CC BY
191
УДК 621.86:582.26-119.2
М. Д. Мукатова, А. В.Привезенцев, Н. А. Киричко, Р. Р. Утеушев Астраханский государственный технический университет
ВОДНЫЕ РАСТЕНИЯ ВОЛГО-КАСПИЯ И ВОЗМОЖНОСТЬ ИХ ПЕРЕРАБОТКИ
Введение
Растительный мир Волго-Каспия богат и разнообразен, насчитывает более 700 видов и подвидов низших растений и 5 видов высших [1]. К низшим растениям относятся водоросли. Они представлены одноклеточными, колониальными и многоклеточными, иногда тканевого строения, организмами. Водоросли содержат в своих клетках хлорофилл и другие пигменты и вырабатывают органические вещества в процессе фотосинтеза. Цветки и семена у водорослей отсутствуют. Окраска весьма разнообразна и зависит от соотношения хлорофилла и других пигментов [2].
Особенностями каспийских водорослей-макрофитов являются морфометрические показатели - здесь преобладают мелкие виды, высота которых обычно не превышает 0,5 м. Крупные водоросли с массивными талломами и сложным анатомическим строением в Каспии отсутствуют.
В Каспийском море доминирующее положение занимают диатомовые водоросли (292 вида), зеленые (139 видов), обитающие в основном в пресных водах, но встречающиеся и в солоноватых и морских водоёмах, и синезелёные (203 вида). Остальные типы водорослей представлены значительно меньшим числом видов. Так, в Каспийском море встречено 39 видов пирофитовых водорослей, обитающих в основном в планктоне, 10 видов харовых, развивающихся главным образом в районе мелководных, заиленных, защищенных от волнений заливов, встречается 13 видов бурых водорослей, из них широко распространен эктокарпус, и 25 видов красных водорослей [2-6].
Водоросли - основные продуценты органического вещества в морях и океанах. Они продуцируют ежегодно примерно 1011 т органического вещества (в углероде), или, в пересчёте на сухое вещество, 48-64 т/га. Крупные водоросли дают приют и пищу многим беспозвоночным животным и рыбам, особенно их молоди. От водорослей прямо или косвенно зависит существование в воде всего живого. Питательную ценность морских водорослей, особенно планктона, сравнивают с питательностью лучшего лугового сена [1, 3, 6].
В отличие от низших, высшие растения - сложные дифференцированные многоклеточные организмы, приспособленные к жизни в наземной и водной среде. Среди них преобладают наземные растения, в морских и пресных водах обитает небольшое число видов высших растений. В настоящее время известно 3 000 видов высших растений. В Каспийском море, не считая сильно опресненных участков, обнаружено всего 7 видов
высших водных растений. Из цветковых растений в фитобентосе Северного Каспия широко распространены зостера, руппия, рдест [1, 2].
Морская трава зостера - многолетнее растение. Размножается главным образом вегетативным способом, иногда половым. Обитает на песчаных, песчано-ракушечных грунтах, на илистом грунте не развивается.
Рдесты распространены в прибрежных зонах. В заливах Каспия встречаются также руппии.
Высшие водные растения играют важную роль в биоценозе. Среди них обитают разнообразные виды беспозвоночных животных и молодь рыб. Большинство высших водных растений служит пищей рыбам и водоплавающим птицам. В заливах на них выметывают икру фитофильные рыбы (сазан, вобла, лещ и др.).
В фитобентосе Каспийского моря наиболее широко представлена красная водоросль лауренсия. В отличие от других водорослей, ведущих прикрепленный образ жизни, лауренсия не прикрепляется к субстрату. В центральной части Северного Каспия иногда встречается «лауренсиево поле» с большим или меньшим числом других видов водорослей. На юго-западе и северо-востоке Северного Каспия грунты очень заилены, поэтому здесь в фитобентосе развиваются в основном сверлящие водоросли. В западной части Среднего Каспия бентические растения заселяют узкую полосу от поверхности воды до глубины 10 м. Лучше всего они развиваются на мелководье - до глубины 8 м. На этих глубинах водоросли живут на каменистом и ракушечном грунтах, а высшие растения - на илистопесчаном грунте [1, 5, 7].
В восточной части Среднего Каспия распространены зеленые, диатомовые, красные, бурые и харовые водоросли. Донные водоросли распространены до глубины 40 м, а их пышное развитие наблюдается на глубине до 20 м. Из бурых водорослей довольно часто попадаются эктокар-пус и моносифон, из красных здесь обитают лауренсия и полисифония.
Западная часть Южного Каспия богата водорослями, особенно на глубине до 3,5 м. Здесь распространены диатомовые, зеленые, красные и другие виды водорослей.
В фитобентосе восточной части Южного Каспия обнаружены зеленые, диатомовые, красные и бурые водоросли, а из высших - 5 видов. Характерной особенностью флоры этого района считается большое количество хары и полисифонии [5-7].
В настоящее время воздействие человека на Каспий приобрело многообразный характер, включая загрязнение, инвазию, гидротехническое строительство и другие факторы, влияющие на биотические формы жизни. Загрязнение Каспийского моря у российского побережья тесно связано с развитием здесь нефтяной и химической промышленности, а также расположением муниципальных и индустриальных стоков промузла г. Астрахани. При этом ежегодно наблюдается снижение уловов полупро-ходных видов рыб. Одной из причин является слабая работа по мелиорации; зарастание рыбоходных каналов в дельте Волги привело к тому, что большая часть водной растительности сейчас сместилась из авандельты
в среднюю часть Каспия. Очевидна эвтрофикация дельты Волги, ее интенсивное зарастание водной растительностью, заиление рыбоходных каналов, что приводит к потере рыбохозяйственного значения части дельты и ее авандельты. При этом многие виды водных растений могут иметь практическое значение, так как содержат в своём составе такие вещества, как белок -6-29 %, углеводы - 17-60 %, липиды - 4 %, много витаминов и минеральных солей; они способны накапливать некоторые микроэлементы, содержащиеся в морской воде в ничтожных количествах. Многоклеточные морские водоросли, имеющие тканевое строение, такие как лауренсия, полиси-фония, эктокарпус, зелёные нитчатые, харовые, и морские травы - зостера, рдесты - в перспективе могут быть источниками пектиновых и агаровых веществ, альгиновой кислоты, морского крахмала [5].
Цель работы состояла в изучении видового состава водных растений Волго-Каспия и установлении возможности их использования в качестве сырья для промышленной переработки.
Из поставленной цели вытекали следующие задачи:
- изучение видового состава водных растений авандельты Волги и Северного Каспия;
- изучение химических показателей водных растений авандельты Волги и Северного Каспия;
- апробирование различных технологий получения полисахаридов из водных растений Волго-Каспия.
Материал и методы
Объектами исследования были водные растения авандельты и Северного Каспия: рдест, валлиснерия, роголистник, нитчатые зелёные водоросли, харовые водоросли, зостера, лауренсия, ряска.
Заготовку проб водных растений в авандельте осуществляли в раскатной зоне р. Волги во время плановой зачистки ее протоков от заросших растений, затем устанавливали их видовой состав и соотношение видов в общей массе заготовленной партии. Объем заготовленной партии составил 56 кг по массе. Вторая партия проб общей массой 2,0 кг была заготовлена с судна КаспНИРХ «Гидробиолог» вблизи о. Малый Жемчужный в квадратах 213, 218, 234.
Заготовку партий проб морской травы зостеры малой в количестве 45,5 кг в акватории Северного Каспия осуществляли силами научноисследовательской лаборатории при помощи морской рыбоохранной инспекции Республики Казахстан (г. Актау Мангистауской обл.), которая была подключена к работе, проводимой в Астраханском государственном техническом университете, консульством Республики Казахстан в России, расположенным в г. Астрахани. Пробы, изъятые в авндельте и в средней части Северного Каспия, были высушены в условиях окружающей среды при температуре 20-25 °С и относительной влажности воздуха 75-80 % до воздушно-сухого состояния (равновесная влажность).
Уровень содержания балластных веществ, потери при сушке устанавливали по ГОСТ 26185-84 «Водоросли морские, травы морские и продукты
их переработки». Химические показатели влажных водных растений аван-дельты и воздушно-сухой зостеры малой определяли в соответствии с вышеуказанным стандартом. Содержание азотистых веществ, растворимых в эфире веществ, минеральных веществ определяли по ГОСТ 7636-85 «Рыба, морские млекопитающие, морские беспозвоночные и продукты их переработки», уровень клетчатки во всех пробах устанавливали по ГОСТ 13496.2-91 «...Метод определения сырой клетчатки», водорастворимые углеводы были определены по ГОСТ 26176-84. Микробиологические анализы зостеры каспийской и воды из района ее сбора проводили в соответствии с инструкцией по санитарно-микробиологическому контролю производства пищевых продуктов из рыбы и морских млекопитающих [8]. Технология получения полисахаридов, разработанная ранее в научно-исследовательской лаборатории перспективных технологий под руководством д-ра техн. наук, проф. М. Д. Мукатовой, была апробирована в лабораторных условиях на подготовленных образцах зостеры каспийской.
Результаты и обсуждение
В ходе исследований был идентифицирован видовой состав пресноводных растений авандельты Каспия (табл. 1). Большую часть растений, 69,8 % общей массы, составил вид, предположительно отнесённый к харо-вым водорослям, ранее не исследованный и отсутствующий в гербарии [9]. Количество ранее исследованного растения - рдеста - составило к общей массе 13,8 %, в том числе подвид блестящий - 11,7 %, пронзеннолист-ный - 1,3 % и гребенчатый - 0,8 %.
Таблица 1
Видовой состав водных растений, произрастающих в авандельте Каспия
Растение Соотношение видов, %
Рдест пронзеннолистный 1,3
Рдест блестящий 11,7
Рдест гребенчатый 0,8
Валлиснерия 0,4
Роголистник колючий 4,7
Роголистник мягколистный 0,3
Водоросли нитчатые зеленые 9,6
Харовые водоросли 69,8
Балластные вещества 9,6
Идентификация видового состава (табл. 2) водных растений, проба которых была изъята в средней части Северного Каспия (в квадратах 213, 218, 234), показала, что с увеличением глубины и солености воды обнаруживаются лауренсия (красная водоросль) и морская трава (зостера). Возрастает количество нитчатых зеленых водорослей - 41,5 % и рдеста гребенчатого - 9,3 %. Ранее проведенные исследования показали, что в квадрате 218 количество рдеста гребенчатого в общей массе изъятых проб составляет 25 %.
Таблица 2
Видовой состав водных растений, произрастающих в Северном Каспии
Квадраты Наименование растения Соотношение видов, %
213, 218, 234 Рдест гребенчатый 9,3
Зостера 1,0
Лауренсия 1,0
Водоросли нитчатые зеленые 41,5
Валлиснерия 2,0
Ряска 39,3
Роголистник 0,9
Балластные вещества 5,0
В табл. 3 приведены данные по изучению химических показателей пресноводных растений авандельты.
Таблица 3
Химические показатели водных растений авандельты Каспия
Объект Содержание, %
воды эфирораство- римых веществ азотистых веществ (ОА/ОА х 6,25) мине- ральных веществ клетчатки углеводов
раство- римых легко гидроли- зуемых
Валлиснерия 94,2 0,4 0,41/2,58 2,2 1,54 0,03 0,08
Водоросли нитчатые зеленые 89,8 0,06 0,31/1,9 5,5 3,36 0,06 0,43
Рдест пронзеннолистный 80,5 0,7 0,31/1,9 4,7 5,4 0,22 0,5
Рдест блестящий 88,1 0,08 0,48/3,0 1,9 4,37
Роголистник колючий 88,7 0,07 0,84/5,3 4,2 - - -
Роголистник мягколистный 89,6 0,5 0,53/3,3 4,5 - - -
Харовые водоросли 93,9 0 0,35/2,1 1,6 2,04
Данные табл. 3 свидетельствуют, что в исследуемых образцах влажных пресноводных растений содержание воды составляет 80,5-94,2 % при низком содержании растворимых в эфире веществ - 0,5 % и углеводов: растворимых - 0,03-0,22 %, легкогидролизуемых - 0,08-0,5 %. Содержание минеральных веществ колеблется в зависимости от вида - 1,6—5,5 %. Следует отметить значительное содержание минеральных веществ во влажных нитчатых зеленых водорослях - 5,5 %, а также в рдесте пронзен-нолистном - 4,7 % и роголистнике мягколистном - 4,5 %.
Ранее было установлено, что значительные запасы морской травы зостеры приходятся на центральную часть Северного Каспия и на прибрежные зоны островов Кулалы и Морской, находящихся в территориальных водах Республики Казахстан. С учетом этих сведений изъятие проб зостеры осуществлялось на указанных территориях при помощи специалистов рыбоохранной инспекции Республики Казахстан. Были обследованы квадраты 296, 302, 303, 334, 335, 358 и 359. Экспедиция была соверше-
на в конце сентября, что совпало со временем усиления в море ветра. Большие заросли зостеры были сорваны с грунта штормовым ветром. При отсутствии ветра сорванные травы располагаются на поверхности воды с равномерной плотностью. При усилении ветра выбросы трав располагаются вдоль побережья островов Морской и Кулалы. Штормовые выбросы зостеры в отсутствие ветра (штиль) располагаются на поверхности воды с равномерной плотностью. Во время штормовых ветров выбросы зостеры располагаются вдоль побережья островов Кулалы и Морской.
Во время экспедиции по ходу судна были определены полосы шириной 2 м, общей протяженностью вдоль побережья 80 км и плотностью расположения штормовых выбросов растений 20-25 кг/м2. Простой математический расчет (80 000-2 м-20 кг) показывает, что только масса штормовых выбросов зостеры на поверхности воды, поддающаяся легкому изъятию и заготовке, составляет 3 200 т, не считая запасов растущей на глубинах от 0,5 до 2-3 м.
Соленость проб воды, отобранных у о. Морской в квадрате 335, составила 0,6 %.
Микробиологические исследования отобранных проб морской воды свидетельствуют о ее неблагополучном состоянии. Количество МАФАнМ в ней способно увеличиваться (1-2-107), возможно также размножение плесеней, дрожжей, что свидетельствует о влиянии отмирающих растений на экологию моря. Количество МАФАнМ в пробах зостеры составило 4-18^ 105, при этом были обнаружены плесени и дрожжи, что свидетельствует о необходимости быстрого сбора зостеры в качестве сырья для переработки с целью не допустить её полного разложения в морской воде.
В лабораторных условиях из влажной травы в количестве 45,5 кг получено 7,7 кг воздушно-сухой, используемой в виде полуфабриката для получения полисахарида - зостерина.
Были проанализированы также воздушно-сухие пробы водных растений, изъятые в авандельте и Северном Каспии (табл. 4).
Таблица 4
Сравнительная характеристика химических показателей воздушно-сухих водных растений Каспия
Объект Содержание, %
воды мине- ральных веществ эфиро- раство- римых веществ пектино- вых веществ азотистых веществ (ОА х 6,25) клетчат- ки углеводов
раство- римых легко- гидроли- зуемых
Рдест гребенчатый 10,3-11,5 16,0-16,3 1,3 ± 0,02 19,4-20,6 10,2-10,7 24,5 ± 0,7 4,7 ± 0,8 5 ± 0,8
Рдест прон-зеннолистный 9,9-10 16,5-17,0 1,4 ± 0,02 18,8-20,1 10,6-10,9 25 ± 0,7 1 ± 0,27 2,3 ± 0,1
Зостера каспийская 17,1-17,5 13,0-13,7 2,1 ± 0,01 30,7-32,3 7,9-8,2 16,2 ±0,36 0,3-0,4 3-4
Проанализированные пробы растений отличаются содержанием остаточной воды в тканях после сушки в условиях окружающей среды.
В растениях авандельты остаточное количество воды составляет 9-11,5 %, в то время как равновесная влажность морской травы (зостеры) - 17,1-17,5 %. Кроме того, в пресноводных растениях авандельты содержится больше минеральных веществ - 16-17 % и в 2 раза меньше эфирорастворимых.
Следует отметить, что клетчатки в пресноводных водорослях содержится больше - 25 %, чем в зостере - 16,2 %. Во всех исследуемых образцах обнаружено большое количество легкогидролизуемых углеводов, в отличие от растворимых, которых в зостере содержится в 10 раз меньше -
0,3-0,4 %, чем в рдестах - 1-4,7 %.
Содержание пектиновых веществ в зостере составило 30,7-32,3 %. Большое значение имеет наличие пектиновых веществ в рдестах: гребенчатом - 19,4-20,6 и пронзеннолистном - 18,8-20,1 %. Это также позволяет считать пресноводные водоросли перспективным сырьем для получения пектиновых веществ, которые являются ценными продуктами, используемыми в пищевой, микробиологической и медицинской промышленности.
Для того чтобы установить возможность получения пектиновых веществ (полисахаридов), на зостере была апробирована технология, суть которой состояла в извлечении пектиновых веществ из морской травы щавелевокислым аммонием с последующей обработкой полученного экстракта этиловым спиртом.
Основными технологическими операциями схемы являются: обработка зостеры 3 %-м раствором соляной кислоты, 3-стадийная экстракция 1 %-м раствором оксалата аммония, упаривание экстрактов, обработка упаренных экстрактов спиртом и сушка полученных пектиновых веществ.
Обработка 3 %-м подогретым до 50 °С раствором соляной кислоты осуществляется при гидромодуле 1:10 в течение 3-х часов для снижения прочности клеточной оболочки. Затем кислые воды сливают и набухшую зостеру промывают пресной водой до нейтральной среды (рН 7). Промывными водами разбавляют кислые воды перед сбросом их в канализацию. Отжатую (отпрессованную) зостеру направляют на 3-стадийную экстракцию, последовательно уменьшая гидромодуль. Первую экстракцию осуществляли при гидромодуле 1:40 и температуре 75 °С в течение 3-х часов. Затем экстракт от травяного остатка отделяли фильтрованием, заливали его 1 %-м раствором оксалата аммония в соотношении 1:20 и проводили 2-ю стадию процесса при той же температуре и продолжительности. Травяной остаток после второй стадии экстракции заливали тем же экстрагентом в соотношении 1:10 и проводили 3-ю стадию аналогично первым двум. Отделенные экстракты подвергали упариванию до содержания сухих веществ в них не более 5,5 %, обрабатывали этиловым спиртом при гидромодуле 1:1 и отфильтровывали гелеобразующие вещества (зостерин-1, 2, 3). Пектиновые вещества высушивали при температуре 60 °С до равновесной влажности. По данной технологии был получен зостерат аммония, который может быть переведён в зостерин и зостерат натрия. В полученных продуктах были обнаружены примеси. На данном этапе задача исследований - найти способы очистки полисахаридов от примесей и установить их природу.
Выводы
1. Идентифицирован видовой состав водорослей и морских трав Волго-Каспия, показавший преобладание в водных растениях, произрастающих в авандельте Каспия, неидентифицированного вида, предварительно отнесённого к харовым водорослям, а в Северном Каспии - нитчатых зелёных водорослей.
2. В ходе научной экспедиции на Северном Каспии доказано наличие достаточных запасов морской травы зостеры и её штормовых выбросов -перспективного сырья для получения пектиновых веществ (зостерина).
3. Исследован химический состав водных растений авандельты Каспия. Выявлено, что содержание минеральных веществ колеблется в зависимости от вида - 1,6-5,5 %.
4. Получена сравнительная характеристика химических показателей воздушно-сухих водных растений Каспия. Содержание пектиновых веществ в зостере составило 30,7-32,3 %. Большое значение имеет наличие пектиновых веществ в рдестах: гребенчатом - 19,4-20,6 % и пронзенноли-стном - 18,8-20,1 %. Это также позволяет считать пресноводные водоросли перспективным сырьем для получения пектиновых веществ.
5. На морской траве зостере апробирована технология получения пектиновых веществ с применением щавелевокислого аммония и доказана возможность переработки водных растений Волго-Каспия.
СПИСОК ЛИТЕРА ТУРЫ
1. Касымов А. Г., Багиров Р. М. Биология современного Каспия. - Баку, 1983.
2. Забержинская Э. Б., Караева Н. И., Макарова И. В. История изучения водорослей Каспийского моря. Летопись науки в Азербайджане // Естествознание. -1969. - № 1. - С. 173-188.
3. Забержинская Э. Б. Флора водорослей-макрофитов Каспийского моря: Дис. ... канд. биол. наук. - Баку, 1968.
4. Зенкевич А. А. Моря СССР, их фауна и флора. - 2-е изд. - М.; Л.: Наука, 1956.
5. Зинова А. Д. Определитель зеленых, бурых и красных водорослей южных морей СССР. - М.; Л.: Наука, 1967.
6. Киреева М. С., Щапова Т. Ф. Материалы по систематическому составу и биомассе водорослей и высшей водной растительности Каспийского моря // Тр. Ин-та океанологии АН СССР. - Т. XXIII. Биологические исследования морей. - С. 125.
7. Зинова А. Д., Забержинская Э. Б. Новые виды красных водорослей Каспийского моря // Новости систематики низших растений. - Л.: Наука 1968. - С. 28-33.
8. Инструкция по санитарно-микробиологическому контролю производства пищевой продукции из рыбы и морских беспозвоночных. - Л.: Гипрорыб-флот, 1991.
9. Определитель пресноводных водорослей СССР. Харовые водоросли / Под ред. М. Ю. Голлербах, Л. К. Красавина. - Л.: Наука, 1983.
Получено 31.03.05
WATER PLANTS OF THE VOLGA-CASPIAN REGION AND THE OPPORTUNITY OF THEIR PROCESSING
M. D. Mukatova, A. V. Privezentsev, N. A. Kirichko,
R. R. Uteushev
Different species of water plants of the avandelta and the Northern Caspian Sea are researched, and their chemistry is also investigated in the paper. The comparative characteristic of chemical parameters of air-dry water plants of the Caspian Sea is given there. The fact of significant content of pectinaceous substances in zoster and pondweeds (pectinate and perfoliate) enables to consider fresh-water weeds as a promising raw for their getting. The technology of extraction polysaccharides with the application of ammonium oxalate on marine grass - zoster, taken from the Northern Caspian Sea is approved there.
