CC BY
25
УДК [628.394.17:665.6]:582.272
СОДЕРЖАНИЕ НЕКОТОРЫХ ФОТОСИНТЕТИЧЕСКИХ ПИГМЕНТОВ БУРОЙ ВОДОРОСЛИ CYSTOSEIRA BARBATA (GOOD. ET WOOD.) C. AG. В УСЛОВИЯХ ЗАГРЯЗНЕНИЯ ДОННЫХ ОТЛОЖЕНИЙ УГЛЕВОДОРОДАМИ НЕФТИ
© 2008 г. Д. Ф. Афанасьев
Азовский научно-исследовательский институт рыбного хозяйства, 344002, Ростов н/Д, ул. Береговая, 21/2, [email protected]
Research Institute of the Azov Sea Fishery Problems, 344002, Rostov-on-Don, Beregovaja St., 21/2, [email protected]
Исследована динамика содержания хлорофиллов и каротиноидов в верхушечных ветвях 1-го порядка Cystoseira barbata f. hoppi при экспозиции таллома на загрязненных нефтью донных отложениях в концентрациях от 0,2 до 5,0 г/кг грунта. Сделан вывод, что вид резистентен к загрязнению донных отложений углеводородами нефти в концентрации до 0,5 г/кг грунта.
Ключевые слова: Cystoseira barbata, хлорофиллы, каротиноиды, ксантофиллы, нефтяные углеводороды.
The content of chlorophyll and carotinoids was studied in the 1st order apical branches of Cystoseira barbata f. hoppi whose thallome was kept during three weeks in aquaria with sediments polluted by mineral oil, the concentration being 0,2—5,0 g/kg. We came to the conclusion that the species in question is resistant to bottom sediments pollution with oil hydrocarbons if their concentration does not exceed 0,5 g/kg of sediments.
Keywords: Cystoseira barbata, chlorophyll, carotinoids, xanthophylls, oil hydrocarbons.
Загрязнение морских донных отложений углеводородами нефти оказывает неоднозначное влияние на макрофитобентос, что определяется составом и токсичностью нефти, временем года, возрастом растений, чувствительностью вида, другими факторами. Известно, что в невысоких концентрациях некоторые фракции нефтяных углеводородов способны стимулировать рост водорослей [1]. Однако большие концентрации нефтепродуктов оказываются токсичными для макро-фитов [2]. Возможно и чисто механическое воздействие нефти, препятствующей появлению и закреплению
на субстрате ювенильных особей [3]. При исследовании последствий разлива нефти у берегов Аляски в 1989 г. из потерпевшего аварию танкера «Exxon Valdez» обнаружено, что влияние аварии на сообщества фукуса прослеживалось в течение 3-5 лет, причем даже в восстановившихся сообществах биомасса, процент покрытия и репродуктивный потенциал были снижены, популяционная структура изменена [4]. В то же время показана первоочередная роль водорослей в выделении в среду различных окислителей, веществ восстановительной природы и экзоферментов, участ-
вующих в деструкции углеводородов и других органических веществ [5]. Принимая во внимание перспективы добычи нефти на Азово-Черноморском шельфе Российской Федерации, весьма актуально исследование влияния углеводородов нефтяного происхождения на ключевые виды морских растительных сообществ. Цель проведенных исследований - изучение динамики пигментов эдификатора бентосных сообществ Черного моря - бурой водоросли Cystoseira barbata в условиях экспериментального загрязнения донных отложений нефтью.
Материалы и методы исследований
Эксперименты проводили в 2004 - 2005 гг. на базе научно-экспериментального морского биотехнологического центра «Большой Утриш» (Анапский район Краснодарского края). В аквариумы с морской водой объемом 20 л помещали 1 кг искусственно загрязненных сырой нефтью Тенгизского месторождения (в концентрации 0,2, 0,5, 1,0 и 5,0 г/кг) и условно чистых (по данным лаборатории аналитического контроля водных экосистем АзНИИРХа) контрольных донных отложений, представляющих собой мелкий ракушечник, собранный на глубине 4 м акватории у о. Б. Ут-риш. Затем вносили по 15,4 - 84,3 г целых, неповрежденных, прошедших предварительную адаптацию к содержанию в аквариумах талломов Cystoseira barbata £ hoppi. В пределах каждого варианта имела место вариация по массе, однако средняя масса всех испытуемых растений была одинакова в каждом из вариантов опыта и контроле. Контролем служили показатели содержания пигментов водорослей, экспонировавшихся в системе с условно чистыми морской водой и донными отложениями. Водоросли в контроле и опыте содержались в лаборатории при естественном освещении. Эксперименты проводились двумя сериями, причем в каждой серии был свой контроль: 1-я серия - исследование концентраций нефти 0,2 и 0,5 г/кг, т.е. тех концентраций, которые на сегодняшний день характерны для относительно загрязненных районов моря; 2-я - 1,0 и 5,0 г/кг, т.е. тех концентраций, которые наблюдаются в аварийных ситуациях, при разливах нефти. Основанием для объединения серий служили воспроизводимые контрольные характеристики содержания пигментов. На 3, 10 и 21-е сут экспозиции в наиболее физиологически активных верхушечных ветвях 1 -го порядка Cystoseira barbata в 3-кратной повторности определяли содержание хлорофилла а и с, ^-каротина и ксантофиллов. Выбор сроков учета рез ультатов определялся данными по экстракции веществ нефти в воду. Известно, что для полярных веществ нефти (в том числе ароматических фракций) процесс экстракции в воду заканчивается на 5-е сут, для неполярных - на 15-е; при этом уже через 21 день об-
щее содержание углеводородов и токсическое действие нефтепродуктов значительно снижается [6, 7]. Измерение содержания пигментов проводили методом бумажной хроматографии [8]. Полученные данные обрабатывали методами вариационной статистики [9] с использованием программ Excel 2003 и Statistica-7.0.
Результаты и их обсуждение
Концентрации хлорофиллов в основных ветвях 1-го порядка нативных талломов колебались в пределах: хлорофилла а - от 12,75 до 17,85 мг/100 г ткани; хлорофилла с - от 2,50 до 2,61 мг/100 г ткани. Отношение хлорофиллов находилось в диапазоне 5,10 - 6,84 единиц (табл. 1).
Достоверных отличий в динамике хлорофилла а между контролем и вариантах опыта с 0,2 и 0,5 г нефти не наблюдалось, однако в концентрации 1,0 и 5,0 г нефти на 1 кг донных отложений выявлено достоверное снижение содержания хлорофилла а по сравнению с контролем в начале (на 14 - 42 %) и в конце экспозиции (на 72 - 86 %). Различные концентрации нефти по-разному действуют на динамику хлорофилла с. При минимальном экспериментальном нефтяном загрязнении (0,2 г/кг) достоверных отличий от контроля в динамике пигмента не наблюдалось. В концентрации 0,5 и 1,0 г нефти /кг донных отложений к концу эксперимента концентрация хлорофилла с возрастала. При максимально высоком уровне загрязнения (5,0 г/кг) концентрация хлорофилла с (как и хлорофилла а) уменьшалась на протяжении всего эксперимента. Общее содержание хлорофиллов на протяжении эксперимента в максимальных исследованных концентрациях углеводородов также снижалось.
В отличие от хлорофиллов в основных ветвях 1 -го порядка нативных талломов цистозиры бородатой наблюдались значительные колебания содержания В-каротина (от 33,47 до 158,87 мг/100 г ткани) и ксантофиллов: гидроксильных производных (зеаксантина) - от следовых значений, находящихся за пределами чувствительности метода, до 6,81 мг/100 г ткани; эпоксидных производных - от 0,98 до 2,17 мг/100 г ткани,
Таблица 1
Динамика хлорофиллов Cystoseira barbata в эксперименте
Содержание нефти в донных отложениях, г/кг сухой массы Исходные значения 3-и сут 10-е сут 21-е сут
Хлорофилл a, мг/100 г ткани
Контроль 15,97 ± 1,71 9,93 ± 1,11 16,89 ± 1,53 18,11 ± 1,87
0,2 - 8,19 ± 1,03 17,58 ± 1,79 17,72 ± 1,85
0,5 - 11,46 ± 1,23 18,63 ± 1,26 17,01 ± 1,57
Контроль 14,52 ± 1,67 13,44 ± 2,98 16,40 ± 1,52 19,66 ± 2,82
1,0 - 7,73 ± 1,50* 19,87 ± 1,73 2,74 ± 0,43*
5,0 - 11,52 ± 2,76 22,93 ± 2,06 5,55 ± 1,07*
Хлорофилл c, мг/100 г ткани
Контроль 2,59 ± 0,31 1,80 ± 0,11 3,45 ± 0,30 0,83 ± 0,06
0,2 - 3,01 ± 0,43* 1,86 ± 0,21* 0,37 ± 0,04*
0,5 - 0,57 ± 0,07* 2,43 ± 0,21* 1,92 ± 0,31*
Контроль 2,53 ± 0,27 2,97 ± 0,71 3,96 ± 0,38 1,58 ± 0,16
1,0 - 1,83 ± 0,38* 2,26 ± 0,11* 3,17 ± 0,29*
5,0 - 0,88 ± 0,19* 1,98 ± 0,14* 0,88 ± 0,15*
достоверное отличие от контрольных показателей (р < 0,05).
что отражает участие желтых пигментов в адаптации к условиям среды (табл. 2). В условиях малых доз загрязнения (0,2 и 0,5 г нефти) в начале экспозиции (3-и сут) наблюдалось существенное повышение содержания всех ка-ротиноидов относительно контроля, что является, видимо, следствием усиления протекции клеточных структур от процессов свободнорадикального окисления биологических объектов, индуцируемых нефтепродуктами. В то же время во всех вариантах опыта концентрация ß-каротина значительно снижается к концу эксперимента (21-е сут).
Зеаксантин, будучи одним из возможных продуктов свободно-радикального метаболизма ß-каротина, почти повторяет кривую динамики этого пигмента, накапливаясь вслед за увеличением количества каротина и его дальнейшим окислением. Общее содержание каротиноидов при максимальном загрязнении, так же как и хлорофиллов, снижается.
Результаты наших исследований соответствуют данным, полученным для других видов растений. Так, для Cystoseira crinita Bory показано, что динамика хлорофиллов а и с связана с окислительным стрессом, причем при стрессе происходит накопление хлорофилла с на фоне снижения общего пула зеленых пигментов [10]. Для многих видов растений показано, что деградация пула пигментов сопровождается снижением интенсивности фотосинтеза [2, 11].
Отношение суммы ксантофиллов к каротину в эксперименте отражает, очевидно, свободнорадикальный статус водоросли. Известно, что зеаксантин и некоторые из эпоксидных производных (например, виолаксантин) являются пигментами, которые могут образовываться в стрессовых условиях в результате свободнорадикально-го окисления каротина [12]. Чем выше указанное отношение, тем большее количество окисленных форм приходится на единицу каротина. В настоящем эксперименте обнаружено, что при экспозиции талломов цистозиры бородатой во всех вариантах опыта указанное отношение увеличивается к концу сроков экспозиции по сравнению с контролем на 58 - 547 %, что может указывать на окисление каротина до ксантофиллов. В целом в верхушечных ветвях 1 -го порядка нативных талломов отношение составляло 0,029 - 0,057; у адаптированных водорослей в контроле - 0,076 - 0,084, и по ходу эксперимента практически не менялось. К концу эксперимента оно колебалось от 0,127 до 0,558, что является следствием «антиоксидантной работы» каротина по химическому пути. В то же время отсутствие строгой зависимости отношения от концентрации нефти указывает на
Таблица 2
Динамика каротиноидов Cystoseira barbata в эксперименте
Содержание нефти в донных отложениях, г/кг сухой массы Исходные значения 3-и сут 10-е сут 21-е сут
ß-каротин, мг/100 г ткани
Контроль 34,89 ± 3,10 10,62 ± 0,78 41,00 ± 4,21 42,15 ± 5,76
0,2 - 29,51 ± 3,13* 31,94 ± 3,23 23,67 ± 1,75*
0,5 - 25,17 ± 1,99* 33,58 ± 2,97 30,03 ± 4,50
Контроль 53,82 ± 14,71 30,76 ± 7,78 54,72 ± 4,52 52,48 ± 9,12
1,0 - 18,84 ± 3,50* 36,18 ± 3,23* 6,01 ± 1,31*
5,0 - 21,61 ± 4,72* 62,94 ± 5,71 7,37 ± 1,50*
Зеаксантин, мг/100 г ткани
Контроль Не обнаружен 0,64 ± 0,07 1,93 ± 0,20 1,53 ± 0,13
0,2 - 3,04 ± 0,27* 4,89 ± 0,38* 1,75 ± 0,15
0,5 - 0,62 ± 0,07 2,27 ± 0,21 1,76 ± 0,18
Контроль 3,71 ± 0,70 1,81 ± 0,37 2,33 ± 0,16 2,97 ± 0,43
1,0 - 2,09 ± 0,52 4,14 ± 0,38* 1,04 ± 0,15*
5,0 - 1,67 ± 0,51 2,09 ± 0,22 0,50 ± 0,1*
Эпоксидные производные, мг/100 г ткани
Контроль 0,98 ± 0,10 0,17 ± 0,02 0,83 ± 0,09 1,34 ± 0,17
0,2 - 1,29 ± 0,10* 1,91 ± 0,15* 1,31 ± 0,11
0,5 - 1,08 ± 0,10* 1,98 ± 0,17* 2,61 ± 0,23*
Контроль 2,01 ± 0,25 0,77 ± 0,98 2,24 ± 0,12 1,48 ± 0,27
1,0 - 2,17 ± 0,50* 1,44 ± 0,13* 2,32 ± 0,42*
5,0 - 1,87 ± 0,36* 2,47 ± 0,26 0,50 ± 0,08*
достоверное отличие от контрольных показателей (р < 0,05).
существование и других путей свободнорадикальной конвертации каротина, известных, в частности, у высших растений [12].
Отношение каротиноидов к хлорофиллам отражает степень протекции зеленых пигментов. Увеличение отношения свидетельствует о протекании адаптационных процессов, при которых организм синтезирует дополнительное количество каротина, снижение отношения ниже контрольного уровня сопровождается, как правило, свободнорадикальной атакой и как следствие деградацией общего пула каротина и хлорофил-лов. На 3 -и сут экспозиции указанное отношение значительно выше в экспериментальных сериях, чем в контроле. По мере дальнейшей экспозиции значение показателя снижается в зависимости от концентрации, что, возможно, объясняется исчерпанием резервов антиоксидантов водоросли.
Таким образом, пигментная система бурой водоросли Cystoseira ЬагЬа(а £ hoppi резистентна к действию углеводородов нефти в концентрации 0,2 и 0,5 г/кг донных отложений, что соответствует факту широкого распространения этого вида в биоценозах с умеренным нефтяным загрязнением. При концентрациях нефти выше 1,0 г/кг в первой половине экспозиции происходит увеличение содержания каротина, изменение отношения каротиноиды/хлорофиллы, что, возможно, свидетельствует об активации свободно-радикальных процессов. К концу экспозиции в эксперименте наблюдалась существенная деградация хлорофилла а, каротина, зеаксантина, накопление хлорофилла с, изменение отношения ксантофиллы/каротин в сторону ксантофиллов.
Литература
1. Хайлов К.М., Парчевский В.П. Иерархическая регуляция структуры и функции морских растений. Киев, 1983.
2. Хайлов К.М. Об условиях, необходимых для расчета продукции сообществ макрофитов в морской прибрежной экосистеме // Биология моря. 1977. Вып. 40. С. 10.
3. Baker J.M. The effects of oils on plants // Environ. Pollut. 1970. Vol. 1. P. 27-44.
4. Stekoll M.S., Deysher Lawrence. Response of dominant alga Fucus gardneri (Silva) (Pnaeophyceae) to the Exxon Valdez oil spill and clean-up // Mar. Pollut. Bull. 2000. № 11. P. 1028-1041.
5. Скурлатов Ю.И., Эрнестова Л.С., Штамм Е.В. Редокс-состояние и сезонная токсичность природной воды // ДАН СССР. 1984. Т. 276. № 4. С. 1014-1016.
6. Чернышев В.И., Токуев Ю.С. Вопросы методики морских гидрохимических исследований // Труды ГОИНА. 1972. Вып. 113. С. 79-94.
7. Янкявичус К.К., Баранаускене А.Ю., Грибаускене В.Ю. Прогнозирование уровня самоочищения водоемов, загрязненных нефтепродуктами // Биофизические аспекты загрязнения биосферы. М., 1973. С. 170-171.
8. Лакин Г. Ф. Биометрия. М., 1980.
9. Методы физиолого-биохимического исследования водорослей в гидробиологической практике. Киев, 1975.
10. Афанасьев Д.Ф. Водоросли-макрофиты как индикаторы загрязненности морских вод нефтепродуктами // Биотехнология - охране окружающей среды: Тез. докл. междунар. конф. Москва, 25-27 мая 2004 г. М., 2004. С. 95.
11. Рубин Б.А., Гавриленко В.Ф. Биохимия и физиология фотосинтеза. М., 1977.
12. Курчш Б.О. Абсцизова кислота як кшцевий продукт антиоксиснювального метаболiзму ксантофЫв, зумовлено-го дieю диквату // Физиология и биохимия культурных растений. 2000. Т. 32. № 4. С. 334-338.
Поступила в редакцию_25 июня 2008 г.
