CC BY
18Journal of Siberian Federal University. Biology 2 (2012 5) 210-215
УДК 574.4 КРАТКОЕ СООБЩЕНИЕ
Деградация пленок из полигидроксиалканоатов в солоноватоводном озере Шира
Н.О. Жилааб*, С.В. Прудникова6, Е.С. Задереева 6, Д.Ю. Рогозин3,6
а Институт биофизики Сибирского отделения Российской академии наук, Россия 660036, Красноярск, Академгородок 50, стр. 50 б Сибирский федеральный университет, Россия 660041, Красноярск, пр. Свободный 79 1
Received 7.06.2012, received in revised form 14.06.2012, accepted 21.06.2012
Впервые исследована деградация пленок из поли(З-гидроксибутирата) и поли(3-гидроксибутирата-со-3-гидроксивалерата) в солоноватоводном озере Шира на различных глубинах: 3, 9, 13 и 20 м, соответствующих горизонтам стратификации озера. Показано, что наиболее активно деградация пленок (снижение массы пленок и молекулярной массы полимера) происходит в эпилимнионе на глубине 3 м, в наиболее прогреваемом и аэрируемом горизонте озера. Деградация пленок зафиксирована также в хемоклине на глубине 13 м и на глубине 20 м в монимолимнионе, для которого характерно отсутствие кислорода, присутствие сероводорода и низкие температуры.
Ключевые слова: озеро Шира, полигидроксиалканоаты, деградация, молекулярная масса.
Введение
Среди активно разрабатываемых в настоящее время разрушаемых полимерных материалов представляют интерес полимеры, синтезируемые микроорганизмами, так называемые полигидроксиалканоаты (ПГА) (Волова и др., 2006; Jendrossek, Handrick, 2002, Wang et al., 2005). Одно из направлений их применения - замена синтетических полимеров, использование которых привело к
скоплениям многих миллионов тонн нераз-рушаемых пластиков в акватории Мирового океана, особенно в прибрежных районах. С ростом перспектив применения ПГА все большую актуальность приобретает исследование закономерностей их разрушения в природных условиях. Такие работы пока немногочисленны. Недостаточно информации о деградации ПГА в морской воде, а также соленых и солоноватоводных озерах. Из-
* Corresponding author E-mail address: [email protected]
1 © Siberian Federal University. All rights reserved
вестно только, что разрушение сополимера 3-гидроксибутирата-со-3-гидроксивалерата в морской воде происходит очень медленно (Imam et al., 1999). Низкие скорости разрушения ПГА в морской воде описаны в обзорной работе (Wang et al., 2005). Эти фрагментарные данные не позволяют прогнозировать развитие процессов деградации ПГА в природной среде в случае их применения. Имеющийся у авторов опыт исследования разрушаемости ПГА в природных пресных водоемах показал, что биодеградация зависит от состояния водной экосистемы и погодных условий, а также химической структуры ПГА (Volova et al., 2007). Исследования по деградации ПГА или иных материалов в озере Шира до настоящего эксперимента не проводились. Все это позволило сформулировать цель исследования - изучение биодерадации пленок из ПГА в солоноватоводном озере Шира. В задачи работы входило определить характер биоразрушения образцов ПГА с учетом их химического строения на глубинах, соответствующих горизонтам стратификации озера.
Материалы и методы
Озеро Шира - это солоноватоводный водоем, особенностью которого является глубинная стратификация (Kalacheva et al., 2002; Zadereev, Tolomeev, 2007). Образцы ПГА двух типов - гомогенный поли-3 -гидроксибутират П3ГБ и сополимер 3-гидроксибутирата и 3-гидроксивалерата П(3ГБ-со-3ГВ), включение 3ГВ 10 мол. % - в виде пленочных дисков диаметром 30 мм, массой (70±5) мг были размещены в сетчатых нейлоновых ловушках на центральной станции озера на расстоянии 2 км от берега в точке с координатами 54.30.350 N, 90.11.350 E на глубинах: 3, 9, 13 и 20 м, соответствующих горизонтам стратификации озера. Глубина 3 м соответствует эпилимниону (теплые поверхностные воды,
летние температуры порядка 20 оС, оксиген-ные процессы); глубина 9 м - гиполимниону (холодные воды, летние температуры 6 оС, оксигенные процессы); глубина 13 м - хемо-клину (температура 2 оС, зона перехода от ок-сигенных к аноксигенным условиям); 20 м -монимолимниону (температура около 1 оС, неперемешивающиеся воды под хемоклином, аноксигенные процессы). Эпилимнион характеризуется высокой численностью бакте-риопланктона. В зоне хемоклина наблюдается максимум развития пурпурных бактерий, в придонных слоях - сообщества метаногенов и сульфатредуцирующих бактерий, играющих решающую роль в процессах терминального разложения органического вещества (Пименов и др., 2003). Эксперимент был проведен с 11 июня по 29 августа; период наблюдения -80 суток. Анализировали изменение массы полимерных образцов с учетом температуры и химических показателей в каждом горизонте, которые измеряли погружным зондом YSI 6600 (YSI Corp, США).
Молекулярную массу и молекулярно-массовое распределение полимерных пленок исследовали с использованием хроматографа для гельпроникающей хроматографии 1260 Infinity (Agilent Technologies, США) относительно полистироловых стандартов («Fluka», Швейцария, Германия). Находили средневе-совую (Мв) и среднечисловую (М„) молекулярную массу, а также полидисперсность (ПД = Мв/Мн).
Результаты и обсуждение
В течение летнего сезона регистрировали изменение характеристик водоема. В эпилимнионе температура воды была подвержена наибольшим изменениям: в начале эксперимента она составляла 13 оС, в середине июля достигала 23-24 оС. На глубине 9 м температура была подвержена меньшим
сут
Рис. 1. Изменение массы пленок из ПГА в озере Шира, экспонированных на различных глубинах: 1 - П3ГБ, 2 - П(3ГБ-со-3ГВ)
колебаниям - от 12 до 18 оС в течение наблюдаемого периода. В хемоклине и монимо-лимнионе температура воды практически не изменялась и в среднем составляла 5,0-6,0 и 1,5-2,0 оС соответственно. Соленость воды варьировала от 14-15 г/л на верхних горизонтах до 16-18 г/л - ниже хемоклина; значения рН составляли от 8,9 до 8,5.
Характер изменения массы образцов на разных глубинах озера указывал на то, что разрушение пленок происходило с различной интенсивностью (рис. 1). Практически во всех случаях имела место латентная фаза (20-40 суток), в течение которой достоверного изменения массы полимерных образцов не зафиксировано. Вероятно, требуется некоторый временный период для прикрепления бактерий к поверхности образцов, адаптации к полимерному материалу как источнику углерода для роста клеток и синтеза де-полимеризующих ферментов, вызывающих деструкцию полимера на мономеры и последующую утилизацию продуктов распада полимера микробными клетками. Аналогичная ситуация была отмечена нами раньше при исследовании биоразрушения ПГА в модельных лабораторных почвенных микрокосмах и природных пресных водоемах (Волова и др., 1996; Уо^а et а1., 2007).
Достоверное уменьшение массы пленок было зафиксировано только в начале августа. Наиболее активно это происходило на глубине 3 м, где через 50 суток экспонирования масса пленок из гомополимера (П3ГБ) уменьшалась на 9,0 % от исходной, масса образцов из сополимера - на 15,8 % (рис. 1). На глубинах 13 и 20 м также зафиксировано снижение массы образцов. В хемоклине и мо-нимолимнионе в конце периода наблюдения (80-е сутки) отмечено снижение массы П3ГБ, соответственно, на 8,8 и 9,2 %; сополимера -несколько выше, соответственно, на 13,3 и
16,2 % от исходных величин. Вместе с тем на глубине 9 м достоверного изменения массы образцов пленок из ПГА обоих типов не обнаружено. Снижение массы пленок было более заметным для П(3ГБ-со-3ГВ). Это согласуется с результатами, полученными ранее в пресных водоемах (Войнова и др., 2007; Volova et al., 2007).
Как показали результаты исследования, наиболее активно разрушение пленок происходило в эпилимнионе - хорошо прогреваемом и аэрируемом горизонте озера. Известно, что в этом горизонте регистрируется высокая численность бактериопланктона (Пименов и др. 2003). Поскольку основной механизм разрушения полимера в окружающей среде связан с ферментативной активностью бактерий, вероятно, в верхних горизонтах водоема возникали благоприятные условия для деградации пленок из ПГА. На глубине 8-12 м в озере Шира находится зона активного фотосинтеза с максимальной концентрацией хлорофилла и биомассы цианобактерий и зеленых водорослей (Gaevsky et al., 2002). Отсутствие заметной убыли массы плёнок на глубине 9 м объясняется преобладанием автотрофных микроорганизмов и небольшой долей деструкторов.
Примечательно, что деградация образцов зафиксирована также в хемоклине на глубине 13 м и на глубине 20 м в монимолим-нионе, для которого характерно отсутствие
кислорода, присутствие сероводорода и низкие температуры. В связи с этим возрастает роль анаэробных процессов деградации ПГА в окружающей среде.
Ввиду незначительной убыли массы полимерных образцов проанализированы средневесовая (Мв), среднечисловая (М„) молекулярная массы, а также степень полидисперсности полимера (ПД), достоверно отражающие течение процесса разрушения полимерных цепей (рис. 2). На всех горизонтах, за исключением 9 м, зафиксировано снижение Мв и Мн, при этом более значительное -на глубине 3 м, что согласуется с динамикой уменьшения массы образцов. Более заметным было снижение молекулярной массы для образцов сополимера П(3ГБ-со-3ГВ) по сравнению с гомополимером.
Таким образом, впервые проведены исследования деградации пленок из полиги-дроксиалканоатов в солоноватоводном озере Шира с учетом гидрохимических и гидробиологических характеристик озера. Показано, что поли(З-гидроксибутират) и менее кри-сталличный сополимер 3-гидроксибутирата с 3-гидроксивалератом разрушаются с разной интенсивностью. Максимальные убыли массы полимерных пленок и снижения Мн и Мв зарегистрированы в оксигенном эпилимнио-не. Обнаружен феномен разрушения образцов полимеров в хемоклине и аноксигенном низкотемпературном монимолимнионе.
Рис. 2. Изменение средневесовой (Мв) и среднечисловой (Мн) молекулярной массы пленок из ПГА в озере Шира, экспонированных на различных глубинах
Список литературы
Войнова О.Н., Кожевникова Н.А., Гладышев М.И., Волова Т.Г. (2007) Деградация биопластиков в природных водоемах с различными экологическими характеристиками. Доклады АН. 417: 130-132.
Волова Т.Г., Беляева О.Г., Плотников В.Ф., Пузырь А.П. (1996) Исследование разрушаемо-сти микробного полиоксиалканоатов. Доклады АН 350: 707-711.
Волова Т.Г., Севастьянов В.И., Шишацкая Е.И. (2006) Полиоксиалканоаты - биоразрушае-мые полимеры для медицины. Красноярск: Платина, 287 с.
Пименов Н.В., Русанов И.И., Карначук О.Н., Рогозин Д.Ю., Брянцева И.А., Лунина О.Н., Юсупов С.К., Парначев В.В., Иванов М.В. (2003) Микробные процессы циклов углерода и серы в озере Шира (Хакасия). Микробиология. 72(2): 259-267.
Gaevsky N.A., Zotina T.A, Gorbaneva T.B. (2002) Vertical structure and photosynthetic activity of Lake Shira phytoplankton. Aquatic Ecology. 36: 165-178.
Imam S.H., Gordon S.H., Shogren R.L. (1999) Degradation of starch-poly(P-hydroxybutyrate-co-P-hydroxyvalerate) bioplastic in tropical coastal waters. Appl. Environ. Microbiol. 65: 431-437.
Jendrossek D., Handrick R. (2002) Microbial degradation of polyhydroxyalkanoates. Annu. Rev. Microbiol. 56: 403-432.
Kalacheva G.S., Gubanov V.G., Gribovskaya I.V., Gladchenko I.A., Zinenko G.K., Savitsky S.V. (2002) Chemical analysis of Lake Shira water (1997-2000). Aquatic Ecology. 36: 123-141.
Volova T.G., Gladyshev M.I., Trusova M.Y., Zhila N.O. (2007) Degradation of polyhydroxyal-kanoates in eutrophic reservoir. Polym. Degrad. Stabil. 92: 580-586.
Wang S., Song C., Mizuno W. (2005) Estimation on biodegradability of poly (3-hydroxybutyrate-co--3-hydroxyvalerate) (PHB/V) and numbers of aerobic PHB/V degrading microorganisms in different natural environments. J. Polym. Environ. 13: 39-45.
Zadereev E.S., Tolomeyev A.P. (2007) The vertical distribution of zooplankton in brackish mero-mictic lake with deep-water chlorophyll maximum. Hydrobiologia. 576: 69-82.
Degradation of Polyhydroxyalkanoate Films in Brackish Lake Shira
Natalia O. Zhilaab, Svetlana V. Prudnikovab, Egor S. Zadereevab and Denis Yu. Rogozinab
a Siberian Federal University, 41 Svobodny, Krasnoyarsk, 660041 Russia b Institute of Biophysics of Siberian Branch of Russian Academy of Science, 50/50 Akademgorodok, Krasnoyarsk, 660036 Russia
The degradation ofpolyhydroxyalkanoate films was firstly studied in brackish Lake Shira at different depths, 3, 9, 13 and 20 meters, those corresponded to the layers of stratification. It is found that poly (3-hydroxybutyrate) and copolymer poly (3-hydroxybutyrate-co-3-hydroxyvalerate) with less crystallinity are destroyed with varying intensity. The maximum mass loss of polymerfilms and decrease in polymer molecular weight were registered at 3 m, in oxygenic epilimnion where temperature is the highest. The phenomenon ofpolymer films destruction were also found in the chemocline and anoxic low-temperature monimolimnion, at 20 m depth.
Keywords: Lake Shira, stratification, polyhydroxyalkanoates, degradation, molecular mass.
