SRCWFBHKn8

ции, условиям азотного и фосфорного питания. Наиболее интенсивно процессы экзометаболизма осуществляются в периоды активной вегетации исследуемых растений. Установлено, что окислительная активность нефтеокисляющей бактериальной культуры Pseudomonas melochlora в период интенсивной экскреторной деятельности макрофитов связана с доминированием в составе их экзометаболитов аминокислот (глутаминовой кислоты, валина – 1,5 .10-7 М), углеводов (мальтозы, маннита – 1,0 .10-7 М), органических кислот ( -кетоглутаровой, янтарной – 1,0 .10-7 М), которые предпочтительнее потребляются бактериями в процессе жизнедеятельности и оказывают на них большое физиологическое воздействие (Ратушняк, Андреева, 1996). Общий объем подобных выделений может быть достаточно велик. Так, по данным И.Л. Калюжного (1999), летом в период активной вегетации болотной флоры резко возрастают до 75 мгО/л показатели перманганатной окисляемости вод, тогда как весной в период половодья они составляют порядка 25 мгО/л. Это косвенно свидетельствует о появлении потока сравнительно легко окисляемых органических соединений, отличных от стойких гумусовых веществ, постоянно присутствующих в болотной воде и окисляемых только бихроматом (Калюжный, 1999).

По мнению К.М. Хайлова (1971), общий поток РОВ из звена первичной продукции равен 45% годовой продукции, причем 33% этого количества приходится на долю легкоусвояемых метаболитов, выделяемых прижизненно. Средняя величина прижизненного поступления органического вещества по разным данным составляет от 0,2–19 до 5–10 биомассы клеток (Орлова, Злобин, 1973; Злобин, 1976). Можно заключить, что выделение метаболитов автотрофными организмами – нормальный физиологический процесс, а количество и качество потока органического вещества определяются фазой развития организмов и состоянием (степенью оптимальности) окружающей среды.

1.4.Химический фон среды обитания и его структуроформирующее значение

Подводя итог сказанному выше, можно констатировать, что метаболиты, освобождаемые во внешнюю среду, составляют часть этой среды, как для выделивших их особей, так и для других членов сообщества. Это положение, выдвинутое С. Люшером в 1961 г., нашло широчайшее подтверждение на последующих этапах развития гидробиологии.

Сегодня с уверенностью можно говорить, что для существования гидробиоценоза на той или иной стадии его развития характерен определенный химический состав среды – химический фон, формирующийся прежде всего в результате жизнедеятельности массовых видов водорослей и беспозвоночных. Он обусловлен в первую очередь наличием ряда спе-

30

цифических и неспецифических органических соединений: телергонов, гормонов, витаминов, фитонцидов, биодепрессантов и других продуктов информационно-коммуникативного свойства.

Химический фон среды не является стационарным. Он флуктуирует вокруг некоторого среднего значения, но может иметь и существенный временной тренд за счет процессов накопления выделяемых организмами веществ, их взаимодействия с образованием новых веществ и разложения сложных веществ на относительно простые составляющие (Солуха, 1989). Интересно, что меняться может не только химический фон, но и отношение гидробионтов к нему или отдельным его составляющим. Так, в экспериментах было показано, что у пресноводных рыб физиологическая реакция на феромон тревоги уменьшается осенью и исчезает зимой. Биологическое значение этого явления, по-видимому, состоит в том, чтобы снизить стрессирующие стимулы в тех огромных скоплениях, которые рыбы образуют зимой на ограниченных площадях (в зимовальных ямах и т.п.) (Ма-

люкина и др., 1974, 1982).

Средообразущая функция живых организмов не ограничивается выделением специфического комплекса химических веществ, определяющих структуру и динамику видового разнообразия в сообществе. Исследования отечественных ученых в области санитарной гидробиологии, особенно в конце 60-х и начале 70-х гг., навели на мысль о неоднозначности понимания химического фона гидробиоценоза. В работах М.М. Телитченко начала 70-х гг. в прикладном аспекте настойчиво предпринимались попытки найти некоторые генеральные характеристики состояния водных экосистем, позволяющие сравнивать между собой различные экосистемы, том числе нормально функционирующие и подвергшиеся неблагоприятным влияниям (Телитченко, 1974). С этой целью была привлечена перекисная теория окисления, сформулированная Бахом и Энглером в 1896–1897 гг.

На основе многолетних наблюдений был обоснован вывод о том, что состояние водной экосистемы во многом определяется сбалансированностью внутриводоемных окислительно-восстановительных и свободнорадикальных процессов (Телитченко, Чернышов, 1971; Телитченко и др., 1979; Телитченко, Грановская, 1984; Эрнестова и др., 1994). Известно, что свободные радикалы образуются при перекисном окислении липидов. Неферментативные реакции перекисного окисления липидов катализируются, по-видимому, ионами переходных металлов и восстанавливающими агентами, такими, как аскорбиновая кислота, и требуют для своего протекания кислорода и наличия в мембранах полиненасыщенных жирных кислот (Свободные радикалы.., 1979). Чрезмерная активация этих реакций при ряде интоксикаций, гипоксии, влиянии канцерогенов, а также появление свободных радикалов в результате действия ионизирующей и ультафиолетовой радиации нарушает барьерные свойства мембран и, тем самым, жизнедеятельность клеток. В норме эти реакции находятся под антиоксидант-

31

ным контролем (Кения, Лукаш, Гуськов, 1993; Меньшикова, Зенков, 1993). К антиоксидантам относятся фенолы, нафтолы, ароматические амины, эфиры галловой, салициловой и бензойной кислот (Синельников, 1980).

Выделяемые гидробионтами органические вещества – антиокислители (антиоксиданты) и перекись водорода имеют большое значение для формирования окислительно-восстановительных условий в природной воде и оказывают весьма существенное воздействие на интенсивность образования в ней свободных радикалов. Окислительно-восстановительные условия и свободные радикалы в конечном итоге заметно воздействуют на состояние всех обитающих в воде организмов, ее качество, а также на скорость окислительного разрушения загрязняющих водоем антропогенных сбросов. В тех случаях, когда уровень факторов окружающей среды в той или иной акватории значительно превышает фоновые величины, в антиоксидантной защите гидробионтов наблюдается сбой, ведущий к активизации процессов перекисного окисления липидов. В результате такого воздействия происходит модификация физико-химического состояния мембран, активности мембранно-связанных ферментов, белков, нуклеиноых кислот и т.д. (Кения, Лукаш, Гуськов, 1993). Это приводит к изменению вязкости протоплазмы и биологических свойств перечисленных молекул или клетки в целом, что особенно важно для одноклеточных гидробионтов (Смирнова, Сиренко, 1993; Бобкова, 1997).

Показано (Иванов и др., 1997), что развитые клетки фитопланктона в процессе фотодыхания продуцируют перекись водорода (в фотосистеме II). Некоторое количество перекиси поступает в окружающую среду, что приводит к ее накоплению в естественных резервуарах. Этот процесс характерен для клеток фитопланктона, имеющих различные уровни организации.

Все это позволяет среди «системных факторов» (Новиков, 1994), составляющих химическую структуру (фон) биогеоценоза выделить две уже упоминавшиеся составляющие: биокоммуникационную и биокондиционирующую (от лат. condiсio – условие, состояние). В первую входят, главным образом, телергоны, гормоны, фитонциды, а также все прочие вещества специфического действия. Сюда входят и описанные выше метаболиты, обеспечивающие коммуникационные связи между конкретными организмами и популяциями. Эти вещества обеспечивают функционирование таких систем, как «хищник – жертва», «сожитель – хозяин», разнообразные проявления конкуренции и симбиоза. Другая группа химических факторов формирует, прежде всего, общее физико-химическое состояние водного объекта и действует на организмы опосредовано. Данные факторы определяют направленность и интенсивность метаболических процессов в первичных звеньях экосистемы, создают «привлекательность» или «агрессивность» воды для гидробионтов (антиоксиданты, перекиси и др.). Биокондиционирующая роль организмов складывается, по нашему мнению, из двух основных компонентов: формирования окислительно-восстанови-

32

тельных свойств среды и саморегулирования в системе «свободные ради- калы-антиоксиданты». Обе составляющие в значительной мере обеспечивают устойчивость и стабильность гидробиоценозов.

Водоросли активно ингибируют перекисное окисление РОВ. Добавка фильтратов от культуры водоросли Scenedesmus obliquus к водно-солевому раствору аминокислоты тирозина уменьшала уровень перекисного окисления. В экстрактах водорослей обнаружены вещества с антирадикальными и антиокислительными свойствами: -токоферол (витамин Е), каротиноиды

идр. По мере старения популяции и снижения интенсивности ее размножения антиокислительная активность водорослей падает, количество перекисей возрастает (рис. 4) (Телитченко, 1974, 1984; Телитченко, Грановская, 1984). Клетки в обогащенной токоферолом среде, вероятно, устойчивы к окислительному стрессу, вызываемому действием видимого света и высокой концентрацией кислорода (Свободные радикалы.., 1979).

Синезеленые водоросли, наименее способные к разрушению перекисей, чувствительнее других к высоким концентрациям кислорода, особенно бурно развиваются в застойной воде (Константинов, 1986). Наличие витаминов в водорослях и их экстрактах общеизвестно. Водоросли содержат

ивыделяют разнообразные витамины в количестве значительно большем, чем большинство наземных растений. Например, хлорелла синтезирует

13 витаминов: А, В1 (тиамин), В2, В6, В12 (кобаламин), С, D, K, Н (биотин) никотиновую, пантотеновую, фолиевую кислоты и лейкофорин (Гаевская,

1956). Среди веществ, выделяемых ламинариевыми и фукусовыми водорослями, значительное место занимает фолиевая кислота (фолацин) (Воскобойников, Зубова, 1998).

33

Рис. 4. Сезонная динамика численности водорослей и бактерий, концентраций растворенного органического вещества и липоперекисей в пруду: 1 – перекиси, 2 – бактериопланктон, 3 – фитопланктон, 4 – РОВ (Телитченко, Грановская, 1984).

Витамин А в наземных растениях присутствует только в виде каротина; в водорослях он обнаружен в чистом виде и составляет 100 мг/100 г сухого веса. Определены жирорастворимые витамины А, Е, К, D и каротиноиды в культуральной жидкости хлореллы и осциллятории, а также в водах природных водоемов (Бенжицкий, 1974; Телитченко, Бойченко, 1975).

Данные по содержанию тиамина и биотина в морских водах ряда районов приведены в таблице 4. Концентрация этих витаминов в поверхностном слое (0–20 м) уменьшается по мере удаления от берега; также она убывает с глубиной. На больших глубинах содержание тиамина и биотина очень мало, а иногда даже не определяется. Высокая концентрация витаминов в прибрежной зоне моря обусловлена их интенсивным синтезом бактериями и организмами фитопланктона. Относительный вклад других источников (береговой сток, выделения макрофитов, животных) существенно меньше, и они не играют заметной роли в балансе витаминов в океане (Бенжицкий, 1974).

Таблица 4

Содержание тиамина и биотина в водах Мирового океана (Из Бенжицкого, 1974)

Довольно много витаминов выделяют в среду зеленые водоросли. Например, у Chlorella pyrenoidosa количество выделенного за 20 дней биотина на 1 мг сухого вещества достигало 0,45 нг. При этом витамин в водо-

34

рослях находился в свободном виде. Nannochloris schopferi и Chlorocloster engadinensis выделяли фолиевую кислоту независимо от света, однако, в обратной пропорциональной зависимости от скорости роста и клеточного деления. Наличие в среде К+ заметно увеличивало выделение фолиевой кислоты, а Са2+ – уменьшало его. Сhlorella vulgaris и Ch. pyrenoidosa выделяли пантотеновую кислоту. В течение 3-х недель ее накапливалось в среде значительно больше, чем в клетках. В выделениях бурых водорослей была также обнаружена фолиевая кислота. Клетки азотфиксирующих синезеленых водорослей Cylindrospermum muscicola выделяли витамин В12 (Бараш-

ков, 1972).

Вцветущих водоемах токоферолы, витамины A, D, K и каротинои-

ды, обладающие антиокислительной активностью, обнаружены в концентрации 10-9–10-6 моль/л. Показано также, что антиокислительная активность экстрактов нейстона выше, чем у планктона, и зависит, главным образом, от доли в нем животных. При обогащении воды антиоксидантами они, в частности, сорбируются икрой рыб и оптимизируют процессы эмбриогенеза. Одновозрастные группы рыб, выращенные в одинаковых условиях, разнородны по количеству антиоксидантов и липоперекисей в тканях. Особи, в тканях которых много антиокислителей, быстрее растут, лучше используют корм, устойчивее к повреждающим воздействиям и инфекционным заболеваниям. Неконтролируемое антиоксидантами свободнорадикальное окисление вызывает необратимые патологические процессы (Константинов, 1986).

Вкомплексе ростовых факторов тиамину, биотину, кобаламину и другим витаминам принадлежит важная роль. Тиамин – первый водорастворимый витамин группы В, идентифицированный как необходимый водорослям ростовой фактор. Показано, что около 57% морских планктонных водорослей, выращенных в чистых культурах, не могут развиваться при отсутствии экзогенных добавок тиамина, и только 10% – в отсутствие биотина. Остальные водоросли, стало быть, могут синтезировать указанные витамины сами в достаточном для себя количестве (Бенжицкий, 1974). Показано также, что потребление биотина некоторыми зелеными водорос-

лями контролируется витамином В12 (Cuttman, Funk, 1967). Более 2 000 видов водорослей требуют экзогенного поступления в среду от других организмов отдельных витаминов или их комбинаций. Таким образом, водорастворимые витамины оказывают определяющее влияние на видовой состав и урожай планктона, и прежде всего его фитосоставляющей.

Имеются данные (Эрнестова и др., 1994), согласно которым, определена роль ионов меди и продуктов, выделяемых микроводорослями, во внутриводоемных окислительно-восстановительных и свободнорадикальных процессах. Примером последствия нарушения сбалансированности этих процессов, в частности в реке Волге, могут быть: снижение воспроиз-

35

водства и сезонная гибель рыб, обеднение видового состава водных экосистем.

Многочисленные данные о накоплении в природных водах перекиси водорода и других перекисей, участвующих в окислении органических веществ (Телитченко, Чернышов, 1971; Синельников, 1973; Телитченко, 1974), явились основанием для постановки вопроса о функционировании экзогенной пероксидазы в среде обитания водорослей. Была, в частности, предпринята попытка обнаружить активную пероксидазу в культуральной среде цианобактерии Nostoc muscorum (Кузьменко, Станишевская, 1977). Опыты показали, что в среде двухмесячной культуры водоросли накапливается пероксидаза с довольно значительной удельной активностью (0,08). Авторы сделали вывод о том, что во взаимосвязанной системе средаводоросли, компоненты которой находятся в прямой и обратной зависимости, обнаруженное экзогенное пероксидазное окисление, по всей вероятности, играет существенную роль в процессах трансформации органических веществ. В предлагаемом нами подходе не существует резких границ между биокоммуникационными и биокондиционирующими факторами. Принципиальная разница может состоять лишь в том, что биокондиционирующие агенты (антиоксиданты, перекиси, витамины, свободные радикалы, сахара и др.) несут информацию преимущественно о среде в целом, и, как таковые, обладают высокой степенью универсальности (неспецифичности). Биокондиционирующие агенты, очевидно, являются, наряду с обычными абиотическими факторами, основными сигнализаторами суточных и сезонных изменений в водоемах (миграции, смена формаций).

Так, наличие суточных и сезонных изменений концентрации моно- и дисахаридов в пресноводных водоемах позволило предположить, что сахара могут выполнять функцию сигнальных молекул, с помощью которых передается информация между популяциями гидробионтов разных трофических уровней (Плеханова и др., 1996). Сахара секретируются в воду организмами фитопланктона и потребляются микроорганизмами. Исследования с ветвистоусыми ракообразными Daphnia magna показали, что низкие концентрации (10-7–10-5 М) глюкозы, фруктозы и сахарозы вызывают сильные изменения теплоустойчивости, которые в зависимости от условий эксперимента проявляются как в ее снижении, так и в увеличении. Низкие концентрации глюкозы и сахарозы вызывают сильные изменения теплоустойчивости не только ракообразных, но и личинок хирономид и инфузорий Paramecium caudatum. В этом случае, также проявляется полимодальная (множественная) зависимость эффекта от концентрации сахаров. Эти результаты, по мнению авторов (В.А. Плехановой и др., 1996), позволяют сделать вывод о том, что действие сахаров как сигнальных молекул носит универсальный характер.

Биокондиционирующие факторы являются также вторичными носителями информации о загрязнении водоема, инициируют процессы само-

36

очищения. Первичные носители информации – сами загрязнители – как правило, действуют локально на уровне отдельных, самых чувствительных организмов. В этом смысле роль биокондиционеров в формировании стабильности экосистем, поддержании ими гомеостаза невозможно переоценить. Некоторые авторы (Гладышев и др., 1996а) предлагают в качестве важнейшей характеристики водоема, отражающей совокупный метаболизм сообщества, использовать состав свободных жирных кислот (СЖК) поверхностной пленки воды. Напомним, что именно автоокисление полиненасыщенных жирных кислот стимулирует распад гидроперекисей липидов – основы радикальных реакций. Состав свободных жирных кислот в качестве специальных маркеров (интегральных структурных характеристик) предполагается применить для идентификации типов водных экосистем, аналогичных таксономическим признакам в систематике (Гладышев и др., 1996б).

В дешифровке состава СЖК поверхностной пленки природного водоема применительно к функционированию пелагической экосистемы достигнут некоторый успех. Так, еще в 1974 г. М.М. Телитченко указывал на то, что по качественному составу растворенных в воде СЖК возможно определить стадию «цветения» водорослей (Телитченко, 1974). Для Красноярского водохранилища с использованием методов многовариантной статистики выявлено соответствие состава СЖК поверхностной пленки сезонным типам экосистем, различающимся по знаку производной динамики биомассы водорослей и кинетике самоочищения от фенола (Гладышев, 1997). В лабораторных опытах продемонстрирована также потенциальная возможность определения по составу свободных жирных кислот наличия (или отсутствия) лимитирования роста фитопланктона биогенными элементами (Гладышев, Сущик, Калачева, 1993).

37

ГЛАВА 2

ПОКАЗАТЕЛИ СВЕТОПОГЛОЩЕНИЯ И ФЛУОРЕСЦЕНЦИИ ПРИРОДНЫХ ВОД И ИХ СВЯЗЬ С ХИМИЧЕСКИМ СОСТАВОМ РАСТВОРЕННОГО ОРГАНИЧЕСКОГО ВЕЩЕСТВА

Как видно из предыдущего раздела в природной воде присутствуют самые разнообразные органические соединения: углеводороды и пектины, белковые вещества и аминокислоты, различные органические кислоты, сложные эфиры, жиры, альдегиды, амины и др. Дуурсма (Duursma, 1965) предложил выделять семь разделов среди 150 идентифицированных на тот момент в водах Мирового океана индивидуальных органических соединений, образование которых возможно при разложении морских организмов: 1) углеводы; 2) протеины и их производные; 3) алифатические карбоксилы; 4) биологически активные вещества (витамины и гормоны); 5) гуминовые кислоты; 6) фенолы; 7) углеводороды.

Флуоресценция в видимой и ультрафиолетовой областях спектра относится к одному из постоянных физических свойств вод суши. Она связана с составом и концентрацией органических соединений. Еще Хельберт (Hulbert, 1928), сравнивая искусственно приготовленную соленую воду с пробами чистой океанской воды, обнаружил, что последняя при длинах волн меньше 300 нм поглощает света на 20% больше. Тот же эффект чрезмерного роста коэффициента поглощения реальных вод в интервале 200–300 нм отмечен также в работах ряда авторов (Chanu, 1959; Armstrong, Boalch, 1961; Yentsch, Reichert, 1962, цит. по Иванову, 1975).

В зависимости от происхождения органических веществ, способных флуоресцировать (люмогены), их можно разделить на природные вещества и антропогенные синтетические соединения. В число первых входят гумусовые вещества, а также прижизненные выделения и продукты распада организмов: летучие органические вещества, пигменты, гидрофобные продукты природного синтеза – смолистые вещества (битумоиды) (Синельников, Рыжиков, 1966; Синельников, 1970; Ершов, Синельников, 1975; Синельников, Хмылев, 1987; Карякин, Грибовская, 1987).

Для оптики природных вод важно, что большинство растворенных органических веществ не имеет полос в видимой области и не проявляет себя в поглощении. Исключение представляет только группа соединений, относящаяся к пятому разделу классификации Дуурсма, – гуминовые кислоты – вещества, по ряду свойств близкие к почвенным гумуса суши (Шифрин, 1983). Эта группа веществ была открыта Калле в 1938 г. Калле назвал ее “Gelbstoff” – желтым веществом (Kalle, 1962). Этим названием «желтое вещество» (ЖВ) обязано своим светопоглощающим свойствам. Поглощение желтым веществом резко возрастает в сторону коротких волн, что и обусловливает его желтоватую окраску. Напомним, что цвет вещест-

38

ва, полоса поглощения которого лежит в видимой области, дополнителен к свету поглощающего света. Если поглощается голубой (480–435 нм) или фиолетовый (435–400 нм) свет, то вещество имеет желтый (595–580 нм) или желто-зеленый (580–560 нм). Наибольшие концентрации желтого вещества содержатся в прибрежных водах, но оно присутствует и в открытом океане.

Вероятно, автохтонное образование желтого вещества связано с разрушением пигментов (хлорофиллов и каротиноидов) в водорослях. Хлорофилл имеет две сильные полосы поглощения – синюю и красную. При разложении в первую очередь исчезает хлорофилл а, с которым связана красная полоса, и остается большое «синее» поглощение, характерное для желтого вещества. Точный химический состав желтого вещества плохо известен. По-видимому, оно представляет собой сложную смесь гумусоподобных соединений. Они образуются из углеводов и аминокислот путем так называемой реакции Майера (Ерлов, 1980; Шифрин, 1983; Kalle, 1966). Процесс ускоряется при повышении температуры и в щелочной среде, что приводит к образованию в конечном счете желтых или коричневых меланоидинов. Калле (Kalle, 1966) пришел к выводу, что в море, там, где присутствуют углеводы и аминокислоты, условия способствуют образованию главным образом меланоидинов, содержащих флуоресцирующее вещество как побочный продукт реакции. В то же время нефлуоресцирующие феногуминовые кислотные продукты более интенсивного коричневого цвета, по-видимому, имеют в основном континентальное происхождение, на что также указывал Шапиро (Shapiro, 1957). По данным Hojerslev (1980) желтое вещество состоит из двух групп соединений: 1) фенол-гуминовые кислоты от светлого до темно-коричневого света; углеводородо-гуминовые кислоты кислоты, или меланоиды, от светлого до желто-золотистого цвета. Последние более стабильны, чем фенол-гуминовые соединения.

В связи с вышесказанным интересными представляются сведения, приводимые К.М. Хайловым (1971), что морские макрофиты содержат и выделяют имеющие желтый цвет вещества, относящиеся к классу флавонов или танинов. По его мнению, желтоокрашенные вещества совсем не обязательно должны относиться к гумусовым соединениям (Хайлов, 1971).

Зависимость показателей поглощения света в видимой и ультрафиолетовой областях спектра аппроксимируется экспонентой (Ерлов, 1980; Шифрин, 1983; Кондратьев, Поздняков, 1988; Сидько и др., 1996):

где кжв – показатель поглощения света желтым веществом, μ – коэффициент, варьирующий для разных водоемов от 0,012 до 0,019 (в среднем μ = 0,015 нм-1), λ0 – фиксированная длина волны (280–250 нм), причем

(λ > λ0).

39