CC BY
29
УДК 574.538:582.263:574.22
ВЛИЯНИЕ КОЛЕБАНИЙ ГИДРОЛОГИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ НА РОСТ И ПРОДУКЦИОННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПРЕСНОВОДНЫХ ГИДРОФИТОВ
А.С. Константинов, В.Я. Пушкарь, Е.А. Соловьева, Т.Н. Костоева
(кафедра ихтиологии; e-mail: ichthyology@mail.ru)
В наших предыдущих исследованиях установлено, что периодическое отклонение различныгх гидрологических факторов от их наилучших стационарный значений положительно влияет на рост, состояние и энергетику гидробионтов. Такие данные быии получены в опытах с коловратками (Константинов и др., 1995), ракообразными и моллюсками (Константинов и др., 2003), рыбами (Константинов, Зданович, 1985; Константинов и др., 1987; Константинов, 1993), личинками амфибий (Константинов и др., 2000) и применительно к таким факторам, как температура (Константинов, Зданович, 1985; 1986; Константинов и др., 1987), освещенность (Константинов и др., 2002; Константинов и др., 2002), концентрация кислорода (Константинов, 1988; Константинов и др., 1998; 2005), соленость (Константинов, Мартынова, 1990; 1992), рН (Константинов и др., 1995а, б; Константинов, Вечканов, 1998) и минеральный состав воды (Константинов, Мартынова, 1992). В настоящей работе мы хотели выяснить, как реагируют на колебания перечисленных факторов гидрофиты, подобен ли в какой-то степени их отклик тому, который наблюдался в опытах с зоогидробионтами. На основе всех полученных данных проверялось, насколько общепринятая концепция экологического оптимума подтверждается применительно к гидробионтам, ухудшается ли их жизнедеятельность при астатичности гидрологической среды.
Материал и методика
Схема проведения всех экспериментов однотипна. В предварительных опытах выявлялась стационарная дозировка испытуемого абиотического фактора, оптимальная для роста, размножения и фотосинтеза растений. В последующих опытах сравнивались результаты содержания растений при оптимальном стационарном оптимуме и в условиях, когда действующие факторы периодически отклоняются от него в той или иной мере.
Опыты проводили на двух массовых представителях пресноводного фитопланктона Chlorella vulgaris Beyer и Scenedesmus quadricauda Breb, а также на обычном в наших водах макрофите Elodea canadensis Rich. При проведении опытов с хлореллой и сценедесмусом исходные культуры водорослей го-
товили на среде Тамия. Перед опытом определенные объемы культуры разбавляли отстоянной водопроводной водой, в которую вносили некоторое количество минеральных добавок, достаточное для полного обеспечения жизнедеятельности водорослей. Полученную суспензию клеток интенсивно перемешивали стеклянной трубкой и одновременно барботировали воздухом, подаваемым по этой же трубке. В процессе этой операции отбирали пробы для учета исходной численности клеток водорослей и разливали суспензию в трехлитровые стеклянные цилиндры. После этого цилиндры помещали в прозрачные пластиковые аквариумы, заполненные водой.
Требуемый терморежим обеспечивался в аквариумах ультратермостатом и-15 и системой температурных датчиков. Нагревание и охлаждение воды программировалось в автоматическом режиме таким образом, чтобы равновеликие подъемы и понижения температуры происходили за равные промежутки времени (синусоидальные колебания). Амплитуда колебания температуры в разных опытах варьировала от 4 до 6°. Среднее значение осциллирующей температуры брали близкое к стационарному оптимуму: для хлореллы и сценедесмуса он равнялся 27—28°. Период колебания в большинстве опытов лежал в пределах 2—3 ч. Освещенность поверхности аквариумов (8000 лк) обеспечивали лампы дневного света. Для обеспечения равномерности освещения аквариумов попадание бокового света на них исключалось.
Оценку роста численности клеток в культурах вели по ежедневным пробам, отбираемым в одно и то же время (утренние часы). Перед отбором проб суспензию клеток в культиваторах также интенсивно перемешивали. Численность клеток водорослей в отобранных и зафиксированных пробах подсчитывали под микроскопом в камере Горяе-ва. Длительность наблюдений над ростом культур составляла несколько суток — до выхода кривой численности клеток на плато.
Для оценки влияния осцилляции температуры на интенсивность фотосинтеза и дыхания водорослей часть подготовленной исходной суспензии водорослей сифоном разливали в две темные и в две светлые склянки объемом 100—110 мл. В светлых склянках сразу же определяли исход-
ное содержание кислорода, а темные склянки помещали на экспозицию в аквариумы с заданным режимом. Во избежание перенасыщения воды кислородом в процессе фотосинтеза другую часть исходной суспензии водорослей продували аргоном (снижение концентрации кислорода до 2—3 мг/л), затем также с помощью сифона разливали в четыре светлые склянки. В двух склянках сразу же определяли исходное содержание кислорода, а две другие помещали на экспозицию в аквариум с соответствующим режимом. Экспозиция склянок продолжалась 3—4 ч, после чего проводили измерения содержания кислорода. Аналогичным образом проводились определения интенсивности фотосинтеза и деструкции в опытах с элодеей. Предварительно кусочки растений содержали в аквариумах с оптимальной температурой и соленостью (судя по предварительным опытам, соответственно 26° и 0%о) до появления новых побегов. В таком режиме растения оставались в течение 3 сут, после чего измерялись интенсивность их фотосинтеза и деструкция. Создание нужной солености достигалось внесением в воду соответствующего количества поваренной соли. Масса растений в начале и в конце опыта определялась взвешиванием на весах ^а-33, точность 1 мг). Удельную скорость роста растений рассчитывали как отношение разности логарифмов между их конечной и начальной массой, отнесенной к длительности опыта в сутках. Величины фотосинтеза и деструкции, обозначаемые соответственно как ФС и Д, выражаются в миллиграммах 02/л ч. При статистической обработке результатов использовали метод попарных сравнений по компьютерной программе Б1А8ТА.
Результаты и обсуждение
0пыты с хлореллой и сценедесмусом показали, что под влиянием небольших синусоидальных отклонений температуры от ее оптимальных стационарных значений (на 2—3°) существенно ускоряется темп размножения водорослей. Как видно на табл. 1, уже через сутки после воздействия колебаний температуры численность клеток хлореллы более чем в полтора раза превышала наблюдавшуюся в оптимальном стационарном терморежиме. В конце опыта численность водорослей превышала наблюдавшуюся в контроле почти в 2 раза.
Несколько слабее реагировал на колебания температуры сценедесмус. В колебательном режиме численность водорослей в конце опыта возрастала на 23% (табл. 2). В другом опыте, когда температура колебалась в пределах 22—28°, рост численности клеток ускорялся в среднем на 44% (табл. 3). При этом интенсивность фотосинтеза несколько возрастала (на 19%), но не столь значительно, как скорость размножения водорослей.
Таблица 1
Рост численности клеток в культуре Chlorella vulgaris при оптимальной постоянной температуре (27°) и в колебательном синусоидальном терморежиме (24—29°)
Сутки с начала опыта Численность клеток, млн/л Соотношение численности 24-29° 27°
27° 24-29°
0 140 140 -
1 321 500 1,56
2 500 929 1,86
3 857 1643 1,92
4 1929 3500 1,81
Среднее значение Ошибка средней Достоверность средней 1,78
±0,08
p < 0,05
Таблица 2
Рост численности клеток в культуре Бсепейеътж циайг 'каийа при оптимальной стационарной температуре (27°) и в синусоидальном терморежиме (23—29°)
Сутки с начала опыта Численность клеток, млн/л Соотношение численности 23-29° 27°
27° 23-29°
0 138 138 -
1 225 263 1,17
2 325 375 1,15
3 375 510 1,36
4 510 625 1,23
5 625 775 1,24
6 800 1000 1,25
Среднее значение Ошибка средней Достоверность средней 1,23
±0,03
p < 0,05
В противоположность фотосинтезу интенсивность дыхания водорослей в колебательном терморежиме не возрастала, а значительно снижалась (табл. 4): в режиме 20—26° по отношению к контролю (26°) в среднем на 36%, по отношению к температурам 20 и 24° соответственно на 8 и 24%.
Аналогично водорослям реагирует на небольшие синусоидальные колебания температуры элодея. В среднем на 14-е сутки выращивания скорость роста в колебательном режиме превосходила наблюдавшуюся в контроле на 36% (табл. 5). В заметно меньшей степени (на 13%) повышается величина фотосинтеза (табл. 6).
Подобно колебаниям температуры влияют на рост элодеи периодические отклонения от опти-
Таблица 3
Численность клеток, величина фотосинтеза и дыхания в культуре Бсепейеътт циайг'1саийа при оптимальной постоянной температуре (28°) и в колебательном синусоидальном терморежиме (22—28°)
№ опыта Число клеток, млн/л Фотосинтез, мгО2/л-сут Потребление О2, мгО2/л-сут
22-28° 28° 22-28° 28 22-28° 28° 22-28° 28 22-28° 28° 22-28° 28
1 567 302 1,88 119 90 1,32 - -
2 503 392 1,28 71 59 1,20 - -
3 484 333 1,45 29 25 1,16 20 17 1,17
4 403 267 1,51 93 80 1,16 9,4 7,15 1,31
5 400 225 1,78 42 35 1,20 - -
6 832 716 1,16 137 128 1,07 32 34 0,94
7 416 146 2,85 22 19 1,16 - -
8 396 453 0,87 87 87 1,00 10 12 0,83
9 558 540 1,03 37 29 1,28 10,1 9,58 1,05
10 234 284 0,82 28 24 1,17 4,96 5,04 0,98
11 332 282 1,18 32 23 1,39 - -
Средние значения Ошибка средних Достоверность средних 1,44 1,19 1,04
± 0,17 ± 0,03 ± 0,07
p < 0,05 p < 0,05 p < 0,05
Таблица 4
Потребление кислорода культурой Бсепейетиъ циайг'каийа (мг02/л • с) при стационарных температурах (20; 24 и 26°) и в колебательном синусоидальном терморежиме (20—26°)
№ опыта Терморежим, °С Соотношения дыгхания
20 24 26 20-26 20-26/20 20-26/24 20-26/26
1 1,88 2,06 2,60 1,70 0,90 0,82 0,65
2 1,79 2,16 2,60 1,65 0,92 0,76 0,63
3 1,70 2,25 2,53 1,60 0,94 0,71 0,63
Среднее 1,79 2,16 2,58 1,65 0,92 0,76 0,64
Ошибка средней ± 0,05 ± 0,05 ± 0,02 ±0,02 ± 0,011 ± 0,031 ± 0,006
Достоверность средних, p < 0,001 < 0,001 < 0,001 < 0,001 < 0,001 < 0,001 < 0,001
Таблица 5
Удельная скорость роста E. canadensis в оптимальном стационарном (26°) и синусоидальном (26 ± 2°) терморежимах
Дата наблюдений Длительность опыта, сут Сырая масса, г Удельная скорость роста, % в сут Соотношение скоростей роста 26 ± 2°/26°
26° 26 ± 2° 26° 26 ± 2°
26.09.01 0 0,693 0,704 - - -
02.10.01 7 0,842 0,901 2,78 3,52 1,27
09.10.01 14 1,322 1,738 6,44 9,39 1,46
Среднее значение 1,36
мальной стационарной солености (0%о). Когда соленость воды повышалась до 0,5%, удельная скорость роста снижалась с 3,7% в сутки до 2,3%. В колебательном режиме 0—0,5% она превышала наблюдаемую при солености 0 в 1,27 раза, наблюдаемую при 0,5% в 2,04 раза (табл. 7).
Сходство отклика хлореллы, сценедесмуса и элодеи на колебания температуры и солености говорит о неспецифичности самой реакции. То же самое было констатировано нами в опытах с зообионтами. Небольшие колебания температуры, освещенности, солености, рН и концентрации кислорода сходным образом оптимизировали жизнедеятельность коловраток, ракообразных, моллюсков, рыб и личинок амфибий. Эта картина несколько напоминает ту, которая описывается Г. Селье (1982) применительно к слабым стрессам ("эустрессам") и о которой говорит И.А. Аршавский (1982) на основании многочисленных опытов с млекопитающими.
В физиологии растений широко обсуждается стресс как неспецифическая реакция на действие любых неблагоприятных факторов (Веселова и др., 1993; Третьяков и др., 2000). Выделяют (как и Г. Селье) три фазы. В первой ("раздражение") показатели метаболизма не снижаются, а даже повышаются. Во второй и третьей фазах метаболизм угнетается.
В какой-то мере наши данные о положительном влиянии колебаний гидрологических факторов на жизнедеятельность гидрофитов напоминают первую стадию фитостресса. Но это только на первый взгляд. Сущность сравниваемых явлений имеет совершенно разную природу. Стресс — реакция организма на нарушение экологической нормы. В нашем случае колебание гидрологических факторов не нарушение, а обеспечение экологической нормы. Исторически
Таблица 6
Интенсивность фотосинтеза E. canadensis в оптимальном стационарном терморежиме (26°) и синусоидальном колебательном терморежиме (26 ± 2°)
Таблица 7
Удельная скорость роста E. canadensis (% в сут) при оптимальной солености (0%о) и ее колебаниях (0—0,5%о)
живое возникало из неживого применительно к существующей среде, которая всегда астатична. Аста-тичность, а не статичность — экологическая норма. Ни в каком статичном режиме не обеспечиваются условия, необходимые для оптимизации жизнедеятельности организмов.
Важно отметить, что оптимизационный эффект, вызываемый воздействием астатичности разных факторов на различные гидрофиты, сходен по величине, т.е. не зависит от природы фактора и систематической принадлежности растений. Более того, он сходен по величине с тем, какой обнаруживается у зоогидробионтов под влиянием колебания тех же самых факторов. Напрашивается вывод о достаточности воздействия астатично-сти одного фактора, чтобы исключить негативные следствия статичности других условий. Разнообразие (астатичность) условий жизни обеспечивается колебанием уже одного фактора. В наших предварительных опытах модуляция условий по двум факторам давала не положительные, а отрицательные результаты воздействия на скорость роста и другие показатели жизнедеятельности организмов.
В любом случае, полученные нами данные о влиянии осцилляции различных факторов на мета-
болизм гидрофитов, сходные с теми, какие ранее были получены в опытах с зоогидробионтами, находятся в полном противоречии с существующей концепцией экологического оптимума (Шилов, 1985, 2000, 2001; Одум, 1986). Согласно этой концепции оптимум существования организмов достигается только в стационарных условиях, когда не требуется затрачивать дополнительные усилия на обеспечение функционирования адаптивных механизмов (Шилов, 2001).
Несомненно, включение адаптивных механизмов в ответ на изменения (колебания) гидрологических факторов требует дополнительной работы. Но, как показал Э. Бауэр (1935) в своей "Теоретической биологии", дополнительная работа всегда сопровождается перекрыванием катаболизма анаболизмом и стабилизацией состояния организмов. Поэтому аргументация обоснованности существующей концепции с точки зрения энергетики не является теоретически убедительной. На огромном экспериментальном материале было показано, что ни в каких стационарных режимах не достигаются те положительные показатели жизнедеятельности организмов, как в колебательных режимах.
Приводимые в нашей работе данные подтверждают правильность альтернативной концепции: оптимальны для организмов не стационарные условия в их любом выражении, а колебательные, в первом приближении сходные с теми, которые наблюдаются в природных условиях. Этот вывод следует учитывать при совершенствовании биотехнологии аквакультуры водорослей и макрогидрофитов.
Выводы
1. Небольшие периодические отклонения температуры и солености от оптимальных стационарных значений оптимизируют рост, размножение и энергетику водорослей и высших растений-гидрофитов.
2. Эффект оптимизации жизнедеятельности гидрофитов под влиянием отклонения температуры и солености количественно сходен и говорит о неспецифичности реакции растений на колебание различных гидрологических факторов, имитирующих природные условия.
3. Полученные результаты следует учитывать при совершенствовании биотехнологии аквакультуры водорослей и высших растений-гидрофитов.
* * *
Работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (грант № 04-04-48463а).
Терморежим, t°C Масса растений в склянке, г Концентрация кислорода, мг/л Выделено кислорода на 1 г массы водорослей, мг/г • ч Соотношение фотосинтеза 26 ± 2° 26°
начальная конечная
26° 0,070 4,11 6,41 0,452 1,08
26 ± 2° 0,088 4,10 7,23 0,490
26° 0,072 4,20 6,57 0,453 1,17
26 ± 2° 0,055 4,20 6,33 0,532
Среднее значение 1,13
Соленость, % Масса растений, мг Удельная скорость роста, % в сут Соотношение удельной скорости роста
начальная конечная 0-0,5% 0% 0-0,5% 0,5%
0 150 194 3,70 1,27 2,04
0,5 143 168 2,30
0-0,5 155 214 4,70
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Аршавский И.А. 1982. Физиологические механизмы и закономерности индивидуального развития. М.
Бауэр Э . С . 1935. Теоретическая биология. М.; Л.
Веселова Т.В., Веселовский В.А., Чернявский Д.С. 1993. Стресс у растений. М.
Константинов А.С. 1988. Рост молоди рыб в постоянных и переменных кислородных условиях // Вестн. Моск. ун-та. Сер. Биология. № 4. 3—7.
Константинов А. С. 1993. Влияние колебаний температуры на рост, энергетику и физиологическое состояние молоди рыб // Изв. РАН. Сер. биол. № 1. 55—63.
Константинов А.С., Вечканов В.С., Кузнецов В.А. 1995а. Некоторые особенности роста молоди рыб в рН-градиентном поле // Вестн. Моск. ун-та. Сер. Биология. № 4. 28—32.
Константинов А.С., Вечканов В.С., Кузнецов В. А. 1995б. Влияние колебаний концентрации водородных ионов на рост молоди рыб // Вопр. ихтиологии. 35. № 1. 120—125.
Константинов А.С., Вечканов В.С., Кузнецов В.А. 1998. Влияние колебаний рН на энергетику и биологическое состояние рыб // Вопр. ихтиологии. 38. № 4. 530—536.
Константинов А.С., Вечканов В.С., Кузнецов В.А., Ручин А.Б. 2000. Астатичность абиотической среды как условие оптимизации роста и развития личинок травяной лягушки Rana temporaria L. // Докл. РАН. 371. № 4. 559—562.
Константинов А.С., Вечканов В.С., Кузнецов В.А., Ручин А.Б. 2002. Влияние колебаний интенсивности и спектрального состава света на рост и энергетику молоди рыб // Гидробиол. журн. 38. № 3. 72—80.
Константинов А.С., Зданович В.В. 1985. Влияние осцилляции температуры на рост и физиологическое состояние молоди карпа Cyprinus carpio L. // Докл. АН СССР. 282. № 3. 760—764.
Константинов А.С., Зданович В.В. 1986. Некоторые особенности роста рыб при переменных температурных режимах // Вопр. ихтиологии. 26. № 3. 448—456.
Константинов А.С., Зданович В.В., Калашников Ю.Н. 1987. Влияние переменной тем-
пературы на рост эвритермных и стенотермных рыб // Вопр. ихтиологии. 27. № 6. 971—977.
Константинов А.С., Зданович В.В., Пушкарь В.Я., Аверьянова О.В., Речин-с к и й В . В . 2005. Согласованность изменений параметров метаболизма и энергетики молоди рыб при отклонении концентрации кислорода в воде от оптимальных стационарных режимов // Биология внутренних вод. № 1. 93—99.
Константинов А.С., Зданович В.В., Пушкарь В.Я., Соловьева В.А. 1998. Влияние колебаний концентрации кислорода в воде на рост и энергетику рыб // Вопр. ихтиологии. 38. № 3. 381—387.
Константинов А.С., Зданович В.В., Пушкарь В.Я., Соловьева В.А. 2002. Влияние колебаний освещенности на рост и энергетику золотой рыбки Carassius auratus // Изв. РАН. Сер. биол. № 2. 209—213.
Константинов А.С., Мартынова В.В. 1990. Влияние колебаний солености на рост молоди рыб // Вопр. ихтиологии. 30. № 6. 128—129.
Константинов А.С., Мартынова В.В. 1992. Влияние колебаний солености на энергетику молоди рыб // Вопр. ихтиологии. 32. № 4. 161—166.
Константинов А.С., Пушкарь В.Я., Аверьянова О.В. 2003. Влияние колебаний абиотических факторов на метаболизм некоторых гидроби-онтов // Изв. РАН. Сер. биол. № 6. 1—7.
Константинов А.С., Тагирова Н.А., Степаненко В.М., Соловьева Е.А. 1995. Влияние колебаний некоторых абиотических факторов на рост, размножение и энергетику коловратки Euchlanis dilatata // Гидробиол. журн. 31. № 6. 25—29.
О дум Е.П. 1986. Экология. М.
Селье Г. 1982. Стресс без дистресса. М.
Третьяков Н.Н., Кошкин Е.И., Новиков Н . Н . и др. 2000. Физиология и биохимия сельскохозяйственных растений. М.
Шилов И . А . 1985. Физиологическая экология животных. М.
Шилов И . А . 2000. Экология. М.
Шилов И.А. 2001. Экология. М.
Поступила в редакцию 21.04.06
INFLUENCE OF FLUCTUATIONS OF HYDROLOGICAL FACTORS ON GROWTH AND PRODUCTIONS CHARACTERISTICS FRESH-WATER HYDROPHYTE
A.S. Konstantinov, V.Ya. Pushkar, E.A. Solovjova, T.N. Kostoeva
It is shown, that different algaes and high plants-hydrophyte identical respond on the fluctuations of the temperature, pH and salinity of water. Increases the velocity of their growing, more intensely goes the process of the photosynthesis, falls the level of the consumption of the oxygen. The Reaction different hydrophyte on fluctuations of the miscellaneous hydrological factor does not depend on aspectual accesories of the plants and natures of the variable factor that indicate of nonspecific nature to reactions. Obtained data it is necessary to consider at perfection of biotechnology of factory cultivation hydrophyte.
