-растение-почва, рассмотреть модель растения в рамках информационно-ресурсной концепции, выделить функциональные признаки жизнедеятельности растительного организма в невесомости.

Ключевые слова: искусственный биогеоценоз, заменитель почвы, удобрение пролонгированного действия, биологически активные вещества, экотип, биохимические процессы, невесомость, концептуальная модель.

Zaimenko N.V. Scientific principles of structural-functional constraction of artificial biogeocoenogis (in the system Soil-Plant-Soil).- Manuscript.

Thesis for a doctor's scientific degree of Biology. - Speciality 03.00.16. - ecology. - Dnipropetrovsk National University, Dnipropetrovsk. 2001.

This thesis dedicates to development of structural-functional basis for detailing of artificial biogeocoenosis and creating of closed cycle in biological systems using recovered materials. The whole of components of this cycle (soil substitutes with controled parameters, fertilizers with prolong activity, biologically active compounds and plants with different forms of life) were studied. Quantitative and qualitative criteria of fibrous soil substitutes were determined. The detailed analysis ofphysico-chamical, microbiological, ecologo- physiological, biochemical and biophysical processes in artificial ecosystems formation was made. The features of growth and development of higher plants in the limits of artificially formed biogeocoenosis were studied under the conditions of simulated microgravity, weighlessness and in the hermetically sealed boxes. The mechanisms of their selfcontrol were determined. The system Soil-Plant-Soil was described in the meaning of dynamics of the surroundings and plants interaction. Information-resourse models were developed for finding the main principles of ecosystem formation.

Key words: artificial biogeocoenoses, soil substitutes, fertilizers with prolong activity, biologically active compounds, ecotype, biochemical processes, weighlessness, conceptual model.

Размещено на Allbest.ru