Физиологическое состояние Fucus vesiculosus L. Баренцева моря при длительном нахождении в воздушной среде

В настоящее время увеличивающаяся антропогенная нагрузка на экосистемы обусловила необходимость проведения мероприятий, направленных на очищение окружающей среды и восстановление нарушенных биоценозов. Актуальной проблемой, предваряющей проведение подобных мероприятий, является подбор средств и методов, безопасных для окружающей среды. В ходе проведенных исследований установлен наиболее подходящий способ – биоремедиация, т. е. очистка среды с помощью биологических объектов, в основном микроорганизмов [1–3]. Также возможно применение сорбентов, изготовленных из природных материалов [4–6]. Для очистки морской среды от тяжелых металлов, радионуклидов, нефтепродуктов предложено использовать водоросли-макрофиты в качестве основных компонентов плантации-биофильтра [7–10]. Наиболее подходящими объектами были определены бурые водоросли, поскольку они обладают высокой сорбционной активностью по отношению к тяжелым металлам, радионуклидам, способны включать нефтяные углеводороды в процесс метаболизма [11–13]. Самым устойчивым из фукусовых водорослей является F. vesiculosus [14].

При разработке плантаций-биофильтров одной из задач является создание определенного пула отдельных мобильных секций с возможностью их транспортировки к местам постановки. Для решения данной задачи необходимо определение оптимальных и возможных условий, а также длительности периода, в течение которого водоросли могут находиться вне водной среды без потери жизнеспособности и функциональной активности.

Целью данной работы было определение максимальной продолжительности нахождения талломов F. vesiculosus в безводных условиях посредством оценки физиологического состояния растений (функционального состояния модулей плантации-биофильтра).

Материалы и методы

Экспериментальные работы проводили в июле – августе 2015 и 2017 гг.; использовали талломы Fucus vesiculosus длиной 20–25 см, имеющие 6–8 дихотомических ветвлений; при отборе водорослей не учитывали наличие рецептакулов. Растения закрепляли на сетчатом полотне, которое применяли в качестве основы для отдельной секции плантации [15], скручивали и заворачивали в брезентовую ткань для снижения потерь влаги, формируя рулон. Рулоны находились в термостатированном помещении при температуре 8 ºС (регулируемые условия) и на улице под навесом (для защиты от прямых солнечных лучей), где наблюдались перепады температур от 7 до 19 ºС (нерегулируемые условия). Рулоны периодически

(раз в два дня) поливали морской водой. Поскольку водоросли были завернуты в плотную ткань, они также оказались в условиях отсутствия освещения, необходимого для функционирования фотосинтетического аппарата.

Длительность эксперимента составила 30 суток, в течение которых каждые 10 дней определяли содержание воды в талломах и оценивали физиологическое состояние водорослей по интенсивности фотосинтеза (ИФ) растений скляночным методом в модификации Винклера. Для этого несколько растений изымали из рулона и помещали в сосуды со свежей морской водой. Измерения проводили в течение часа после изъятия водорослей из рулонов в лабораторных условиях при постоянном освещении люминесцентными лампами интенсивностью 100 Вт/м2 и температуре 10 ºС. Для измерения ИФ использовали не менее трех растений из каждого варианта. После проведения измерений растения в экспериментальные рулоны не возвращали.

После 30 суток нахождения водорослей в условиях эксперимента их поместили в естественные условия для оценки возможности и скорости восстановления физиологических показателей. Через 1, 2 и 24 часа определяли содержание воды в талломе и интенсивность фотосинтеза. Для оценки состояния фотосинтетического аппарата в начале и в конце эксперимента, а также через сутки после восстановления растений определяли концентрацию и соотношение хлорофиллов (Хл А, Хл С (С1 + С2)).

Содержание воды в талломах рассчитывали по соотношению сырой и сухой массы высечек таллома (^ = 20). Массу высечек определяли на весах ВЛТЭ-210 с точностью до 0,001 г: сырую – после удаления с поверхности высечек капельно-жидкой влаги фильтровальной бумагой; сухую – после высушивания в сушильном шкафу (Т = 105 °С) в течение 24 часов.

Показатели растений, находившихся в условиях эксперимента, сравнивали с показателями растений из природных зарослей (контроль).

Эксперимент проводили в двукратной повторности; статистическую обработку данных осуществляли с использованием программного пакета Excel. На рис. 1–4 представлены средние арифметические значения и доверительные интервалы.

Результаты и обсуждение

Содержание влаги в талломах растений при естественных условиях (контрольных) составляло 74–75 %. У растений, находившихся в условиях эксперимента, содержание влаги со временем снижалось. Минимальное содержание влаги составляло 63 % и наблюдалось у растений, помещенных в термостатируемые (регулируемые) условия (рис. 1), возможно, вследствие того, что постоянство температуры в помещении обеспечивалось работой кондиционера, который создавал постоянное движение воздуха и осушал его. В результате высыхание рулонов с водорослями в помещении происходило быстрее, чем на улице.

80 -i

□ контроль ■регулируемые условия □ нерегулируемые условия

Рис. 1. Содержание влаги в талломах F. vesiculosus в течение эксперимента

Fig. 1. The moisture content in the F. vesiculosus thallus during the experiment

Содержание влаги в тканях растений, находившихся в условиях эксперимента, уменьшалось намного меньше по сравнению с растениями из природных зарослей, у которых во время отлива содержание влаги может снижаться до 30 %, а близкородственный вид F. spiralis может терять до 90 % имеющейся влаги [16], но при наступлении прилива растения быстро восстанавливают физиологическую активность.

Водоросли при нахождении в воздушной среде сохраняли фотосинтетическую активность в течение всего периода исследований (30 суток), их ИФ была сравнима с показателями растений из природных зарослей (рис. 2).

В течение первых 10 суток у растений, находившихся в воздушной среде, после переноса их в морскую воду отмечалась более высокая ИФ как по сравнению с начальным уровнем, так и по сравнению с контрольными растениями. Возможно, это связано с потерей влаги в период нахождения растений в воздушной среде и активным восстановлением фотосинтетических процессов при переносе в водную среду и достаточном освещении. На 20-е сутки ИФ экспериментальных растений снижалась, что может быть обусловлено индивидуальными особенностями талломов, отобранных из рулонов для определения показателей, поскольку через 30 суток их ИФ была вновь сравнима с показателями контрольных растений.

□ контроль □ регулируемые условия □ нерегулируемые условия

Рис. 2. Интенсивность фотосинтеза F. vesiculosus в течение эксперимента

Fig. 2. The intensity of photosynthesis of F. vesiculosus during the experiment

Общее содержание хлорофиллов (рис. 3, А) и соотношение Хл А / Хл С (рис. 3, Б) в течение эксперимента не менялось, что также свидетельствует о сохранности фотосинтетического аппарата F. vesiculosus при длительном нахождении растений в воздушной среде и при отсутствии освещения.

Рис. 3. Содержание хлорофиллов (А) и соотношение Хл А / Хл С (Б) в ткани F. vesiculosus в течение эксперимента и в период восстановления

Fig. 3. Chlorophyll content (A) and Chl A / Chl C ratio (Б) in the F. vesiculosus tissue during the experiment and the period of recovery

После переноса растений из условий эксперимента в нормальные условия (свежая морская вода и естественное освещение) происходило быстрое восстановление фотосинтетической активности: уже через час ИФ экспериментальных растений была всего в 1,5 раза ниже, чем контрольных, через два часа показатели достигли уровня контрольных растений. Через сутки ИФ была в два раза выше по сравнению с начальным уровнем (рис. 4). Неизменность содержания и соотношения фотосинтетических пигментов и быстрое восстановление функциональных показателей свидетельствуют о сохранности фотосинтетического аппарата в активном состоянии в течение всего периода эксперимента.

Рис. 4. Интенсивность фотосинтеза экспериментальных растений F. vesiculosus в период восстановления

Fig. 4. The intensity of photosynthesis of experimental plants of F. vesiculosus during the recovery period

В ряде работ по изучению влияния осушения на водоросли было показано, что скорость восстановления физиологических показателей зависит от количества потерянной влаги: если достигнута критическая потеря воды, то восстановления ИФ не происходит. Для каждого вида водоросли максимальная степень осушения, при которой еще возможно восстановление физиологической активности, индивидуальна [17; 18]. F. vesiculosus может выдерживать более длительное осушение по сравнению с другими фукоидами и быстро восстанавливать потерянную влагу: растения способны терять до 91 % воды [19] и до 32 часов находиться в воздушной среде без потери жизнеспособности [20; 21]. За сохранение жизнеспособности водорослей отвечают дегидрин-подобные белки (члены группы белков тканей наземных растений), устойчивые к высыханию и способствующие стабилизации мембран и ферментов при значительной потере влаги [22; 23]. Способность литоральных водорослей находиться продолжительное время вне водной среды может также определяться возможностью переключения механизмов карбоксилирования и использования атмосферной двуокиси углерода в качестве источника неорганического углерода, что было обнаружено еще в середине XX в. известным физиологом растений R. Bidwell [24].

Заключение

По результатам проведенных исследований [14; 25–28], F. vesiculosus является уникальным видом водорослей, способным существовать в широком диапазоне условий окружающей среды и имеющим высокую степень толерантности к воздействию загрязнителей. В ходе эксперимента показано, что этот вид водорослей может выдерживать отсутствие освещения и находиться вне воды при положительных температурах окружающей среды в течение 30 суток.

Практический результат данной работы состоит в установлении возможности хранения или длительной транспортировки указанного вида фукоидов или готовых модулей плантации-биофильтра, изготовленных на его основе, без организации специальных условий. Главным требованием сохранности растительного материала является его содержание в условиях постоянной влажности, доступа воздуха и при отсутствии прямых солнечных лучей.

Работа выполнена в рамках государственного задания ММБИ КНЦ РАН по теме "Механизмы адаптации, регуляции роста, размножения и рационального использования водорослей-макрофитов арктических морей", № 0228-2018-0004.