close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

100.Журнал Сибирского федерального университета. Сер. Биология №2 2008

код для вставкиСкачать
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Журнал Сибирского федерального университета
Journal of Siberian Federal University
2008
1 (2)
Биология
Biology
Редакционный совет
академик РАН Е.А.Ваганов
академик РАН К.С.Александров
академик РАН И.И.Гительзон
академик РАН В.Ф.Шабанов
чл.-к. РАН, д-р физ.-мат.наук
А.Г.Дегерменджи
чл.-к. РАН, д-р физ.-мат. наук
В.Л.Миронов
чл.-к. РАН, д-р техн. наук
Г.Л.Пашков
чл.-к. РАН, д-р физ.-мат. наук
В.В.Шайдуров
чл.-к. РАО, д-р физ.-мат. наук
В.С. Соколов
Editorial Advisory Board
Chairman:
Eugene A. Vaganov
Members:
Kirill S. Alexandrov
Josef J. Gitelzon
Vasily F. Shabanov
Andrey G. Degermendzhy
Valery L. Mironov
Gennady L. Pashkov
Vladimir V. Shaidurov
Veniamin S. Sokolov
Contents / СОДЕРЖАНИЕ
Denis Y. Rogozin and Andrey G. Degermendzhi
Hydraulically-operated Thin-layer Sampler for Sampling
Heterogeneous Water Columns
– 111 –
Natalia A. Tikhomirova, Sofya A. Ushakova,
Alexander A. Tikhomirov, Galina S. Kalacheva
and Jean-Bernard Gros
Salicornia europaea L. (fam. Chenopodiaceae) Plants as Possible Constituent of Bioregenerative Life Support Systems’ Phototrophic Link
– 118 –
Tatiana G. Volova, Sergei A. Gordeev
and Ekaterina I. Shishatskaya
Production of Oriented Fibers out of Poly(Hydroxybutyrate/
Hydroxyvalerate) Copolymers and Testing of Mechanical
Stability under Static and Cyclic Loads
– 126 –
Editorial Board:
Editor-in-Chief:
Mikhail I. Gladyshev
Founding Editor:
Vladimir I. Kolmakov
Anna S. Tarasova, Nadezhda S. Kudryasheva,
Elena S. Fedorova, Devard I. Stom
Bioluminescent Monitoring: Detoxification of Phenol Solutions
by Humic Substances and UV-irradiation
Managing Editor:
Olga F. Alexandrova
– 136 –
Executive Editor for Biology:
Nadezhda N.Sushchik
Компьютерная верстка И.В. Гревцовой
Подписано в печать 27.08.2008 г. Формат 19х27. Усл. печ. л. 7,7.
Уч.-изд. л. 7,5. Бумага тип. Печать офсетная. Тираж 1000 экз. Заказ 1/062.
Отпечатано в ИПК СФУ. 660041 Красноярск, пр. Свободный, 79.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Editorial board for Biology:
Sergey I. Bartsev
Alexander Y. Bolsunovsky
Tatiana G. Volova
Eugene S. Vysotski
Nikolai A. Gaevsky
Egor S. Zadereev
Valentina A. Kratasyuk
Elena N. Muratova
J. Woodland Hastings
Frank D. Salisbury
Malcolm K. Hughes
Ernst-Detlef Schulze
Akira Osawa
Takayoshi Koike
Marc D’Alarcao
Ольга П. Дубовская
Оценка количества мертвых особей рачкового зоопланктона в
водоеме с помощью окрашивания проб анилиновым голубым:
методические аспекты применения
– 145 –
Сергей И. Сиделев, Ольга В. Бабаназарова
Анализ связей пигментных и структурных характеристик
фитопланктона высокоэвтрофного озера
– 162 –
Review
Krasnoyarsk Water Reservoir: Monitoring, Biota, Water
Quality
Свидетельство о регистрации СМИ
ПИ № ФС77-28-725 от 29.06.2007 г.
– 178 –
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Denis Y. Rogozin and Andrey G. Degermendzhi. Hydraulically-operated Thin-layer Sampler for Sampling…
Journal of Siberian Federal University. Biology 2 (2008 1) 111-117
~~~
УДК 578.763
Hydraulically-operated Thin-layer Sampler for Sampling
Heterogeneous Water Columns
a
Denis Y. Rogozina,* and Andrey G. Degermendzhia,b
Institute of Biophysics, Siberian Branch of Russian Academy of Sciences,
Akademgorodok, Krasnoyarsk, 660036 Russia
b
Siberian Federal University,
79 Svobodny, Krasnoyarsk, 660041 Russia 1
Received 2.06.2008, received in revised form 25.08.2008, accepted 27.08.2008
A necessary condition for investigating microbial communities in chemocline zones of stratified
waterbodies is high-precision sampling at a depth resolution of several centimeters. We have modified a
multi-syringe sampler that is conventionally used by researchers for this purpose. The main distinctive
feature of our sampler is that plungers are operated hydraulically rather than pneumatically and, thus,
our sampler has the following advantages: (1) the plungers cannot move spontaneously, which ensures
sampling adequacy, especially in deep-water sampling; (2) filling of the syringes with the sample can
be monitored from a distance; (3) during storage, the internal volume of the syringe and the whole
hydraulic system is aseptic (if 70% ethanol is used as a working fluid), which is important if samples
are to be used for microbiological tests. (4) the problem of sticking plungers is minimized, even after
extended storage. Vertical sampling of the chemocline zones of meromictic lakes in Southern Siberia
(Russia, Khakasia) at a depth resolution of 5 cm proves that the sampler is very reliable and simple to
use.
Keywords: chemocline, microstratification, thin-layer sampler.
Introduction
In ecosystems of stratified waterbodies, a
considerable contribution to material and energy
fluxes is made by processes occurring in the
zones of sharp physicochemical gradients of
the water column, i.e. in the thermocline, the
chemocline, and the picnocline. Much research
has been done on planktonic communities and
processes in the gradient zones of stratified lakes
(e.g, Jorgensen et al., 1975; Overmann, 1997;
Tonolla et al., 2003; and many others), but the
structure and functions of these communities and
*
1
their ecological role in the waterbodies are still
underinvestigated. Moreover, stratified lakes are
invariably attractive to researchers as “natural
laboratories” in which different ecological niches
of plankton microorganisms are formed along such
physicochemical gradients as temperature, redox
conditions, salinity, density, etc. It is well known
that an adequate insight into biochemical processes
and biota in the gradient zones of small lakes can
only be provided by high-precision sampling at
a depth resolution of several centimeters. It was
reported that use of conventional samplers led to a
Corresponding author E-mail address: rogozin@ibp.ru
© Siberian Federal University. All rights reserved
– 111 –
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Denis Y. Rogozin and Andrey G. Degermendzhi. Hydraulically-operated Thin-layer Sampler for Sampling…
neglect of ecologically significant heterogeneities
in the distribution of plankton microorganisms
(Baker et al., 1985).
At the present time, the most frequently used
devices for high-precision sampling are various
modifications of the thin-layer pneumatic multisyringe sampler, which allows simultaneous
collection of samples at different depths at
intervals of 2-5 cm. This device was described in
detail by Baker et al. (1985). Similar devices are
successfully used to investigate stratified lakes
(e.g., Overmann, 1997; Tonolla et al., 2003).
In our opinion, however, employment
of pneumatic drive creates certain difficulties
during sampling. For instance, when the sampler
is submerged deep into the water, the air in the
pneumatic drive system is inevitably compressed
by the water column, which can force plungers
to be drawn out too early and, hence, lead to
inadequate sampling, particularly when it is
performed at considerable depths (below 10 m).
This compression can be compensated for by
pumping the air into the tubing while submerging
the device to the target depth, in order to maintain
enhanced internal pressure. This, however, can
only be done if all connections in the pneumatic
drive system are hermetically tight, which may
be not the case for samplers that have already
been used many times. Another difficulty may
arise during sample collection. To take a sample,
the researcher on board pumps the air out of the
tubing, rarefying the air to the extent necessary for
the plungers to be drawn out. If the movement of
a plunger is constrained due to its wear and tear
or misalignment, slight air rarefaction will not be
enough for the plunger to be drawn out. If more
air is pumped out to attain stronger rarefaction,
the tubing will be compressed by the surrounding
water and the plunger will not be able to move.
As a result, the jammed syringe will not take any
sample. To avoid these problems, we propose
our modification of the multi-syringe sampler
(Rogozin and Tolomeyev, 2005).
Construction details
As a prototype, we used the device described
by Baker et al. (1985), but we replaced the
pneumatic drive with the hydraulic one. Our
sampler is schematically shown in Figure 1.
The basis of the construction is the same row of
transparent plastic syringes. The plastic shafts of
the syringes are shortened, leaving only 1-3 cm
behind the rubber plunger, which can then move
up and down the barrel of syringe under the
influence of pressure (Baker et al., 1985). Each
syringe is fitted either with a rubber bung or, if
large syringes are used, a metal lid with rubber
encapsulation. Each bung or lid is fitted with a
tap, connected to manifold running the length of
the sampler.
The rear parts of the internal volumes of
all syringes are interconnected via the manifold,
which is tubing-connected to the pump held by
the researcher on board (not shown in the picture).
The whole of the internal volume of the tubing,
manifold, and rear parts of the syringes is filled
with the working fluid, which serves to transmit
the hydraulic pressure to the syringe plungers. In
order to collect a sample, the device is submerged
to a target depth and, then, the working fluid is
pumped out to reduce the pressure in the hydraulic
circuit. The plungers of all syringes are drawn out
(in the same way as in the pneumatically operated
sampler) and the lake water is sucked into the
front parts of the syringes through the nozzles.
In our modification we use 20 150-ml plastic
disposable medical syringes (Janet’s syringes,
Tyumen, Russia) with shortened shafts and fitted
with metal lids with rubber encapsulations; the
distance between the nozzles is 5 cm (Fig. 1). All
the metal details are made of stainless steel and
titanium (Institute of Biophysics SB RAS).
– 112 –
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Denis Y. Rogozin and Andrey G. Degermendzhi. Hydraulically-operated Thin-layer Sampler for Sampling…
rubber
encapsulation
metal cord
metal rod
plastic
syringe
working
fluid
4 cm
sample
tubing
metal lid
silicone
tubes
rubber
plunger
shortened
shaft
T- connectors
105 cm
5 cm
19 cm
Figure
1. of hydraulically-operated thin-layer sampler
Fig.
1. Scheme
10
– 113 –
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Denis Y. Rogozin and Andrey G. Degermendzhi. Hydraulically-operated Thin-layer Sampler for Sampling…
Performance in the field
Hydrostatic water pressure depends on
the column height and density of the fluid and
does not depend on the volume and shape of the
water column. This phenomenon is known as the
“hydrostatic paradox”. Hence, in our case, the
hydrostatic pressure of the working fluid column
on the plunger in the rear part of the syringe is equal
to the hydrostatic pressure of the lake water on the
same plunger at the nozzle side. Thus, plungers
cannot possibly be drawn out spontaneously, to
whatever depth the device is submerged. Hence,
our device can sample rather deep water layers,
where the pneumatically operated sampler can
hardly be used. The pressures are still slightly
different due to differences in densities of the
working fluid and the lake water and because the
pump is installed on board, somewhat higher than
the level of the lake surface. But our experience
proved that the pressure difference is negligibly
small and does not create any sampling-related
difficulties.
The working fluid can be water, but we prefer
to use a 50 – 70% ethanol. Firstly, this prevents the
hydraulic system from freezing when the device is
transported to the sampling position at below-zero
(°C) temperatures. Secondly, this is a protective
factor against bio-fouling of the internal volumes
of the syringes and the hydraulic system, which is
important during extended storage. Interestingly,
the authors of the pneumatic prototype advise
storing the sampler full of water, to minimize the
problem of sticking plungers (Baker et al., 1985).
Our sampler is always full of liquid and, so, the
probability of sticking is naturally low. Experience
shows that alcohol solution does not significantly
decrease the smoothness of plungers’ movement
if one uses standard plastic medical syringes with
rubber-tipped plungers. There is no need to apply
any lubricant to the plungers.
Immediately after the sample is collected
and the device is taken out of the water, we put
a hermetic rubber cap on the nozzle of every
syringe, to prevent samples from contacting
the environment. As a rule, samples should be
expelled out of syringes one at a time, in any order.
To take out a sample, one should simply remove
the nozzle cap of a selected syringe and then
pump the working fluid back into the hydraulic
system through the tubing using the same (or
another) pump. So, each time, only the plunger
of the open-nozzle syringe will move. When all
samples are expelled, the plungers of all syringes
are fully depressed; the syringes are then filled
with the working fluid, and the sampler is ready
to be used again.
Experience shows that ingress of a small
amount of air into the hydraulic circuit does not
affect the operation of the sampler. Moreover,
during sampling, air bubbles that have accidentally
entered the system (e.g., with the pumped-in
working fluid) move upward in the tubing, tending
to surface, and gradually leave the system together
with the pumped-out fluid. Another important
advantage of the hydraulically-operated sampler
is that the volume of the pumped-out working
fluid is always equal to the volume of the collected
water. Hence, based on the volume of the working
fluid pumped out during sampling, the researcher
on board can always deduce how many syringes
have been filled with the water. This will prevent
lifting the sampler before all the syringes are filled
with the water if, for some reason, the plungers of
one or several syringes move too slowly.
As a pump, we use a 150-ml medical syringe
(Janet’s syringe, Tyumen, Russia) . The volume
of the working fluid to be pumped out (in) during
sample collection (extraction) is larger than the
volume of the syringe and we have to disconnect
the syringe from time to time to expel or take in the
working fluid. When the syringe is disconnected,
we prevent the working fluid from flowing
– 114 –
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Denis Y. Rogozin and Andrey G. Degermendzhi. Hydraulically-operated Thin-layer Sampler for Sampling…
out and/or the air from entering the system by
hand-bending the tubing 180 degrees. Using the
syringe rather than the pump makes the sampling
procedure just slightly longer, but the reliability
of the sampler is increased significantly and we
avoid technical difficulties related to usage of the
pump in the field conditions.
Examples of data collected with
hydraulically-operated multi-syringe sampler
We use this sampler to study the structure
of planktonic microbial communities in the
chemocline regions of meromictic lakes. As an
example of the data obtained using our sampler, we
show the vertical distributions of physicochemical
properties of the water and abundance of
phototrophic bacteria in Lake Shunet, which
is situated in the south of Siberia (Khakassia,
Russia) (Fig. 2). Mineral content of the water
in this lake is distributed very non-uniformly in
the water column, which causes sharp gradients
of physicochemical properties of the water in
the chemocline region and leads to considerable
accumulation of sulfide in the monimolimnion.
The chemocline zone of this lake is rather close
to the surface (about 5 m down) and, thus, there
is enough light there for phototrophic anoxic
bacteria to develop abundantly.
Pigment analysis and direct counts using
reflected-light microscopy revealed steady
microstratification of purple and green sulfur
bacteria, which persists in the chemocline of this
Purple Sulfur Bacteria, 106(A), 107(B) cell ml-1;
Green Sulfur Bacteria, 106 cell ml-1;
Oxygen, mg l-1
0
4
8
0
12
4
8
A
4,8
Depth, m
12
4,6
4,6
B
4,8
March 2005
July 2005
5,0
5,0
5,2
5,2
5,4
5,4
0
50
100
150
0
100
200
300
400
500
Sulfide, mg l-1;
Conductivity, mS cm-1;
Turbidity, FTU;
Fig. 2. Vertical profiles of phototrophic sulfur bacteria and physicochemical characteristics in chemocline zone
Figure 2.
of Shunet Lake (South Siberia, Russia). Profiles of bacterial abundance and sulfide were obtained from samples
taken with hydraulically-operated thin-layer sampler shown in Fig.1. Oxygen, conductivity and turbidity profiles
were obtained with submersible multi-channel probe (Hydrolab, Austin, Texas, USA)
– 115 –
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Denis Y. Rogozin and Andrey G. Degermendzhi. Hydraulically-operated Thin-layer Sampler for Sampling…
lake throughout the year, even under ice (Fig. 2a).
The number of phototrophic bacteria in Fig. 2 are
expressed as mean ± SE.
Throughout the year, green sulfur bacteria
(GSB) form a numerical peak a few centimeters
below the numerical peak of purple sulfur
bacteria (PSB) (Fig. 2). The PSB numerical peaks
were found at the same depth as turbidity peaks,
registered independently, using a submersible
multi-channel probe (Hydrolab DATA Sonde 4,
Austin, Texas, USA) (Fig. 2). In summer, PSB
formed a “purple” layer about 5 cm thick in the
chemocline of Lake Shunet; this layer was visible
to the eye in one or two syringes of our sampler.
The PSB abundance in that layer was extremely
high – about 108 cell ml-1. So far, a similarly
high abundance of PSB has only been reported
for the chemocline of Lake Mahoney (Canada)
(Overmann, 1997).
Evidently, the numerical profiles shown
in Figure 2 would be undetected by a wider
sampling interval. Microstratification of phyto-,
bacterio-, and protozooplankton occurring in the
regions of sharp gradients of physicochemical
conditions in the water column of stratified lakes
can only be registered by precision sampling.
The best depth resolution can be obtained using
multi-syringe samplers, both pneumatic (e.g.,
described by Baker et al., 1985) and hydraulicallyoperated ones, such as the sampler proposed in
this paper. An alternative to precision sampling
is pumping, which is also frequently used in
studies of stratified lakes (e.g., Jorgensen et al.,
1979). However, A.L. Baker and his coauthors
(1985) showed experimentally in stratified
aquaria that pumping yields lower resolution than
multi-syringe samplers, as the flow rate and the
large total volume extracted with the pumping
inevitably leads to disturbance of layering.
Conclusion
Thus, our sampler has the following
advantages over the well-known thin-layer
pneumatic multi-syringe samplers:
1. the plungers cannot move spontaneously,
which ensures sampling adequacy, especially in
deep-water sampling (deeper than 10 m);
2. filling of the syringes with the sample
can be monitored from a distance;
3. during storage, the internal volume of
the syringe and the whole hydraulic system is
aseptic (if 70% ethanol is used as a working fluid),
which is important if samples are to be used for
microbiological tests.
4. the problem of sticking plungers is
minimized, even after extended storage.
The proposed sampler is very reliable. We
have used the modification shown in Fig. 1 for
five years to investigate the micro-stratification
of microbial communities in the chemocline
zones of the meromictic lakes Shira and Shunet
(Russia, Southern Siberia) (Rogozin et al., 2005)
and a number of other stratified waterbodies. The
operation of the samplers has been faultless and
no technical service has been provided.
Acknowledgements
We thank Dr. A.P. Tolomeyev for assistance in preparing drawings of the sampler units and Dr.
D.B. Kosolapov for useful discussions. We also thank M.M. Satarov for making the metal components
of the device. This work was partly supported by the Russian Foundation for Basic Research, Grant
05-05-89002, by Joint Grant No. 07-04-96801 of Krasnoyarsk Regional Scientific Foundation and
Russian Foundation for Basic Research, by the Netherlands Organization for Scientific Research, Grant
047.011.2004.030, by award No. PG07-002-1 of the Ministry of Education and Sciences of Russian
– 116 –
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Denis Y. Rogozin and Andrey G. Degermendzhi. Hydraulically-operated Thin-layer Sampler for Sampling…
Federation and U.S. Civilian Research & Development Foundation for the Independent States of the
Former Soviet Union (CRDF), and by Siberian Branch of Russian Academy of Sciences, Integrative
Project No. 24.
References
Baker A.L., Baker K.K., Tyler P.A. (1985) A family of pneumatically-operated thin layer samplers
for replicate sampling of heterogeneous water columns. Hydrobiologia 122: 207-211.
Jorgensen B.B., Kuenen J.G., Cohen Y. (1979) Microbial transformations of sulfur compounds in
a stratified lake (Solar Lake, Sinai). Limnol. Oceanogr 24: 799-822.
Overmann J. (1997) Mahoney Lake: a case study of the ecological significance of phototrophic
sulfur bacteria. In: Jones J.G., (ed.) Advance in microbial ecology, Vol. 15, Plenum Press, New York,
p. 251-288.
Rogozin D.Y., Pimenov N.V., Kosolapov D.B., Chan’kovskaya Y.V., Degermendzhy A.G. (2005)
Thin-layer vertical distributions of purple sulfur bacteria in chemocline zones of meromictic Lakes
Shira and Shunet (Khakassia). Doklady Biological Sciences 400: 54-56. (Translated from Doklady
Akademii Nauk (2005) 400: 426-429).
Rogozin D.Y., Tolomeyev A.P. (2005) Stratifikatsionnyi batometr vysokogo razresheniya s
gidravlicheskim upravleniyem. (High-performance stratification sampler with hydraulic remote control).
RF patent No. 2244282, 25 March 2003 (In Russian).
Tonolla M., Peduzzi S., Hahn D., Peduzzi R. (2003) Spatio-temporal distribution of phototrophic
sulfur bacteria in the chemocline of meromictic Lake Cadagno (Switzerland). FEMS. Microbiol. Ecol.
43: 89-98.
– 117 –
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Natalia A. Tikhomirova, Sofya A. Ushakova… Salicornia europaea L. (fam. Chenopodiaceae) Plants as Possible…
Journal of Siberian Federal University. Biology 2 (2008 1) 118-125
~~~
УДК 577
Salicornia europaea L. (fam. Chenopodiaceae) Plants
as Possible Constituent of Bioregenerative Life
Support Systems’ Phototrophic Link
Natalia A. Tikhomirovaa,*, Sofya A. Ushakovaa,
Alexander A. Tikhomirov , Galina S. Kalachevaa and Jean-Bernard Grosb
a
Institute of Biophysics of Siberian Branch of Russian Academy of Sciences,
Akademgorodok, Krasnoyarsk, 660036 Russia
b
LGCB, Universiteґ B. Pascal, CUST, BP206, 63174 Aubie`re Cedex, France 1
a
Received 2.06.2008, received in revised form 25.08.2008, accepted 27.08.2008
The work is devoted to investigation of productivity, biochemical and mineral composition of Salicornia
europaea grown under intensive light culture conditions as applied to bioregenerative life support
systems (BLSS). Furthermore influence of amide form of nitrogen on plants growth is investigated in
the work. Biochemical composition of the Salicornia europaea edible part showed that raw protein was
contained in the highest degree. The water-soluble sugars content and the polysaccharides number
(except cellulose) were not high in the Salicornia europaea edible part. It was shown that the plants
lipids are characterized by a high unsaturation degree mainly due to alpha linolenic and linoleic acids.
Nitrogen nutrition form did not significantly affect the Salicornia europaea productivity. Sodium and its
concentrations predominated in the plants mineral composition. Hence Salicornia europaea vegetable
plants not only contribute to involvement of sodium chloride in BLSS matter turnover, but also can be
the source of several biochemical substances and essential fatty acids for a human.
Keywords: BLSS; mineral nutrition; NaCl matter turnover; Salicornia europaea.
Introduction
One of the most important problems in
perfecting of matter turnover processes in
bioregenerative life support systems (BLSS)
appears to be creation of technologies providing
control and operation of human wastes including
NaCl. The halophytes use seems to be one of
possible solutions of this problem, in particular the
Salicornia europaea plants, capable to accumulate
NaCl in aboveground part in considerable
quantity (Balnokin, 2005), at the same time the
*
1
aboveground part of this plant is fully edible
(Ipatiev, 1966).
Our previous works showed that the given
plants species utilized sodium chloride in rather
high concentrations, used urea as the basic
form of nitrogen nutrition and was capable
to grow under high concentrations of mineral
elements in solutions equivalent to the elements
concentrations in the human urine practically
without productivity decrease (Tikhomirov, et al.,
2005, 2005b; Tikhomirova et al., 2005; Ushakova
et al., 2005; Ushakova et al., 2006). However there
Corresponding author E-mail address: ubflab@ibp.ru
© Siberian Federal University. All rights reserved
– 118 –
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Natalia A. Tikhomirova, Sofya A. Ushakova… Salicornia europaea L. (fam. Chenopodiaceae) Plants as Possible…
is no reference data on biochemical composition
of Salicornia europaea and especially on its
edible part biochemical composition grown under
intensive light culture. The most specific higher
plants function in BLSS, which at present cannot
be substituted by physicochemical processes,
appears to be the biosynthesis of a wide spectrum
of nutritive substances necessary for a human.
In this connection the object of the given work
was investigation of the Salicornia europaea
productivity, biochemical and mineral composition
when grown under close to BLSS vegetative
component conditions (Lisovsky, Shilenko,
1979). As use of human urine after its preliminary
physicochemical processing is supposed to be the
mineral solution basis for the Salicornia europaea
cultivation, it is important to clear up the effect
of reduced nitrogen on accumulation of main
biochemical matters in Salicornia europaea,
necessary for the human diet.
Methods
Salicornia europaea was grown in artificial
conditions in a vegetative, plant growth chamber at
the normal ambient CO2 concentration of - 0.034%
(340 ppm). Air temperature was maintained at the
level of 24ºC, illumination was continuous. Air
relative humidity was 60–70%. The Arc watercooled xenon lamps DKsTV-6000 served as the
source of light. Light intensity compounded 690
µmol/(m2s) of photosynthetically active radiation
(PAR).
Procedure of planting stock obtaining is
described in our work (Ushakova et al., 2006).
Later on the plants were hydroponically grown by
the method of water culture in standard stainless
steel containers with the nutrient solutions. The
modified Tokarev solution (Koval and Shamanin,
1999) containing nitrogen in the form of urea,
and the modified Knop solution (Koval and
Shamanin, 1999) with nitrate form of nitrogen
were used as the nutrient solutions. Modification
of the Tokarev solution and the Knop solution was
carried out on potassium, concentration of that
element in the modified solutions was 168 mg/l
(Knop solution) and 166 mg/l (Tokarev solution).
NaCl concentration in all variants corresponded
to concentration of sodium chloride in the human
urine and totaled 10 g/l. A total of 1.7 mg/l of
trace elements and 2.4 mg/l of iron citrate were
added into the solutions (Koval and Shamanin,
1999). The solutions were aerated with air.
Volume of nutrient solutions was maintained at
the level of 4.5 l per growth container. Six plants
were placed in each container and the area of the
growth container made up 0.032 m2. The duration
of plants vegetation totaled 35 days beginning
from the plants replanting under the conditions of
continuous growth.
The condition of the plants state was
estimated by mass of fresh and dry plants matter,
mineral and biochemical plants composition.
Plant mineral composition was determined by the
following methods: K and Na were measured by
flame photometry, Ca and Mg were recorded by
atomic absorption spectroscopy, N was measured
photocolorimetrically by the Kjeldahl method,
P was determined photocolorimetrically, and S
was assessed by titrimetric analysis (Kalacheva
et al., 2002). The sodium chloride content was
calculated according to the chemical formula.
The methods and conditions of lipids and
fatty acids analysis were described in detail in
the works (Keits, 1975; Kalacheva et al., 2001).
Analysis of methyl ethers of fatty acids was
carried out using gas chromatograph with mass
spectrometric detecting device (GCD Plus,
“Hewlett-Packard”, USA).
The content of crude protein in vegetative
material was estimated by multiplication of
nitrogen quantity on generally accepted for green
biomass coefficient 6.25 (Pleshkov, 1976).
Carbohydrates analysis was conducted using
the following methods: the carbohydrates’ amount
– 119 –
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Natalia A. Tikhomirova, Sofya A. Ushakova… Salicornia europaea L. (fam. Chenopodiaceae) Plants as Possible…
was determined by hydrolysis with hydrochloric
acid and the consequent defining of ordinary sugars
by the iodometric method with a copper-alkaline
reagent (Pochinok, 1976), the cellulose hydrolysis
up to sugars was performed by sulphuric acid with
the consequent determination by the iodometric
method with a copper-alkaline reagent (Pochinok,
1976).
In the tables and figures the data are
represented as arithmetic means of two
independent experiments each of them carried
out in five biological replication. Biological
replication represented measurements carried
out on the group of six plants of one container.
Difference reliability between two comparative
groups was estimated according to the Student’s
test. The critical value of the Student’s coefficient
(tst.) was estimated according to the number of
freedom degrees for 95 % level of significance
(α=0,95) (Lakin, 1973). The difference of
comparative groups was considered to be reliable
at P<0.05.
Results and Discussion
In the result of Salicornia europaea growing
in the conditions close to the optimal conditions
for plants growth in BLSS “BIOS-3” (Lisovsky,
Shilenko, 1979), it was shown that the plants
growth did not depend on the form of nitrogen
nutrition, and was practically equal in all plants
investigated (Table 1). These data once more
confirm our previous researches in the result of
which it was shown that Salicornia europaea
plants could grow on mediums containing
nitrogen both in nitrate and amide forms and had
practically similar productivity (Tikhomirova et
al., 2005; Ushakova et al., 2006).
Analysis of the plants mineral composition
showed that nitrogen nutrition forms used did not
significantly influence the Na and K content in
saltwort plants as well as the total nitrogen content
in plants roots (Fig.1a, 1b). The nitrogen number
was higher in the aboveground plants’ organs
grown under amide nutrition in comparison with
those grown under nitrate nutrition. Very likely
this result was concerned with more intense
nitrogen absorption by saltwort in amide form in
comparison with nitrate nitrogen. Here the saltwort
accumulated sodium in the biggest quantity and
the amount of this element was in 2.5 times higher
in comparison with the potassium quantity. The
basic biogenic elements content in the plants of
the variants under study was practically identical
and considerably lower in comparison with the
sodium, potassium and nitrogen contents.
Our data well agree with the halophytes
physiological peculiar properties described earlier
and demonstrate primary Na+ ions accumulation
in the aboveground plants organs and the lower
Na+ ions content in roots owing to sodium ions
contained in nutrient solution passed as “transit”
to the aboveground organs (Kurkova et al., 1992;
Amor et al., 2005).
Biochemical composition analysis of the
Salicornia europaea plants grown on solutions
with nitrogen in carbamide form showed that
both in the plants aboveground organs and the
roots there was insignificant and approximately
equal amount of water-soluble carbohydrates
(Fig.2a, 2b). Total polysaccharides amount
Table 1. Mass of the Salicornia europaea plants grown on nutrient solutions with different forms of nitrogen
Variant
Mass of aboveground part of one plant, g
fresh
dry
Water content of
aboveground part, %
Dry root weight of
one plant, g
NO3ˉ
99.4
±
5.0
8.5
±
0.6
91.5
±
0.3
1.2
±
0.1
CO(NH2)2
118.9
±
12.1
8.7
±
0.7
92.4
±
0.4
1.3
±
0.1
– 120 –
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Natalia A. Tikhomirova, Sofya A. Ushakova… Salicornia europaea L. (fam. Chenopodiaceae) Plants as Possible…
Fig.1. Mineral composition of the Salicornia europaea plants (% per dry weight) grown on nutrient solutions
with different forms of nitrogen: a - mineral composition of plants shoots; b – mineral composition of plants roots
(except cellulose) in plants was more than other
carbohydrates quantity. Here in plants roots there
were in 2.4 times more compound carbohydrates
in comparison with the aboveground organs.
Apparently these differences were connected to
a bigger amount of hemicellulose in the roots
in comparison with the aboveground organs, as
roots in 7.3 times higher than the water-soluble
carbohydrates amount.
Crude protein was found in the biggest
amount in biochemical composition of the
Salicornia europaea plants, the quantity of which
appeared to be 21.5-24 % calculating on dry
weight. Here there was practically equal amount
far as we visually observed some lignifications
of the aboveground plants organs. The relative
cellulose amount was also not high, however
in the aboveground part in 4.3 times and in the
of this matter both in the aboveground organs and
the roots (Fig.2a, 2b).
The lipids content in the aboveground organs
was approximately equal to the polysaccharides
– 121 –
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Natalia A. Tikhomirova, Sofya A. Ushakova… Salicornia europaea L. (fam. Chenopodiaceae) Plants as Possible…
Fig.2. Biochemical composition of the Salicornia europaea plants (% per dry weight) grown on nutrient solutions
with different forms of nitrogen: a – biochemical composition of plants shoots; b – biochemical composition
of plants roots
content (except cellulose) (Fig.2a). However the
lipids content in the roots was on 48 % lower than
in the aboveground part (Fig.2a, 2b).
Under plants growing on the solutions with
nitrate nitrogen the amount of water-soluble
carbohydrates in the aboveground organs and the
roots was the same as in the variant with amide
nitrogen (Fig.2a, 2b). The nitrogen nutrition form
did not affect the total amount of polysaccharides
without cellulose in the aboveground plants
organs, and the content of these substances in
the plants grown under nitrate nutrition was also
higher than the other carbohydrates quantity
(Fig.2a). In the roots of the plants grown on the
solutions with nitrate nitrogen the polysaccharides
content without cellulose was on 20 % lower than
in the plants grown on amide nitrogen nutrition
(Fig.2b). Relative cellulose content was also not
high; however the plants grown on solutions with
nitrogen in nitrate form contained cellulose in the
aboveground part on 34 % and in the roots on 52
– 122 –
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Natalia A. Tikhomirova, Sofya A. Ushakova… Salicornia europaea L. (fam. Chenopodiaceae) Plants as Possible…
Fig.3. Content of basic fatty acids in Salicornia europaea plants (% from total) grown on nutrient solutions with
different forms of nitrogen: a - basic fatty acids in plants shoots; b - basic fatty acids in plants roots
% less than the plants grown on the solutions with
nitrogen in carbamide form.
Out of dependency on the nitrogen nutrition
form the lipid content in the aboveground plants
organs was practically identical (Fig.2a). The
percentage lipids amount in the plants roots
grown on the solutions with nitrate nitrogen was
slightly higher than in the variant with amide form
of nitrogen (Fig.2b).
In the plants aboveground organs and the roots
when grown under nitrate nutrition the content of
crude protein was also high, however less on 36 %
and 24 % correspondingly in comparison with the
plants grown on solutions with carbamide form of
nitrogen.
The basic factor of fat quality appears to
be fatty-acid composition (Lisovsky, Shilenko,
1979). Analysis of fatty-acid composition showed
that the Salicornia europaea plants contained 24
fatty acids, however in fair quantity (more than 5 %
from total amount) only 4 fatty acids were present
(Fig.3a, 3b). Saltwort fats were characterized
by a high degree of unsaturation mainly for the
sake of alpha-linolenic and linoleic acids. In the
aboveground part of the Salicornia europaea
plants about 50 % of alpha-linolenic and 22 % of
linoleic acids from the total sum indispensable for
– 123 –
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Natalia A. Tikhomirova, Sofya A. Ushakova… Salicornia europaea L. (fam. Chenopodiaceae) Plants as Possible…
a human were accumulated (Fig.3a) (Goodwin,
Mercer, 1986). Besides the content of palmitic
acid typical for the majority of higher plants was
considerable and appeared to be about 18 % in
the aboveground part and 28 % in the roots from
total amount of fatty acids. Oleic acid related to
the basic acids of higher plants was found in less
quantity.
Conclusion
The investigation carried out demonstrated
that in biochemical composition of the saltwort
edible part the crude protein was found in the
highest degree. Here the content of crude protein
and cellulose in plants grown on solutions with
amide nitrogen was higher than in plants grown
on solutions with nitrate nitrogen. The form of
nitrogen nutrition did not considerably influence
the content of other biochemical substances in
saltwort plants. In spite of the lipids content in
saltwort plants was relatively low it was shown
that the plants fats were characterized by a high
degree of unsaturation mainly, owing to alpha-
linolenic and linoleic acids. Our investigations
showed that according to nutritive value the
edible biomass of the Salicornia europaea plants
grown on the solutions with urea addition was
highly competitive with the plants biomass grown
on nitrate nutrition.
The forms of nitrogen nutrition under
study did not influence the Salicornia europaea
productivity, and from the area of 0.032 m2 it was
gathered from 51 g (nitrate nutrition) to 51.6 g
(amide nutrition) of edible dry biomass. Here in
edible plants biomass depending on nitrogen form
accumulated from 10.7g (amide nutrition) to 11.7
g (nitrate nutrition) NaCl on 0.032 m2.
Thus being vegetables Salicornia europaea
plants can serve as the source of several biochemical
substances and fatty acids indispensable for a
human. Here the nitrogen source can be compounds
containing it both in nitrate and reduced forms.
That considerably simplifies the technologies
choice of the Salicornia europaea growing under
its inclusion in the BLSS higher plants unit.
Acknowledgements
The work was conducted under support of INTAS grant # 05-1000008-8010 and the project # 5.16
of SB RAS.
References
Amor N.B., Hamed K.B., Debez A., Grignon C., Abdelly Ch. (2005) Physiological and antioxidant
responses of the perennial halophyte Chrithmum maritimum to salinity. Plant Sci. 168: 889-899.
Balnokin Yu. V. (2005) Rasteniya v usloviyah stressa (Plants in stress conditions) In: Yermakov
I.P. (ed.) Phiziologiya rastenii (Plant physiology). Academy, Мoscow, p. 510-587 (in Russian).
Goodwin T.W., Mercer E.I. (1986) Vvedenie v biochimiyu rastenii (Introduction to plant
biochemistry), vol. 1. Mir, Moscow, 393 p. (in Russian).
Ipatiev A.N. (1966) Ovoshchnyye Rasteniya Zemnogo Shara (Vegetable plants of the Earth),
Vysheishaya shkola, Minsk, Byelorussia, 384 p. (in Russian).
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.
Каlacheva G.S., Zhila N.О., Volova Т.G. (2001) The Botryococcus green algae’s lipids in the
course of phasic development in a periodic cell culture. Microbiology 70: 305-312. (in Russian).
– 124 –
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Natalia A. Tikhomirova, Sofya A. Ushakova… Salicornia europaea L. (fam. Chenopodiaceae) Plants as Possible…
Keits М. (1975) Tekhnika lipidologii. Vydelenie, analyz i identifikatsiya lipidov (Technique of
lipidology. Lipids’ isolation, analysis and identification). Mir, Мoscow, 305 p. (in Russian).
Koval S.F., Shamanin V.P. (1999) Rastenie v opyte (Plant in experiment). OmSAU, Omsk, 204
p. (in Russian).
Kurkova Ye.B., Balnokin Yu.V., Myasoyedov N.А. (1992) Some properties of cells ultra structure
and Na+ and Cl- accumulation in the Petrosimonia triandra halophytes’ tissues. Fiziologiya Rastenii
(Russian Journal of Plant Physiology) 39: 32-39.
Lakin G.F. (1973) Biometriya (Biometry). Vysshaya shkola, Moscow, 344 p. (in Russian).
Lisovsky G.M., Shilenko M.P. (1979) Vybor strukturyi i usloviy funktsionirovaniya zvena
“vysshiye resteniya” (Choice of a structure and functioning conditions of the “higher plants” link). In:
Lisovsky G.M. (ed.), Zamknutaya sistema chelovek-vysshiye rasteniya (Humans-higher plants closed
system). Nauka, Novosibirsk, 160 p. (in Russian).
Pleshkov B.P. (1976) Praktikum po biokhimii rastenii (Practical work on plant biochemistry).
Kolos, Moscow, 256 p. (in Russian).
Pochinok Kh.N. (1976) Metody biochimicheskogo analyza rasteniy (Methods of plants’
biochemical analysis). Naukova Dumka, Kiyev, 334 p. (in Russian).
Tikhomirov A.A., Ushakova S.A., Kudenko Yu.A., Kovaleva N.P., Zolotukhin I.G., Tikhomirova
N.A., Velichko V.V., Gros J.B., Lasseur Ch.. (2005a) Evaluation of the possibility of using human
and plant wastes in bioregenerative life support systems. Technical paper 2005-01-2981, SAE
International.
Tikhomirov A.A., Ushakova S.A., Kovaleva N.P., Kudenko Yu.A., Zolotukhin I.G., Tikhomirova
N.A., Velichko V.V. (2005b) Some ways of waste utilization for a bioregenerative life support system.
In: Proceedings of the International Symposium on Closed Habitation Experiments and Material
Circulation Technology. Japan, p. 210-213.
Tikhomirova N.A., Ushakova S.A., Kovaleva N.P., Gribovskaya I.V., Tikhomirov A.A. (2005)
Influence of high concentrations of mineral salts on production process and NaCl accumulation by
Salicornia europaea plants as a constituent of the LSS phototroph link. Adv. Space Res. 35: 15891593.
Ushakova S.A., Kovaleva N.P., Gribovskaya I.V., Dolgushev V.A.and Tikhomirova N.A. (2005)
Effect of NaCl concentration on productivity and mineral composition of Salicornia europaea as a
potential crop for utilization NaCl in LSS. Adv. Space Res. 36: 1349-1353.
Ushakova S.A., Kovaleva N.P., Tikhomirova N.A., Gribovskaya I.V., Kolmakova A.A. (2006)
Effect of photosynthetically active radiation, salinization, and type of nitrogen nutrition on growth of
Salicornia europaea plants. Russian Journal of Plant Physiology 53: 886-894.
– 125 –
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Tatiana G. Volova, Sergei A. Gordeev and Ekaterina I. Shishatskaya. Production of Oriented Fibers out of…
Journal of Siberian Federal University. Biology 2 (2008 1) 126-135
~~~
УДК 579.8.017.735
Production of Oriented Fibers out of
Poly(Hydroxybutyrate/Hydroxyvalerate) Copolymers
and Testing of Mechanical Stability under Static and Cyclic Loads
Tatiana G. Volovaa,b,*, Sergei A. Gordeevc
and Ekaterina I. Shishatskayaa
a
Institute of Biophysics of Siberian Branch of Russian Academy of Sciences,
Akademgorodok, Krasnoyarsk, 660036 Russia
b
Siberian Federal University,
79 Svobodny, Krasnoyarsk, 660041 Russia
c
Department of Cardiac Surgery University of Glasgow,
10 Royal Infirmary, Alexandra Parade G3, UK 1
Received 2.06.2008, received in revised form 25.08.2008, accepted 27.08.2008
We investigated the process of production of oriented fibers by melt spinning of biodegradable
hydroxybutyrate and hydroxyvalerate (PHBV) copolymers. It was revealed that temperature has a
large effect on the stability of extrusion and quality of fibers, and the optimal paramter values were
found. We showed that the diameter of fibers and orientation degree depend on the spinning rate which
can vary in a wide range (from 2-3 to 40 m/min), not affecting the quality of fibers. We studied the
extensibility and deformability of fibers at different temperatures and found the conditions allowing to
produce fibers with the diameter of 0.17-0.20 mm with high mechanical characteristics (strength 306
MPa, elasticity modulus 3 GPa, elongation at break 24%), that were stable during the 3 month period
of observation. We obtained and analyzed extension curves on which three areas were fixed: linear
elasticity, visible deformation, totally nonreversible deformation, which is typical for the elongation
curves of polymer elastomers. It was stated that the produced fibers have high mechanical stability at
static and cyclic loading conditions (up to 100 MPa); in the area of linear elasticity the deformation of
fibers is practically totally reversible after 1000 cycles of loading.
Keywords: Polyhydroxyalkanoates, Processing, Fiber, Production, Properties.
Introduction
Polyhydroxyalkanoates
(PHA)
–
biodegradable polyesters of microbiological
origin, can be processed by a variety of generally
accepted methods (gel-spun technology, solution
casting, electrostatic extrusion, solution press
molding etc.) (Amass,1998; Volova, 2004). The
*
1
range of temperatures at melting point (150 oС)
and at the onset of decomposition (270 oС) is
an essential technological property of PHA, as
it makes possible production of various items
out of them (films, sutures, hollow forms) using
generally accepted polymer processing thermal
methods. At the same time it should be mentioned
Corresponding author E-mail address: volova45@mail.ru
© Siberian Federal University. All rights reserved
– 126 –
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Tatiana G. Volova, Sergei A. Gordeev and Ekaterina I. Shishatskaya. Production of Oriented Fibers out of…
that PHA are rather difficult to process because of
their relatively low decomposition temperatures
near their melting points and brittleness. The
low rate of PHA nucleation leads to formation
of large spherulites inside of polymers which can
deteriorate the physico-mechanical properties
of the products. Various approaches such as use
of plasticizers and modification of the polymer
structure as well as preparation of blends and
composites of different compounds are used to
improve this situation (Asrar and Pierre, 2000;
Ishikawa, 1996)
PHA are successfully used for production
of oriented materials and products in the form of
films and fibers. In one of the first works (Williams
and Peoples, 1997) it was shown that PHA can
be used for production of monofilaments which
are resistant to long-time exposure in biological
media; the fibers had the following strength
characteristics: elasticity modulus 4.2 KPa; tensile
strength 220-230 MPa. A lot of attention is given
to the problem of optimization of fiber production
process out of PHA. To improve the strength
characteristics of polymer fibers, the process of
production of monofilaments out of PHB melt
was studied and the structure and properties of
such fibers were investigated (Yamada and Kan,
1995; Yamamoto et al., 1997). Using X-Ray it was
stated that polyhydroxybutyrate in these fibers is
represented by two modifications of crystals and
has bimodal chain orientation. Chain axes of the
first population crystals are oriented mainly along
the fiber axis, while chain axes of the second
population crystals are oriented crosswise. During
the hardening of the products at 1000 С that
followed, the population of the first type crystals
dominates the second population, but increase of
the temperature leads to a change in the ratio in
favor of the second population. The strength of
the fibers with an increased number of crosswiseoriented chains after hardening is up to 260 MPa.
In a series of subsequent works it was shown that
monofilaments produced by melt spinning or
by PHB solution spinning can have satisfactory
physico-mechanical properties – tensile strength
up to 300-360 MPa and elasticity modulus up to
10 GPa, as well as a high degree of reversible
deformation (up to 3 г/d) [3, 5, 6, 8]. Recently
the Japanese researchers leaded by Professor Doi
managed to increase the mechanical strength of
PHB monofilaments using a new original “colddrawn” technology (Iwata et al., 2002).
It is well known that, apart from adding
nucleating agents, the presence of hydroxyvalerate
in PHA, which reduces crystallinity and material
crystallization time, contributes to a slower and
more successful orientation of the polymer during
processing and allows to make more stable
oriented products (Katsuhiko, 1994).
The present work is aimed at production and
investigation of fibers made out of hydroxybutyrate
and hydroxyvalerate (PHBV) copolymer melts.
Materials and Methods
Preparation of pure PHBV copolymer
The tested material was the PHBV samples
synthesized by the bacteria Ralstonia eutropha
B5786. The strain is registered in the Russian
Collection of Industrial Microorganisms. The
method of bacteria cultivation is described
in the work (Volova et al., 2007). PHBV is
extractable from bacterial biomass due to their
ability to dissolve in organic solvents and to be
then precipitated by alcohols. The PHBV were
extracted from bacterial biomass with chloroform
and precipitated with ethanol. The extraction of
PHBV from biomass was conducted in several
stages. At the first stage, to partially destroy the
cell wall and attain a fuller extraction of lipids,
the bacterial biomass was centrifuged (for 15
min at 6000 rpm), collected, and covered with
ethanol, pH 10.5-11.0 (0.5-0.7 g KOH/L ethanol).
The sample was boiled using backflow condenser
for 30 min. Then the alcohol was removed, the
– 127 –
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Tatiana G. Volova, Sergei A. Gordeev and Ekaterina I. Shishatskaya. Production of Oriented Fibers out of…
biomass was covered with 86% ethanol and
separated from alcohol by centrifuging. At the
next stage the partly destroyed and defatted
biomass was covered with chloroform and boiled
for 30-40 min using a water bath with a backflow
condenser. The sample was cooled and placed
into a funnel to separate the chloroform extract
of the polymer from the biomass. After separation
of the phases, the polymer was precipitated by
adding ethanol as a reagent. The procedure of redissolution and further precipitation of polymers
was repeated several times to prepare specimens
that would not contain organic impurities of
protein, carbohydrate or lipid nature. The material
mark was registered – Bioplastotan™ (Trademark
№ 315652, 2006). All the organic solvents used
in the procedure were preliminarily distilled to
remove impurities. Copolymer samples with
different inclusions of hydroxyvalerate (10, 15
and 21 mol %) were taken for investigation.
Investigation of physical and chemical
properties of PHAs
The molecular mass of the polymer was
measured in an Ubbellohde viscometer, with
capillary diameter 0.34 mm, at 30°C. PHAV
solutions in chloroform were used, with the
polymer concentration ranging between 0.25 and
1.0 g l-1. The degree of crystallinity was measured
on a D8 ADANCE X-ray spectrometer (Bruker,
Germany; graphite monochromator on a reflected
beam) in a scan-step mode, with step 0.04°,
exposure time 2 min. The operating mode of the
instrument was 40 kV × 40 MA.
Preparation of fibers
Monofilaments were produced using melt
spinning with the help of single-screw extruder
with round nozzle (diameter 1 mm) made by
Brabender Company (Germany). To optimize
the process at the first stage, the following main
parameters were used (temperature distribution
by extruder zones, spinning rate, length and
temperature of the receiving pit, reception speed).
The physico-chemical characteristics of the fibers
were studied with the help of Instron 1122 at room
temperature; the initial length of samples – from
10 to 50 mm; rate of extension - 100 mm/min.
Results
To produce fibers we used PHBV samples
with different inclusions of hydroxyvalerate that
had similar values of molecular mass (320-340
kDa) and crystallinity degrees (56-60%). The
investigation of regime influence on the process
of production of fibers out of PHBV showed that
the extrusion stability and extrudate quality were
mostly affected by the temperature at the end of the
extruder and in the nozzle. We found optimal values
of thewse parameters which allowed to calculate
maximum stability of extrusion/reception and
produce best quality fibers (Table 1). Deviation
from the indicated temperatures by several degrees
leads to substantial changes in the melt viscosity.
For instance, if the temperature is increased by
3-5 º С, the melt viscosity becomes so low that the
polymer flow can’t bear its own weight. Decrease
of the temperature leads to larger viscosity and
substantial increase of extruder pressure. The
Table 1. Optimal temperature modes for PHBV copolymers spinning
Hydroxyvalerate inclusions
Temperature mode*, ºС
Melting temperature, ºС
PHB10V (10 mol %)
155-158-160-162-165
160
PHB15V (15 mol %)
150-155-157-160-162
158
PHB21V (21 mol %)
142-144-148-152-155
150
* - distribution of temperatures along the extruder from the feed zone to the nozzle.
– 128 –
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Tatiana G. Volova, Sergei A. Gordeev and Ekaterina I. Shishatskaya. Production of Oriented Fibers out of…
increase of pressure is obviously connected with
the fact that the optimal temperatures in the
nozzle are very close to the melting temperature
and thus, when the temperature is reduced the
polymer doesn’t have enough time to melt and
blocks the nozzle. This causes a sharp pressure
jump. The temperatures at the receiving zones
of the extruder have a smaller effect on polymer
viscosity and can be increased by 5-7º С, but this
can cause a more rapid thermodegradation of the
polymer.
Pressure at the nozzle can also be used as
a parameter of optimization of fiber production
process. In the described experiments the optimal
pressure at the nozzle was 35-40 atm. This
parameter depends on the type/size of extruder
and nozzle, feeding speed, molecular weight of
polymer and some other factors. It was established
that if the temperature of the receiving pit is 1820º С and the feeding speed is over 25 m/min, its
overall length should be not less than 5 m. This
prevents fibers from adhesion at the take-up drum.
The length of the receiving pit can be substantially
reduced once the temperature of the liquid reaches
60-80º С. It was stated that the reception speed
can vary within wide ranges, from 2-3 to 40 m/
min, without having a considerable effect on the
process stability and fiber quality. On the other
hand, the diameter of the formed fibers and the
degree of molecular orientation in them is directly
related to the reception speed. High reception
speed (over 30 m/min) led to adhesion of fibers
regardless of the temperature of the receiving
pit. This fact allows to suppose that adhesion is
connected with incomplete crystallization in the
newly formed material. To establish a quantitative
ratio between reception speed, temperature of
receovong pit and thickness of fibers, on the one
hand, and crystallization rate, on the other hand,
special investigations should be conducted.
The produced fibers were studied with a
view to extentability. It was shown that the newly
formed extrudates can be extended reaching rather
high extension range even at room temperature.
However, extension should be made immediately
or within 5-7 minutes after extrusion.
To answer the question in what way the
storage time of extruded fibers affects their
extentability, we conducted special research.
Copolymers of each type (with inclusions of
hydroxyvalerate 10, 15 and 21 mol%t) were
used to form 3-4 samples at various reception
speeds, the speed and temperature regime of
extrusion being kept at permanent level. Optimal
temperature regimes were set for each copolymer
(Table 1). The extentability of the samples at room
temperature (cold drawing) and on a hot plate was
estimated as a function of storage time at room
temperature. Measurements were made 1 week, 1
month, and 3 months after the extrusion.
It was stated that the thickness, and
consequently the orientation of the extruded fibers
is a key factor that determines the extentability.
Only fibers with diameter less than 0.3 mm
athat were stored for 1 week appeared to be cold
drawable. Table 2 shows, as an example, the
characteristics of PHBV fibers (with inclusions
of hydroxyvalerate 15 mole percent), produced
at various reception speeds and extended at room
temperature after 1 month storage. According
to the data presented, only PHB15V-1 sample
changed its form and necked in, revealing a
considerable elongation at break (to 274 MPa). All
other samples demonstrated, at room temperature,
typical behaviour for brittle materials.
We investigated the effect of temperature on
the deformability of extruded fibers in the range of
40-120º С. To reach the maximal extension range,
visual quality and mechanical properties of fibers,
the optimal temperature was set between 80 and
100º С. At 40º С deformability of all fibers hardly
differed from extension at room temperature.
Extension at 60 and 120º С was characterized by
instability. It appeared that maximal extension
– 129 –
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Tatiana G. Volova, Sergei A. Gordeev and Ekaterina I. Shishatskaya. Production of Oriented Fibers out of…
Table 2. Mechanical properties of fibers produced at various accepting speeds out of PHBV with 15 mol %
of hydroxyvalerate
PHB15V-1
Acception speed,
m/min
40
Fiber diameter,
mm
0.30
PHB15V-2
35
PHB15V-3
PHB15V-4
Sample code
59.8
Elongation at break,
%
274.0
0.35
52.3
4.0
25
0.45
48.6
4.5
10
0.80
34.3
3.1
Strength, MPa
Table 3. Mechanical properties of fibers made out of various types of PHBV extended up
to the maximal extension range
Hydroxyvalerate
inclusions
PHB10V
(10 mol %)
PHB15V
(15 mol %)
PHB21V
(21 mol %)
Fiber diameter,
mm
Strength, MPa
Elasticity modulus,
MPa
Elongation at break,
%
0.18
306
3000
24.1
0.20
281
2200
32.4
0.17
254
2100
37.9
range at these temperatures depends on the
thickness of fibers and parameters of extension
(speed and applied load). The reasons for this
instability are obviously different at different
temperatures. Besides, a considerable number of
fibrillation (disintegration) cases was observed at
extension temperature of 60º С and lower. Thus,
within the temperature range 80-100º С maximal
extension range (7-8) and high mechanical
properties (strength 300 MPa, elasticity modulus
3 GPa) were attained. It should be mentioned that
fibers with a larger diameter (up to 0.5 mm), can be
extended at these temperatures even after 3 month
storage. Table 3 shows maximal mechanical
characteristics of fibers attained for each type of
the investigated PHBV copolymers.
As the mechanical behaviour of fibers
produced out of PHBV with different inclusions
of hydroxyvalerate appeared to be similar in a
qualitative sense, more detailed investigations of
the mechanical properties of fibers were made on
PHBV samples with inclusions of 15 mole percent
of hydroxyvalerate that were extended at 100º С
(PHB15V_100).
The analysis of extension curves of oriented
fibers produced from extrudates with various
diameters (0.30, 0.35 and 0.45 mm) (figure)
showed that the qualitative nature of deformation
doesn’t depend on the thickness and, thus,
structure of fibers. At the same time the samples
had sufficiently large quantitative differences. It
is possible to mark out three deformation zones
on the curves for all three samples, which makes
it similar to the extension curves of polymer
elastomers. According to the figure, the zone of
linear elasticity showing no visible irreversible
phenomena stretches till the first inflection of
the extension curve. The values of deformation
and stress limiting this zone are practically
equal for all investigated fiber samples. In the
deformation zone, above the linear elasticity and
up to the second inflection, the curve shows visible
irreversible deformations that are easy to measure
after unloading of samples. Finally, deformations
above the second inflection are plastic, i.e. totally
irreversible. It should be noted that thin fibers
reveal totally irreversible deformations at greater
stresses.
– 130 –
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Tatiana G. Volova, Sergei A. Gordeev and Ekaterina I. Shishatskaya. Production of Oriented Fibers out of…
Fig. Extension curves of oriented fibers produced out of PHBV copolymer with 15 mol % of hydroxyvalerate
(PHB15V) obtained from extrudates of various diameters: 1 – 0.30; 2 – 0.35; 3 – 0.45 mm
The most important performance parameter
of polymer materials is static creep. Measurement
of creep is made by measurement of deformation
in the material exposed to continuous load
during a long-term period. We measured
creep deformation of fibers produced from the
copolymer with inclusion of 15 mole percent
of hydroxyvalerate and extended at 100º С
(PHB15V_100) during 1 week at loads of 50, 100
and 200 MPa (Table 4). As is seen from the data
presented, all three samples demonstrated high
resistance to creep deformation in the zone of
linear elasticity. However, if the loads exceeded
the limit of linear elasticity, resistance of the
samples visibly decreased. The resistance was
inversely proportional to the thickness of fibers,
though the limiting characteristics of all three
fibers differ insignificantly. Obviously, a more
stable structure forms in thin fibers due to higher
orientation, which manifests itself in the location
of the plastic deformation zone, in particular. In
general, the behaviour of all thress samples at
static load is typical for other thermoplastics with
glass-transition temperature about or below 0º С,
for example, polypropylene (PP) and polyethylene
(PE).
A certain difference was revealed between
the fibers out of PHBV and PP and PE during the
investigation of reversible deformations under
cyclic loads. In this case the samples were loaded
at a permanent speed up to the same values as in
the creep experiments and then were immediately
unloaded. The cycle was repeated 1000 times or
till the sample broke (Table 5). In the process
of investigation we measured the deformation
of samples at maximal load and deformation
set after unloading. Like under static load, the
samples of PHBV fibers showed high mechanical
resistance to cyclic load in the zone of linear
elasticity. As expected, deformations in this zone
are practically totally reversible even after 1000
loading cycles. Under loading up to 100 MPa,
the level of deformation reversibility appeared to
be rather high, which is, as a rule, more typical
for elastomers than for thermoplastics. It was
also demonstrated that the mechanical properties
of oriented fibers produced out of PHBV after
3 months storage are practically identical to the
ones measured immediately after extension.
– 131 –
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Tatiana G. Volova, Sergei A. Gordeev and Ekaterina I. Shishatskaya. Production of Oriented Fibers out of…
Table 4. Static creep of fibers produced out of PHB/PHV with 15 mol % of hydroxyvalerate under various loads
during 1 week
Sample code
Deformation (%) 7 days later under load (MPa):
50
100
200
PHB15V1_100
3.0
9.8
19.7
PHB15V2_100
3.1
13.5
24.8
PHB15V3_100
3.1
14.2
35.1
Table 5. Complete and reversible deformation in fibers produced out of PHBV with 15 mol %
of hydroxybutyrate subjected to cyclic load
Sample code
Complete deformation/deformation set (%)
after 1000 load cycles reaching the load of (MPa):
50
100
200
PHB15V1_100
2.8/0.4
7.8/3.5
16.7/12.8
PHB15V2_100
3.0/0.6
10.4/4.6
*
PHB15V3_100
3.0/0.6
12.3/5.0
**
* - sample destroyed after 620 cycles
** - sample destroyed after 470 cycles
Discussion
One of the crucial properties of thermoplastic
is the rheological characteristics of melts, first of
all, extensional viscosity, “elongation thickness”
and increase of viscosity at elongation. These
characteristics are important for stabilization
of polymers during processing, inclusing such
processes as melt spinning (film blowing, extension
and doubling of fibers, hot-melt coating etc.). It
was stated that the rheological characteristics of
PHBV copolymer melts depend to a large extent
on processing parameters (Asrar and Pierre,
2000). For instance, shear thinning leads to the
increase of termination rate, and the increase of
polymer molecular weight results in the increase
of shear viscosity and extensional viscosity. It
was stated that the influence of molecular weight
on extensional viscosity is more considerable than
on shear viscosity (Asrar, D’Haene, 2001).
PHA melts are often used for production
of fibers, but in the process of melt spinning
it’s necessary to control crystallization during
the extension stage. PHA don’t crystallize in
order and contain amorphous phase, and fibers
can’t be extended from amorphous phase melts.
For a correct PHA crystallization procedure
it’s necessary to strictly control the time and
temperature of the process for subsequent
orientation of fibers aimed at increasing of their
strength and necessary physical and mechanical
properties. The success of fiber orientation
depends on the polymer crystallization kinetics.
There exists a number of works dedicated to
the optimization of fiber production out of PHA
melts. Theoretically, monofilaments produced by
melt spinning can have satisfactory physical and
mechanical properties, in particular: breaking
strength – over 300 MPa, elasticity modulus
– up to 10 GPa, possessing at the same time a
high degree of reversible deformation (More and
Sauders, 1998). Japanese scientists in a series
of works consider the process of production
of monofilaments out of PHB melt and PHBV
copolymers, investigating the structure and
properties of such fibers (Yamada and Kan,
1995; Yamamoto et al., 1997). PHB crystallized
into an orthrhombic vesicular structure with
cell parameters (P212121: a=0,576, b=1,320 and
– 132 –
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Tatiana G. Volova, Sergei A. Gordeev and Ekaterina I. Shishatskaya. Production of Oriented Fibers out of…
c=0,596 mm, α-form with chains of levorotatory
orientation 2/1. X-Ray was used to state that PHB
in fibers is represented by two modifications of
crystals and has bimodal chain orientation. The
chain axes of the first generation crystals are
oriented mostly along the fiber axis, while the
chain axes of the second generation crystals are
oriented crosswise. In the process of subsequent
hardening at 100о С the percent of populations
of the first type crystals considerably prevails
over the second population, but the increase of
temperature leads to predominance of the second
population. It turned out that due to hardening of
fibers the percent of crosswise-oriented chains
grows, which improves the quality of fibers,
increasing their strength. In one of the works the
authors (Yamane et al.,2001) studied the structure
and mechanical properties of fibers produced by
PHB melt spinning using a laboratory singlescrew extruder with 1 mm diameter round nozzle
(the temperature of polymer extrudate was 180о
C, and in the nozzle zone - 170о C). Hardening
and orientation of fibers was made six times at
different temperatures. The fibers extended at
75, 125, 150о C had strength value of 0, 50, 100
MPa, correspondingly. The fibers being extended
stayed at the heating zone not more than 2.5
min. There is data showing that the increase of
hydroxyvalerate content in the PHBV copolymer,
Fibers were spun out of polymer melt into the
tank with water having ice temperature. After
that the fibers were oriented two times: first, at 0о
С, second – at room temperature. The fibers had
high values of strength characteristics: absolute
strength 1.4 GPa; elasticity modulus 18.1 GPa.
Improving of this technology and application of
the method of fiber production by melt spinning
allowed to obtain high-oriented fibers out of
polyhydroxybutyrate (Furuhashi et al., 2004). The
fibers has the following characteristics: absolute
strength – up to 300 MPa, elasticity modulus 2,6
MPa, elongation at break 42 %. The authors studied
the dependence of fiber strength characteristics on
the process parameters (spinning temperature, the
temperature and time of orientation). According
to the data given in the present work, it is possible
to produce good quality monofilaments out of
PHBV melt taking into account supervision
of the process of polymer crystallization. The
extentability and deformability of PHBV fibers
were thoroughly studied at various temperatures,
and as a result, the optimal conditions were found
allowing to produce 0.17-0.20 mm diameter fibers
with high mechanical characteristics (strength
306 MPa, elasticity modulus 3 GPa, elongation at
break 24%) that were stable during the 3 month
period of observation. We were the first to obtain
and analyze extension curves on which three zones
reducing crystallinity and material crystallization
time, contributes to a more slow and successful
orientation (Katsuhiko, 1994). These results match
the results presented in our work that showed the
possibilities of successful orientation of fibers
made out of PHBV melt.
Japanese researchers under supervision of
Professor Doi managed to substantially increase the
mechanical stength of PHB monofilaments using
a new original “cold-drawn” technology (Iwata et
al., 2002). High-polymeric substance (600,000 Da)
synthesized by natural and recombinant producer
strains was used for production of filaments.
are fixed: linear elasticity, visible deformation and
totally irreversible deformation, which is typical
for extension curves of polymer elastomers, and
showed that the produced fibers possess high
mechanical stability under static and cyclic load
(up to 100 MPa); in the linear elasticity zone
the deformation of fibers is practically totally
irreversible after 1000 load cycles.
Conclusion
Hydroxybutyrate
and
hydroxyvalerate
copolymers with various inclusions of
hydroxyvalerate (10, 15 and 21 mol %) were
– 133 –
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Tatiana G. Volova, Sergei A. Gordeev and Ekaterina I. Shishatskaya. Production of Oriented Fibers out of…
melt-spun and extended to produce oriented
monofilaments 0.17-0.20 mm in diameter with
high mechanical characteristics (strength 306
MPa, elasticity modulus 3 GPa, elongation at
break 24%) that were stable during the 3 month
period of observation. It was revealed that
temperature has a considerable effect on the
stability of extrusion and quality of fibers, and the
optimal parameter values were revealed (polymer
melting temperature and temperature distribution
along the extruder from the feed zone to the
nozzle). It was stated that the diameter of fibers
and degree of orientation ddepend on spinning
rate, but changing of the spinning rate within a
wide range (from 2-3 to 40 m/min) doesn’t affect
fiber quality. Fibers produced from PHBV are
characterized by high mechanical stability under
static and cyclic load (up to 100 MPa); in the zone
of linear elasticity, fiber deformation is practically
totally reversible after 1000 load cycles, which is
typical of elastomers.
Acknowledgements
This study was financially supported by the Russian Ministry of Education and the U.S. Civilian
Research & Development Foundation CRDF (Grant № P1MO002); the Program of the RAS Presidium
“Fundamental Research to Medicine” (Project № 12.5); the grant of Russian Foundation for Basic
Research (RFBR) grant № 07-03-00112-а.
References
Amass W., Amass A., Tighe B. (1998) A Review of Biodegradale Polymers: Uses, Current
Developments in the Synthesis and Characterization of Biodegradable Polyesters, Blends of
Biodegradable Polymers and Recent Advances in Biodegradation Studies. Polymer Int. 47: 89-144
Asrar J., Pierre J. (2000) Poly(hydroxyalkanoates) compositions and method of their use in the
production of films. European Patent № 0996670А1
Asrar J., D’Haene P. (2001) Polymer blends containing polyhydroxyalkanoates and compositions
with good retention of elongation. US Patent № 6 191 203
Furuhashi Y., Imamura Y., Jikihara Y. (2004) Higher order structures and mechanical properties
of bacterial homo poly(3-hydroxybutyrate) fibers prepared by cool-drawing annealing processes.
Polymer.45: 5703-5712
Gordeev S.A., Nekrasov Y.P. (1999) Processing and mechanical properties of oriented poly(βhydroxybutyrate) fibers J. Mater. Sci. Lett. 18:1691-1692
Gordeev S.A., Nekrasov Y.P., Shilton S.J. (2001) Processing of Gel-Spun Poly(β-hydroxybutyrate)
fibers. J. Appl. Polym. Sci.81:2260-2264
Ishikawa K. (1996) Flexible trembler for use as a medical bag. US Patent № 5480,394
Iwata T., Aoyagi Y., Yamane H. (2002). Mechanical properties, high ordered structure and
biodegradability of P(3HB) films, fibers and lamellar crystals. Abstract of Int. Symp. Biol.Polym.
ISBP-2002)Germany. Münster. 22-26 Sept. P. 48.
Katsuhiko T. (1994) Biopolymer properties and processing // In: Biodegradable and Polymer
(Y.Doi and K.Fukuda. Eds.). Amsterdam: Elsevier. P. 362-387.
More G.S., Sauders S.M. (1998) Advances in Biodegradable Polymer. UK, Kapra. Shiropshire.
1000 p.
– 134 –
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Tatiana G. Volova, Sergei A. Gordeev and Ekaterina I. Shishatskaya. Production of Oriented Fibers out of…
Trademark “BIOPLASTOTAN™”(2006) Registration certificate № 315652, application №
2006703271/50
Volova T.G. (2004) Microbial polyhydroxyalkanoates - plastic materials of the 21st century
(biosynthesis, properties, applications). Nova Science Pub. Inc. NY, USA. 283 p.
Volova T.G., Kalacheva G.S., Steinbüchel A. (2007). Biosynthesis of Multi-component
Polyhydroxyalkanoates by the bacterium Wautersia eutropha. J. Siberian Federal University. Biology.
1:91-101.
Williams S.F., Peoples O.P.(1997) Making plastics green: PHA are the new generation of
environmentally friendly plastics, easy to make with a little help from genetically engineered bacteria
and plants.Chemistry in Britain.32: 29-32
Yamada K., Kan Y. (1995) Murase S. Biodegradable composite fibers with Poly(hydroxyalkanoic
acid) core and Poly(alkylene succinate) sheath. Japanese Patent № 073 24227.
Yamamoto T., Kimizu M., Kikutani T. (1997) The effect of drawing and annealing conditions on
the structure and properties of bacterial Poly(3-hydroxybutyrate-co-hydroxyvalerate) fibers. Int. Polym.
Process. 12:29-37.
Yamane H., Terao K., Hiki S., Kawahara Y., Kimura Y., Saito T. (2001a) Processing melt spun
Polyhydroxybutyrate Fibers. Polymer.42: 3241-3249.
– 135 –
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Anna S. Tarasova, Nadezhda S. Kudryasheva… Bioluminescent Monitoring: Detoxification of Phenol Solutions…
Journal of Siberian Federal University. Biology 2 (2008 1) 136-144
~~~
УДК 577.4,577.346
Bioluminescent Monitoring: Detoxification of Phenol Solutions
by Humic Substances and UV-irradiation
Anna S. Tarasovaa*, Nadezhda S. Kudryashevaa,b,
Elena S. Fedorovaa,b, Devard I. Stomc
a
Siberian Federal University,
79 Svobodny, Krasnoyarsk, 660041 Russia
b
Institute of Biophysics of Siberian Branch of Russian Academy of Sciences,
Akademgorodok, Krasnoyarsk, 660036 Russia
c
Irkutsk State University, Biology Research Institute,
5 Suche–Bator Street, Irkutsk, 664003 Russia 1
Received 2.06.2008, received in revised form 25.08.2008, accepted 27.08.2008
The study demonstrates redox activity of humic substances in solutions of organic reducers and
oxidizers; a series of homologous 1,4-hydroquinones (phenols) and their oxidized forms (1,4-quinones)
was taken as an example. The well-founded interrelation between redox potentials of the quinonephenols pairs and detoxification coefficients in the humic solutions was ascertained. Photoinduced
UV detoxification of the phenol solutions was revealed; combined effect of humic substances and UV
irradiation in the phenol solutions was studied as well. Detoxification coefficients were calculated. A
conclusion was made that UV-irradiation and treatment by humic substances reveal non-additive but
antagonistic effect.
Keywords: bioluminescent assay, detoxification, humic substances, UV-irradiation, phenols and
quinones.
Introduction
One of the important tasks of modern ecology
and biotechnology is the search of methods to
detoxify the environmental toxicants. A possible
way to do this is to use Humic Substances (HS) –
the products of oxidative transformation of organic
matter in soil (Orlov, 1998, 2002; Shin et al.,
1999). Toxicity of some compounds was shown
to decrease in the presence of HS (Perminova et
al., 2001; Gu et al., 2003; Zhilin et al., 2004). The
mechanism of detoxification by HS is currently of
2004; Grainer et al., 1999; Vigneault et al., 2000;
Perminova et al., 2001; Kulikova et al., 2002;
Provenzano et al., 2004).
In (Donnelly et al., 1997; Weinstein et al.,
1999), the detoxification effects of HS were
studied using classic bioassays involving fish,
algae, crustaceans, or plants. Detoxifying effect
of HS can be easily evaluated by bacterial
bioluminescent assay (Kudryasheva et al., 1998).
The advantages here are rapidity, sensitivity,
simplicity of analysis, and availability of the
great interest for researchers (Stom et al., 1977,
*
1
Corresponding author E-mail address: AS421@yandex.ru
© Siberian Federal University. All rights reserved
– 136 –
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Anna S. Tarasova, Nadezhda S. Kudryasheva… Bioluminescent Monitoring: Detoxification of Phenol Solutions…
devices for toxicity registration (Kratasyuk et al.,
1987).
Bioluminescent bacteria have been used as
a bioassay for almost a half of a century. The
bioassay was described in its current form in 1969
(Grabert et al., 1997). In the late 1980s the test was
standardized in Germany as a method for pollutants’
detection. In 1990 the bioluminescent system
of enzymatic coupled reactions was suggested
as a toxicity assay (Kratasyuk et al., 1990); its
applications were developed (Kudryasheva et
al., 2002, 2003). Now, the ecological bioassay
is a traditional and important biotechnological
application of the bioluminescence phenomenon
(Girotti et al., 2008; Gitelson, et al., 2002; Roda
et al., 2004; Kudryasheva 2006, 2006b, Lapota et
al., 2008; Cali et al., 2008; Vlasova et al., 2007;
Reis et al., 2007; Vetrova et al., 2007).
Testing of redox activity of HS in solutions
of oxidizers and reducers is of great interest.
Reduction ability of HS was supposed to be
responsible for detoxification of oxidizers in water
solutions (Tchaikovskaya et al., 2006; Fedorova
et al., 2007). Phenolic, SH-, and other groups of
HS macromolecules are responsible for reduction
of the oxidizers.
Testing of oxidative activity of HS in
solutions of organic reducers (phenols) is of
applied interest. In the present study we chose
a series of homologous phenols: tetrafluoro1,4-hydroquinone, 1,4-hydroquinone, and 1,4naphthohydroquinone. We compared them with
a series of corresponding homologous oxidizers:
tetrafluoro-1,4-benzoquinone, 1,4-benzoquinone,
1,4-naphtoquinone, (Fedorova et al., 2007).
In natural conditions, detoxification of
solutions by HS might take place under UV
and visible light. This is why the study of
photoinduced detoxification of pollutants in the
presence and absence of HS is of urgent need. In
(Tchaikovskaya et al., 2006, 2007), the toxicity
of phenol and p-cresol solutions has already been
monitored under combined effect of HS and UVirradiation.
The aim of the present study was to reveal
detoxification of the homologous phenol (1,4hydroquinones) solutions by HS, UV-irradiation,
and combination of HS + UV-irradiation.
Bioluminescent system of the coupled enzyme
reactions was used as a bioassay.
Materials and Methods
A series of hydroquinone preparations was
used: tetrafluoro-1,4-hydroquinone (Aldrich,
95% purity), 1,4-hydroquinone, and 1,4naphthohydroquinone (ChimReactiv, Russia,
analytical grade).
Humic preparation Humate-80 (OOO
“Humate”, Irkutsk, Russia) was applied as a
source of HS. It was produced by non-extracting
treatment of coal with alkali treatment. The
preparation includes more than 70% of potassium
humate, providing high biological and chemical
activity (Levinsky, 2000). Concentrations of HS
that inhibit bioluminescence by less than 20% (<
0.3 g/L) were used.
Quartz lamp OUFQ-1 (OOO ‘Solnishko’,
Russia) was applied as a source of UV-irradiation.
1 ml of a phenol solution was irradiated during 30
min in 1x1 cm2 quartz cell.
Absorption spectra were recorded with a
double-beam spectrophotometer UVIKON-943
(KONTRON Instruments, Italy).
Toxicity of the hydroquinone water solutions
was assessed by bioluminescent assay based on
a NADH:FMN-oxidoreductase-luciferase (R+L)
coupled enzyme system from Photobacterium
phosphoreum. To construct the assay system, 0.1
mg/ml L + R, 5·10-4 M FMN, 10-4 M NADH, and
0.002% tetradecanal solutions were used. The
assay was performed in 0.1 M phosphate buffer
(pH 6.8) at room temperature.
Maximal luminescent intensity was
determined in control (without hydroquinones
– 137 –
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Anna S. Tarasova, Nadezhda S. Kudryasheva… Bioluminescent Monitoring: Detoxification of Phenol Solutions…
– I contr ) and experimental (I) samples. Relative
intensity I rel = I / I contr was used to evaluate the
effect of the hydroquinones on bioluminescence.
Dependence of I rel on hydroquinone concentration
was developed. Hydroquinones’ concentration
inhibiting bioluminescence to 40% of the control
intensity (С40) was chosen. It was used in the
experiments for studying the detoxification
rel
I HS
processes in hydroquinone solutions.
direct dependence on E0-values in the series of
both, hydroquinones and quinones. This reveals
HS’ reductive (antioxidant) activity in the solutions
of the organic oxidizers, as well as HS’ oxidative
activity in the solutions of organic reducers.
2. UV-photoinduced detoxification
Effect of UV-irradiation of phenol solutions
was studied. Table 1b presents KUV values in the
hydroquinone solutions. They appeared to be
Symbols of bioluminescence intensity >1, indicating photoinduced detoxification of
rel
rel
rel
relI HS
of the Ihydroquinones
( I rel ) inI HSsolutions
under the solutions. In addition, the values of KUV were
UV I HS rel
treatment byI HSHS,
UV-irradiation, and HS+UV similar for the solutions of all three phenols (Table
relrel
rel
rel
I
I HS , relI UV , and I HS
were: UV
1b).
UV , respectively.
I UV rel
Detoxification
KHS, KUV and KHS+UV
Fig. 3a-c presents the absorption spectra
I UVcoefficients
relrel
rel
rel
rel
rel
I IHS
were calculated
as
the
intensity
ratio
in
the
of
1,4-hydroquinones
before and after UVI
K HS I HS / I
I HS / 0.4 UVUV relHS UV
I HS UV rel absence of detoxification factor,
presence andI the
irradiation. It is seen that the optical density
HS UV rel
rel rel
rel
rel
rel
rel
rel
rel
rel
rel
Iequaling
/ I I HS0.4
with theKIlatter
( I/ 0.relI4=HSI0UV
of tetrafluoro-1,4-hydroquinone solution
/IIHSK
/.40/.):4I HS
I UV / 0.4(O.D.)
HS
HS UVKHS
rel
K HS I HS
/ I rel UVI HS
/ 0.4 rel
rel
rel
K HS I HS / I
I HS / 0.4 (1) increases under UV-irradiation in the region of
rel
rel I rel
rel
rel/ I rel
rel
rel / 0.4rel
rel
KKUVHS K
IIUV
the spectral
I UV /relIUVK
I.4UV / 0I .4 / I rel I rel
/ 0relUV
/ 0.4 maximum (260-290 nm) (Fig. 3a).
HS / Irel
HSHS
UV
K UV I UV
/I
I UV / 0.4HS UV (2) HS UV
rel
rel
Detoxification of the compound was probably due
K UV I UV
/ I rel I UV
/ 0.4 rel rel relrel
rel
rel
rel
rel
rel
KKHSUVUVKIHS
I UV
IIUVUV / /0II.HS
0.4UV / 0(3)
.4 to its dehalogenation; this process can be highly
/ IUV relI/ HS
4 UV relI/ HS
UVHS
K HS UV I HS
/ I rel I HS
/ 0.4 rel UV
rel
rel UV
effective in haloid organic compounds under UVK HS UV I HS UV / I
I HS UV / 0.4 Results and discussion
rel
rel
rel
irradiation (Shigorin et al., 1993). UV maximum
K HS UV
I HS UV / I
I HS UV / 0.4 rel
Dependence
of I
on hydroquinone of 1,4-hydroquinone (Fig. 3b) does not change
concentration
was investigated in the solutions of significantly under UV-treatment. However,
tetrafluoro-1,4-hydroquinone, 1,4-hydroquinone, wide and structureless band appears in a visible
and 1,4-naphthohydroquinone. Fig. 1 presents wavelength range of 350-600 nm. Usually,
the experimental dependence with 1,4- this band is attributed to the charge-transfer
naphthohydroquinone taken as an example. complexes in solutions of 1,4-benzoquinone and
The figure shows the decay of the experimental 1,4-hydroquinone. Fig. 3c shows the changes
curve. The phenol concentration that inhibited in spectra of 1,4-hydronaphthoquinone. The
bioluminescence to 40% of the control intensity optical density of spectrum 2 does not reach zero
(С40 = 2.5·10-5 M) is shown in this figure, as well.
in the visible spectral range, thus revealing the
1. Detoxification by HS
contribution of light scattering to this spectrum. It
Detoxification ability of HS was compared in seems to be a result of the formation of hydrophobic
solutions of 1,4-hydroquinones and corresponding aggregates in the process of photolysis of
1,4-quinones. Fig. 2 presents these redox quinone- 1,4-hydronaphthoquinone. Thus the changes
hydroquinone pairs. Their standard redox in the absorption spectra of solutions of 1,4potentials are given in Table 1а.
hydroquinones are an evidence of photochemical
Table 1 a, b demonstrates KHS in the solutions transformation of these phenols in the solutions.
of 1,4-hydroquinones and corresponding 1,4quinones. It is evident that KHS-values are in a
– 138 –
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Anna S. Tarasova, Nadezhda S. Kudryasheva… Bioluminescent Monitoring: Detoxification of Phenol Solutions…
Fig. 1. Bioluminescence intensity vs. concentration of 1,4-naphthohydroquinone
Table 1. Detoxification of solutions: (a) 1,4-quinones (Fedorova et al., 2007) (b) 1,4-dihydroquinones.
KHS – detoxification coefficient under HS treatment, KUV – detoxification coefficient under UV-irradiation,
KHS+UV – detoxification coefficient under combined effect of HS and UV-irradiation, E0 – standard redox potential
of quinone-hydroquinone pairs, С40 – phenol concentration inhibiting bioluminescence to 40% of control intensity
(а)
tetrafluoro-1,4benzoquinone
1,4-benzoquinone
1,4-naphtoquinone
2∙10-4
1∙10-4
4∙10-4
2.11 ± 0.03
1.73 ± 0.02
0.92 ± 0.02
E,V
0.838
0.712
0.480
phenols
tetrafluoro-1,4hydroquinone
1,4-hydroquinone
1,4-naphthohydroquinone
quinones
С40
,М
KHS
0
(b)
С40
,М
KHS
6·10-7
2.5·10-2
2.5·10-5
1.00 ± 0.04
1.18 ± 0.03
2.10 ± 0.02
KUV
1.4 ± 0.04
1.25 ± 0.02
1.30 ± 0.02
KHS+UV
1.7 ± 0.04
1.01 ± 0.02
1.46 ± 0.03
– 139 –
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Anna S. Tarasova, Nadezhda S. Kudryasheva… Bioluminescent Monitoring: Detoxification of Phenol Solutions…
a)
OH
Ɉ
F
F
F
F
+2ɟ-; +ɇ+
Ɉ
F
F
F
F
OH
b)
Ɉ
Ɉɇ
+2ɟ-; +ɇ+
Ɉ
Ɉɇ
ɫ)
OH
Ɉ
+2ɟ-; +ɇ+
Ɉ
OH
Fig. 2. Redox pairs quinone-phenol: (a) tetrafluoro-1,4-benzoquinone – tetrafluoro-1,4-hydroquinone,
(b) 1,4-benzoquinone – 1,4-hydroquinone, (c) 1,4-naphthoquinone – 1,4-naphthohydroquinone
– 140 –
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Anna S. Tarasova, Nadezhda S. Kudryasheva… Bioluminescent Monitoring: Detoxification of Phenol Solutions…
2
a
1
b
.
c
2
1
Fig. 3. Absorbance spectra of phenol solutions: (1) before UV-irradiation, (2) after UV-irradiation: (a)
tetrafluoro-1,4-hydroquinone (С = 6·10-7М); (b) 1,4-hydroquinone (С = 1.25∙10-3М);
(c) 1,4-naphthohydroquinon (С = 2.5∙10-5М)
– 141 –
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Anna S. Tarasova, Nadezhda S. Kudryasheva… Bioluminescent Monitoring: Detoxification of Phenol Solutions…
3. Combined effect of HS and UVirradiation
Table 1b presents KHS+UV of 1,4hydroquinones. Comparison of KHS+UV, KHS, and
KUV values brings to conclusion that the combined
effect of the two detoxifying factors (HS+UV) is
not additive. The complex photoinduced processes
taking place in quinone solutions in the presence
of HS might account for this fact. Non-additivity
of HS and UV effects was already found in the
solutions of phenol and p-cresol (Tchaikovskaya
et al., 2006, 2007).
of HS was demonstrated in the solutions of
organic reducers – 1,4-hydroquinones (phenols).
The interrelations between redox-potentials of
quinone-hydroquinone pairs and detoxification
coefficients in solutions of 1,4-quinones and 1,4hydroquinones were revealed.
Photoinduced detoxification of 1,4hydroquinones solutions was demonstrated.
UV-irradiation and treatment by HS revealed
non-additive but antagonistic effect in the phenol
solutions.
Conclusion
The work was supported by: Award
No. RUX0-002-KR-06 of the U.S. Civilian
Research & Development Foundation (CRDF)
and RF Ministry of Education and Science,
BRHE Program; Grant “Molecular and Cellular
Biology”, program of Russian Academy of
Sciences; Innovation program for young scientists
of Siberian Federal University.
The effects of two detoxifying factors (HS and
UV-irradiation) as well as the combined effects
(HS+UV) on solutions of 1,4-hydroquinones
were studied. Detoxification coefficients were
calculated.
The reduction activity of HS was
demonstrated in the solutions of organic oxidizers
– 1,4-quinones, while the oxidative activity
Acknowledgements
References
Cali J.J., Niles A., Valley M.P., O’Brien M.A., Riss T.L., Shultz J. (2008) Bioluminescent assays
for ADMET. Expert Opinion On Drug Metabolism & Toxicology, 4: 103-120
Donnelly K., Chen J., Huebner H., Brown K. (1997) Utility of four strains of white-rot fungi for the
detoxification of 2,4,6-trinitrotoluene in liquid culture. Environ. Toxic. Chem., 16: 1105-1110
Fedorova E., Kudryasheva N., Kuznetsov A., Mogil’naya O., Stom D. (2007) Bioluminescent
Monitoring of Detoxification Processes: Activity of Humic Substances in Quinone Solutions. J.
Photochem. Photobiol B, 88: 131-136
Gitelson J.I., Kratasyuk V.A., et al., (2002) Ecological Biophysics., V. 1. Photobiophysics of
ecosystems, Logos, Moscow, 114-121
Girotti S., Ferri E.N., Fumo M.G., Maiolini E. (2008) Monitoring of environmental pollutants by
bioluminescent bacteria. Anal. Chim. Acta, 608: 2-29
Grabert E., Kossler F. (1997) About the effect of nutrients on the luminescent bacteria test. In:
Hastings J.W., Kricka L.J., Stanley P.E. (ed.) Bioluminescence and Chemiluminescence, Wiley,
Chichester, p. 291-294
Grainer L., Lafrance P., Campbell P. (1999) An experimental design to probe the interactions of
dissolved organic matter and xenobiotics: Bioavailability of pyrene and 2,2′,5,5′-tetrachlorobiphenyl to
Daphnia magna. Chemosphere, 38: 335-350
– 142 –
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Anna S. Tarasova, Nadezhda S. Kudryasheva… Bioluminescent Monitoring: Detoxification of Phenol Solutions…
Gu B., Chen J. (2003) Enhanced microbial reduction of Cr (VI) and U (VI) by different natural
organic matter fractions. Geochim. Cosmochim. Acta 67: 3575-3582
Kratasyuk V.A., Gitelson J.I. (1987) The application of luminous bacteria in bioluminescent
assays. Uspekhi mikrobiologii, 21: 3-30
Kratasyuk V.A. (1990) Principles of luciferase biotesting. In: Jezowska-Trzebiatowska B., Kochel
B., Stawinski J., Strek I. (ed.) Biological Luminescence, World Scientific, Singapore, p. 550-558
Kudryasheva N., Esimbekova E., Vetrova E., Kudinova I. (1998) Development of the bioluminescent
bioindicators for analyses of pollutions. Field Analytical Chemical Technologies, 2: 277-280
Kudryasheva N., Vetrova E., Kuznetsov A., Kratasyuk V., Stom D. (2002) Bioluminescent assays:
effects of quinones and phenols. Ecotoxicology and Environmental Safety, 53: 221-225
Kudryasheva N.S., Esimbekova E.N., Remmel N.N., Kratasyuk V.A., Visser A.J.W.G., van Hoek
A. (2003) Effect of quinones and phenols on the triple enzymic bioluminescent system with protease.
Luminescence, 18: 224-228
Kudryasheva N.S. (2006) Bioluminescence and exogenous compounds. Physico-chemical basis
for bioluminescent assay. J. Photochem. Photobiol. B, 1: 77-86
Kudryasheva N. (2006) Nonspecific effects of exogenous compounds on bacterial bioluminescent
enzymes: Fluorescence study. Current Enzyme Inhibition, 4: 363-372
Kulikova N., Perminova I. (2002) Binding of atrazine to humic substances from soil, peat, and coal
related to their structure. Environ. Sci. Technol. 36: 3720-3724
Lapota D., Osorio A.R., Liao C., Bjorndal B. (2008) The use of bioluminescent dinoflagellates as
an environmental risk assessment tool. Marine Pollution Bulletin, 54: 1857-1867
Levinsky B. (2000) All about humates. Korf-Poligraf, Irkutsk, р. 25-50
Orlov D. (1998) Organic matter of Russian soil. Pochvovedeniye 9: 1049-1057
Orlov D. (2002) Humic substances in hydrosphere. Soros Educ. J. 2: 56-63
Perminova I., Grechishcheva N., Kovalevskii D., Kudryavtsev A., Petrosyan V., Matorin D. (2001)
Quantification and prediction of the detoxifying properties of humic substances related to their chemical
binding to polycyclic aromatic hydrocarbons. Environ. Sci. Technol. 35: 3841-3848
Provenzano M., D’Orazio V., Jerzykiewiez M., Senesi N. (2004) Fluorescence behaviour of Zn
and Ni complexes of humic acids from different source. Chemosphere 55: 885-892
Reis J.L.R., Dezotti M., Sant’Anna G.L. (2007) Toxicity evaluation of the process effluent streams
of a petrochemical industry. Env. Tech, 28: 147-155
Roda A., Pasini P., Mirasoni M., Michchelini E., Guardigli M. (2004) Biotechnological application
of bioluminescence and chemiluminescence. Trends in Biotechnology 22: 295-303
Shigorin D.N., Val’kova G.A., Gastilovich E.A. (1993) Electron-excited states of polyatomic
molecules. Moscow, Nauka, 495 p.
Shin H., Monsallier J., Choppin G. (1999) Spectroscopic and chemical characterization of molecular
size fractionated humic acid. Talanta 50: 641-647
Stom D. (1977) Influence of polyphenols and quinones on aquatic plants and their blocking of SHgroups. Acta Hydrochim. Hydrobiol., 5: 291-298
Stom D., Dagurov A. (2004) Cooperation action petroleum products and humic substances on
Daphnia magna. Sib. Ecol. Zh. 1: 35-40
– 143 –
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Anna S. Tarasova, Nadezhda S. Kudryasheva… Bioluminescent Monitoring: Detoxification of Phenol Solutions…
Tchaikovskaya O., Sokolova I., Svetlichniy V., Karetnikova E., Fedorova E., Kudryasheva N.
(2007) Fluorescent and bioluminescent analysis of sequential biological UV degradation of p-cresol in
water. Luminescence, 22: 29-34
Tchaikovskaya O.N., Sokolova I.V., Svetlichniy V.A., Karetnikova E., Kudryasheva N.S.,
Fedorova E.N. (2006) Luminescent analysis of photoinduced detoxification of phenol. Zhurnal
Prikladnoy Spektroskopii, 73: 665-670
Vetrova E., Esimbekova E., Remmel N., Kotova S., Beloskov N., Kratasyuk V., Gitelson I. (2007)
A bioluminescent signal system: detection of chemical toxicants in water. Luminescence, 22: 206-214
Vigneault B., Percot A., Lafleur M., Campbell P. (2000) Permeability changes in model and
phytoplankton membranes in the presence of aquatic humic substances. Environ. Sci. Technol. 34:
3907-3913
Vlasova I.I., Asrieli T.V., Gavrilova E.M., Danilov V.S. (2007) Determination of antibiotics using
luminescent Escherichia coli and blood serum. Appl. Biochem. Microbiol., 43: 422-428
Weinstein J., Oris J. (1999) Humic acids reduce the bioaccumulation and photoinduced toxicity of
fluoranthene to fish. Environ. Toxic. Chem. 18: 2087-2094
Zhilin D., Schmitt-Kopplin P., Perminova I. (2004) Reduction of Cr(VI) by peat and coal humic
substances. Environ. Chem. Lett. 2: 141-145.
– 144 –
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Ольга П. Дубовская. Оценка количества мертвых особей рачкового зоопланктона в водоеме…
Journal of Siberian Federal University. Biology 2 (2008 1) 145-161
~~~
УДК 574.5:591.524.12.08
Оценка количества мертвых особей рачкового зоопланктона
в водоеме с помощью окрашивания проб анилиновым голубым:
методические аспекты применения
Ольга П. Дубовская*
Институт биофизики Сибирского отделения
Российской академии наук,
Академгородок, Красноярск, 660036 Россия 1
Received 2.06.2008, received in revised form 25.08.2008, accepted 27.08.2008
Для проверки предположения, что по мере переработки тканей мертвой особи
микроорганизмами-гетеротрофами интенсивность окрашивания трупов планктонных
ракообразных анилиновым голубым уменьшается, провели три длительных эксперимента
по определению скорости разложения трупов и изменению окраски по мере их разложения
с убитыми нагреванием копеподитами циклопов (Cyclops vicinus, Mesocyclops leuckarti,
эксперименты 1, 2), циклопами и дафниями разного размера и стадий (C. vicinus, Daphnia
группы longispina, эксперимент 3). Кроме того, была проведена методическая работа по
окрашиванию живых рачков, только что травмированных механически, для имитации
возможных механических повреждений зоопланктеров при отборе проб и выявления характера
их окрашивания. Эксперименты показали, что чем сильнее зеселен труп микрогетеротрофами,
тем менее интенсивно он окрашивается. В зависимости от температуры окружающей воды
и морфологических особенностей кладоцер и копепод (открытые створки и относительно
тонкая кутикула у дафний, более прочный и замкнутый панцирь у циклопов) «возраст»
трупа рачка, когда он перестает окрашиваться из-за сильной переработки своих тканей
микрогетеротрофами, определяется как 1-4 суток от момента гибели. Напротив, полностью
и интенсивно окрашивается мертвая особь, умершая в интервале 1 час – 1-3 суток до отбора и
окрашивания пробы. Механически травмированные живые особи окрашиваются не полностью:
либо только по месту травмы, либо больше, но обычно не более 1/2 или 2/3 всего тела. Для
повышения точности учета мертвых особей в пробах из водоема с использованием метода
окраски анилиновым голубым даны соответствующие методические рекомендации.
Ключевые слова: краситель анилиновый голубой, живой и мертвый зоопланктон, Daphnia,
Cyclops vicinus, скорость разложения.
Введение
Организмы в водных экосистемах, как и
везде в природе, умирают постоянно. Смерть
организма может наступить либо вследствие
потребления его организмами высших трофи*
1
ческих уровней, либо «естественно» (Wetzel,
1995): в результате физиологического старения, неблагоприятных физических и химических факторов (Velimirov, 1991), кроме того,
голодания (недостатка как количества, так
Corresponding author E-mail address: dubovskaya@ibp.krasn.ru
© Siberian Federal University. All rights reserved
– 145 –
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Ольга П. Дубовская. Оценка количества мертвых особей рачкового зоопланктона в водоеме…
и качества пищи), повреждения при неудачных атаках хищников, болезней и паразитов
(Gries and Gude, 1999). Во всех случаях “естественной” смерти особи в среде ее обитания
в водоеме появляется ее труп. Поэтому количество трупов (или мертвых особей) является мерой “естественной” или “не связанной
с потреблением хищниками” смертности и в
целом качества среды, условий функционирования исследуемых популяций и предпосылкой прогноза динамики сообщества. По доле
(проценту) мертвых особей судят о динамике
или (и) величине естественной смертности и
факторах, ее определяющих (например, Зелезинская, 1966; Коваль, 1984; Дубовская, 2005;
Павлова и Мельникова, 2005; Tang et al., 2006;
Дубовская и др., 2007).
На основе учета мертвых особей и измерения скорости их осаждения с помощью седиментационной ловушки предложен прямой
метод определения удельной не связанной с
хищниками смертности в популяциях рачкового зоопланктона пелагиали пресноводного водоема (Гладышев и Губанов, 1996; Дубовская
и др., 1999; Gladyshev et al., 2003; Dubovskaya
et al., 2003):
mi
yi 1 yi
y
G˜ i
'ti ˜ N i
Ni
(1),
где G – удельная скорость элиминации трупов, сут-1; ti – момент взятия i-й пробы, ∆ti =
ti+1 − ti, сут; yi и Ni – численности мертвых и
живых особей в i-й пробе, экз⋅м-3; mi – удельная смертность, сут-1, в момент времени ti. Для
определения G принимается, что основная
составляющая элиминации трупов рачков из
пелагиали – осаждение, а другими составляющими – разложением и потреблением детритофагами – можно пренебречь, так как трупы
осаждаются из эпилимниона пелагиали прежде, чем разлагаются и поедаются детрито-
фагами. Скорость осаждения трупов v, м⋅сут-1,
определяется как
v = Y/(S·y*)
(2),
где Y – накопленное за сутки количество мертвых особей в цилиндре седиментационной ловушки, экз⋅сут-1; S – площадь входного отверстия цилиндра, м2; y* – численность мертвых
особей на горизонте экспонирования ловушки (расположенного ниже слоя отбора проб),
экз⋅м -3. Удельная скорость элиминации G рассчитывается по формуле
G = v/h
(3),
где h – глубина слоя отбора проб. Для получения надежных значений y* пробы зоопланктона отбирают несколько раз за время экспозиции ловушки (ловушек), равное одним
суткам. Для уменьшения ошибки метода прямого определения естественной смертности
следует в периоды низкой численности брать
пробы большего объема, достаточного для надежного подсчета численности не только живых, но и мертвых особей, чтобы избежать артефактов, связанных с низкой численностью.
При определении скорости осаждения мертвых особей с помощью ловушек следует увеличивать площадь захвата оседающих трупов
путем экспонирования не одной, а двух-трех
ловушек одного типа.
Как видно из уравнения (1), доля мертвых
особей как отношение численности мертвых
к численности живых является его составной
частью и тесно коррелирует (r = 0.76-0.99 для
Daphnia, Дубовская, 2005) с определяемой по
этому уравнению величиной не связанной с
хищниками смертности. Так что доля мертвых
особей может быть использована как индикатор (показатель) естественной смертности
там, где ее расчет невозможен, в частности,
при кратковременном мониторинге больших
акваторий (например, Телеш, 1986; Дубов-
– 146 –
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Ольга П. Дубовская. Оценка количества мертвых особей рачкового зоопланктона в водоеме…
ская, 1987; Ряпенко и Полынов, 1991; Гладышев, 1993; Смельская, 1995; Дубовская и др.,
2007).
Для дифференциации организмов в пробах зоопланктона на живых – бывших живыми
в водоеме и погибших в результате добавления фиксатора в пробу, и мертвых – погибших
в водоеме до отбора пробы, используются различные методы. В частности, визуальная оценка состояния мускулатуры особей из обычной
фиксированной пробы (Коваль, 1984; Гептнер
и др., 1990; Павлова и Мельникова, 2005) или
из фиксированной пробы, окрашенной эритрозином (Кастальская-Карзинкина, 1935;
1937; Зелезинская, 1966); визуальная оценка
количества окрашенных и неокрашенных особей в пробах, подвергшихся перед фиксацией окрашиванию красителями: проционовым
красным (Ряпенко и Полынов, 1991; Наумова, 2006), нейтральным красным (Fleming and
Coughlan, 1978; Лебедева и др., 1982; Tang et
al., 2006), анилиновым голубым водорастворимым (Seepersad and Crippen, 1978; Телеш, 1986;
Дубовская, 1987; Сергеева и др., 1989; Гладышев, 1993; Смельская, 1995; Гладышев и Губанов, 1996; Дубовская и др., 1999; Gladyshev
et al., 2003; Dubovskaya et al., 2003; Дубовская
и др., 2004; Дубовская, 2005; Дубовская и др.,
2007). Нейтральный красный окрашивает живых особей, проционовый красный и анилиновый голубой – мертвых. Приведенные выше
примеры применения нейтрального красного
относятся к морскому и эстуарному зоопланктону, двух других красителей – к пресноводному зоопланктону различных водоемов.
Первые наши проверки чувствительности
методики окрашивания анилиновым голубым
(Дубовская, 1987) показали совпадение с результатами авторов (Seepersad and Crippen,
1978): только что погибшие особи совсем не
окрашиваются или окрашиваются частично, а
полностью окрашиваются трупы рачков, по-
гибших минимум за час до окраски и раньше.
Однако чем дольше находится труп в воде, тем
сильнее разлагаются его ткани в результате
деятельности микроорганизмов-гетеротрофов,
и тогда полнота и интенсивность его окраски
может изменяться. То есть трупы, умершие
в разное время до момента отбора пробы,
могут существенно различаться по окраске.
Возникает важный для минимизации ошибки
дифференциации живых и мертвых особей вопрос: как изменяется окраска трупа по мере
его разложения или как окрашиваются трупы
разного «возраста»?
В процессе отбора любой пробы зоопланктона некоторые особи могут механически
травмироваться – получить разрывы покровов, потерять части тела, способность к передвижению. Несмотря на то, что мертвые особи
начинают окрашиваться не сразу после гибели, живые, но травмированные особи могут
в той или иной степени окрашиваться за счет
проникновения краски в разрывы покровов.
Поэтому при использовании любого красителя
для окраски живой пробы зоопланктона возникает важный для уменьшения ошибки подсчета числа мертвых особей вопрос: как окрашиваются живые, но травмированные особи, с
разрывами покровов и без видимых разрывов,
но обездвиженные? Цель настоящей работы –
ответить на поставленные вопросы и дать соответствующие методические рекомендации
в случае применения красителя анилинового
голубого по известной методике Сиперсада и
Криппена (Seepersad and Crippen, 1978).
Материалы и методы
Руководствуясь предложениями разработчиков методики использования красителя
анилинового голубого для разделения живого и мертвого зоопланктона (Seepersad and
Crippen, 1978), мы всегда используем: концентрацию раствора красителя – 7.5 г/100 мл
– 147 –
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Ольга П. Дубовская. Оценка количества мертвых особей рачкового зоопланктона в водоеме…
дистиллированной воды; время окрашивания
пробы – 15 мин; фиксацию промытой пробы
– в 10 %-ном формалине; хранение фиксированных проб до обработки – в холодильнике
при 4-15 °С. Краситель «анилиновый голубой водорастворимый» (C.I. 42780, C37H27N3Na2O9S3, М.м. 799.8) имеет много иных названий (Фрайштат, 1980, с.42). Мы опробовали и
используем в настоящее время краситель, выпускаемый как «Methyl blue» (SIGMA, USA,
St.Louis и SIGMA, Germany, Steinheim).
Для окраски проб разработано специальное устройство («стейнер», рис.1), позволяющее окрашивать одновременно четыре пробы зоопланктона прямо на борту лодки или
судна сразу же после отбора проб (Гладышев,
1993). Раствор красителя используется многократно. Весь процесс окрашивания выглядит
следующим образом. Только что отобранную
пробу (пробы) зоопланктона из стаканчика
планктонной сети аккуратно сливают в стаканчик с дном из капронового мелкого сита,
закрывают его крышкой также из мельничного сита, помещают его в специальное основание в стейнере, в который заливают через воронку раствор красителя. При этом нажимают
на кнопку на крышке стейнера, приводящую
в положение «нажатие» на крышку и дно стаканчика систему рычагов, способствующих
выходу воздуха из стаканчиков и полному
заполнению их красящим раствором. Последующее частое отпускание и нажатие кнопки
в течение первых минут окрашивания пробы
обеспечивает полное заполнение объема стаканчика красителем и избегание скоплений в
нем пузырьков воздуха, в которых могут оказаться неокрашенные трупы зоопланктеров.
Сливается краситель через нижний кран, при
этом для удаления красителя из стаканчика
следует опять произвести несколько нажатий
на кнопку. Стаканчик вынимают из стейнера,
промывают забортной (или водопроводной)
водой до полного удаления красителя. Промывать следует аккуратно, амплитуда движений
стаканчика в воде или интенсивность промывающей струи должна быть слабой во избежание дополнительного травмирования находящихся в стаканчике зоопланктеров. Далее их
смывают профильтрованной через мельничное сито водой из водоема или водопроводной
водой в емкость, где хранится проба, добавляют концентрированный формалин из расчета
его концентрации в пробе 10 %. При работе на
водоеме следует предохранять раствор краски
от перегрева на солнце, температуры краски
и промывающей воды должны быть близки к
природной для данной пробы зоопланктона.
Для решения первого вопроса были проведены три эксперимента по определению скорости разложения трупов и изменения окраски
по мере их разложения. Первые два эксперимента включали только копеподитов циклопов (Cyclops vicinus, Mesocyclops leuckarti) размером 0.6-0.8 мм, третий – циклопов (Cyclops
vicinus) и дафний (Daphnia группы longispina)
разного размера и стадий. Схема проведения
была следующая. Порцию сгущенной сетной
пробы живого зоопланктона из водоема помещали в камеру Богорова, под бинокуляром
глазной пипеткой отлавливали живых активных рачков, рассаживали по 12-14 особей в 5-7
стаканчиков. В стаканчиках находилась вода
из водоема, профильтрованная через предварительно прокипяченный фильтр «Сынпор»
№ 3 (в экспериментах 1 и 2) или через мелкое
(размер пор – 0.07мм) мельничное сито (в эксперименте 3). Рачков убивали нагреванием до
45-55 °С. Через 1.5-3 часа после гибели рачков содержимое стаканчика №1 окрашивали
анилиновым голубым. Остальные стаканчики помещали в стеклянный цилиндрический
аквариум, который устанавливали у окна, на
естественный свет. Чтобы сгладить резкие колебания в течение суток температуры воздуха,
– 148 –
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Ольга П. Дубовская. Оценка количества мертвых особей рачкового зоопланктона в водоеме…
Рис. 1. Устройство для окрашивания проб зоопланктона для дифференциации на живых и мертвых особей
по (Гладышев, 1973)
Ɋɢɫ. 1.
– 149 –
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Ольга П. Дубовская. Оценка количества мертвых особей рачкового зоопланктона в водоеме…
в аквариум наливали воды до уровня 1/2 высоты стаканчиков, стоящих на дне аквариума.
Далее через каждые 2-3 суток (в экспериментах 1, 2) или 1 сутки (в эксперименте 3) снимали по одному стаканчику: содержимое стаканчика просматривали под бинокуляром, затем
окрашивали, фиксировали, просматривали
сразу же или на следующий день и еще раз
через несколько (3-7) суток. При каждом просмотре отмечали состояние и окраску каждого
трупа, некоторых фотографировали с помощью цифрового фотоаппарата Nikon Coolpix
4500, насаженного на окуляр бинокулярного
микроскопа МБС-10. Отдельные трупы после
окрашивания просматривали под флуоресцентным микроскопом Axioskop 40 (Carl Zeiss)
и фотографировали камерой “MC-3254R/MFG
3сcd color video camera” (AVT-Horn, Aalen,
Germany) с использованием программного
обеспечения AxioVision 3.1. Температуру в
аквариуме со стаканчиками измеряли 1-3 раза
в течение суток. В экспериментах 1 и 2 мертвых рачков окрашивали красителем «Methyl
blue» (производства SIGMA, USA, St.Louis)
после многократного использования, в эксперименте 3 – свежеразведенным (производства
SIGMA, Germany, Steinheim).
Для ответа на вопрос о характере окрашивания травмированных особей проведена следующая серия экспериментов. Нефиксированные пробы сетного зоопланктона из водоема и
из различных лабораторных культур просматривали под бинокуляром в камере Богорова,
отлавливали глазной пипеткой активных, без
видимых повреждений, разноразмерных особей дафний (Daphnia группы longispina) и самок, самцов, копеподитов циклопов (Cyclops
vicinus, Mesocyclops leuckarti), поочередно
помещали в капле воды на предметное стекло, травмировали тонкой иглой. В результате
ударов иглой получались: локальные разрывы
карапакса, вмятины карапакса и повреждения
внутренних органов, часто сопровождаемые
обездвиживанием рачков. Поврежденных,
но живых рачков с сокращающимся сердцем
(дафнии) или кишечником (циклопы) и в той
или иной мере работающими головными и
грудными конечностями (дафнии и циклопы) помещали в стаканчик с водой. Когда в
стаканчике оказывалось около 10 особей, эту
пробу травмированного зоопланктона подвергали окраске в стейнере. От момента травмирования до начала окрашивания проходило
15-40 мин. После осторожного промывания
(в водопроводной воде) пробу просматривали под бинокуляром, отмечали характер
окраски особей и их состояние. Затем пробу
фиксировали, просматривали повторно по той
же схеме, что и в экспериментах по скорости
разложения мертвых рачков. Было проведено
несколько таких экспериментов в разные годы
и сезоны с использованием красителя«Methyl
blue», как свежеразведенного (производства
SIGMA, Germany, Steinheim), так и многократно использованного (производства SIGMA,
USA, St.Louis).
Результаты и их обсуждение
Амплитуда колебаний температуры составляла: за период 1-го эксперимента – 21-26
°С, за период 2-го – 15-18 °С, 3-го – 16-19 °С.
В стаканчиках развивались различные микроорганизмы, из которых простейших было
легко наблюдать при просмотре содержимого стаканчика под бинокуляром. В первом
стаканчике все рачки были равномерно или
почти равномерно окрашены (например, рис.
2) – синие или темно-синие (обычно темнее
при использовании свежеразведенного красителя по сравнению с многократно использованным, приготовленным давно). Ткани рачков, утратившие «четвертичную» структуру
органического вещества живого организма,
легко окрашивались. Следует отметить, что
– 150 –
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Ольга П. Дубовская. Оценка количества мертвых особей рачкового зоопланктона в водоеме…
Рис. 2. Окрашенная особь дафнии, умершая примерно за 1 час до окрашивания пробы. Здесь и далее
дафнии – Daphnia группы longispina, циклопы – половозрелые и копеподиты Cyclops vicinus
окрашиваются внутренние ткани рачков, а
экзувии, экзоскелеты (панцири) циклопов и
копеподитов практически не окрашиваются (в многократно использованной краске)
или окрашиваются очень слабо, приобретая
голубоватый-синеватый оттенок (в свежеразведенной краске). То есть краситель слабо взаимодействует с хитиновым покровом тела, но
сильно – с мягкими, внутренними мертвыми
тканями рачков.
В экспериментах с течением времени ткани мертвых рачков заселялись, потреблялись, перерабатывались различными
микроорганизмами-гетеротрофами, потребителями мертвого органического вещества –
простейшими, бактериями и грибами (наприɊɢɫ. 2.
мер, рис. 3 а, б, в). Довольно скоро внутреннее
содержимое рачка становилось рыхлым, комковатым, с вкраплениями шариковидных простейших, белого цвета, иногда были видны
гифоподобные клубки, комки, части которых
порой выходили наружу через разрывы по-
кровов. Прозрачные концевые части панциря
внутри могли быть пустыми (см. также рис.
2, 4, 6 в работе Танга с соавторами (Tang et
al., 2006)). Покровы теряли четкие очертания,
обрастая бактериями и грибами, становились
«мохнатыми, опушенными», мягкими, но сохранялись довольно долго. Мертвые рачки,
ткани которых были переработаны и панцирь
заполнен микроорганизмами-гетеротрофами,
не окрашивались или окрашивались очень
слабо, приобретая лишь голубоватый или синеватый оттенок (рис. 4 а, б, в, см. также рис.
3 б, в). В конце концов от рачка оставались
рыхлые облепленные микроорганизмами куски или части пустого панциря, которые после
окраски пробы идентифицировать как останки
конкретного рачка было очень трудно, практически невозможно. Явного всплывания разлагающихся трупов – «антидождь трупов»
(Зелезинская, 1966) – не наблюдали.
В первом эксперименте при довольно
высокой температуре воды (24-26 °С) стадия
– 151 –
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Ольга П. Дубовская. Оценка количества мертвых особей рачкового зоопланктона в водоеме…
ɚ
ɛ
ɜ
Ɋɢɫ.3
ɚ, ɛ,(а)ɜ и циклопов (б, в) микрогетеротрофами (в основном, инфузориями)
Рис. 3. Заселение трупов
дафнии
на разных стадиях разложения и, соответственно, «возраста» трупа до окрашивания: дафнии (а) – около 1
суток, циклопов (б, в) – около 3-4 суток, здесь и далее температура воды 19-16 ºС
– 152 –
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Ольга П. Дубовская. Оценка количества мертвых особей рачкового зоопланктона в водоеме…
ɚ
ɛ
ɜ
4 ɚ,уже
ɛ, ɜфактически не окрашиваются при стандартной окраске пробы:
Рис. 4. Трупы рачков,Ɋɢɫ.
которые
а – копеподит циклопа, умерший более 3 суток назад, б – копеподит, умерший 6 суток назад, в – останки
дафний, умерших 3 суток назад
– 153 –
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Ольга П. Дубовская. Оценка количества мертвых особей рачкового зоопланктона в водоеме…
разложения мертвого копеподита, когда еще
сохраняются довольно четкие его покровы
(панцирь), но уже он заполнен живыми гетеротрофами и не окрашивается, была достигнута
за трое суток (с 7 по 10.08), при снятии стаканчика № 2. Невозможность после окрашивания
идентификации кусков детрита как останков
именно копеподитов была зафиксирована через 10 суток (20.08) при снятии последнего
стаканчика, а за 4 суток до этого (16.08) трупы копеподитов еще можно было узнать. Во
втором эксперименте через двое суток после
его начала (с 26 по 28.09) мертвые копеподиты
еще окрашивались (в стаканчике № 2), а через
6 суток (2.10, стакан № 3) – уже не окрашивались. У половины трупов копеподитов из
этого стаканчика покровы панциря были еще
четкими, но у другой половины – рыхлыми,
«опушенными», размягченными. Температура
воды в этот период была значительно ниже,
чем в эксперименте 1, и изменялась в пределах 15.4-18.2 °С. Стадия разложения, когда
панцирь рачка выглядел снаружи «мохнатым,
опушенным», а внутри частично был пуст, частично заполнен белым рыхлым содержимым,
и в котором с большим трудом можно было
узнать труп копеподита, продолжалась довольно долго, пока через 17 суток (19.10) в последний стаканчик (его содержимое периодически просматривалось под бинокуляром без
окрашивания) не добавили воды из водоема,
дважды процеженной через мелкий мельничный газ. Через неделю (26.10) в содержимом
стаканчика после окрашивания остались беловатые куски детрита с отдельными фрагментами пустого панциря.
В третьем эксперименте при использовании свежеразведенной краски через сутки после начала (с 14 по 15.08, стакан № 2) почти все
мертвые рачки были полностью и интенсивно
окрашены (как на рис. 2), за исключением
двух дафний из шести и одного копеподита из
пяти, которые выглядели наиболее заселенными микрогетеротрофами и менее интенсивно
окрашенными. Через двое суток после начала
(16.08, стакан № 3) соотношение окрашенных
и слабоокрашенных, но сильно заселенных
трупов рачков изменилось: из шести дафний
пять и из пяти циклопов два были слабо или
частично окрашенными с белыми или синими
точками простейших и других микрогетеротрофов внутри трупа (рис. 5 а, б). Через трое
суток (17.08, стакан №4) все трупы дафнии и
четыре из шести – циклопа были неокрашенными или очень слабо, частично окрашенными, сильно пререработанными микрогетеротрофами (см. рис. 4 в). Температура воды в
течение этих трех суток изменялась в пределах 19-17.5 ºС. Еще через трое суток (20.08, в
стакане №5, при снижении температуры воды
до 16.5 ºС) все трупы были сильно переработаны, особенно туловище дафний, и все они
практически не окрашивались (см. рис. 4 б);
у некоторых останков после окрашивания
появлялся голубоватый оттенок. После процедуры окрашивания от большинства дафний
остались наиболее узнаваемыми частями тела
головы с глазом (но без панциря), от циклопов – головогрудь (панцирь). Панцири были
частично заполнены живыми гетеротрофами,
а концевые отделы были пустыми.
Трупы дафний по сравнению с трупами
циклопов в каждом стаканчике визуально выглядели более разложившимися, более переработанными, а после окраски проб они раньше
переставали окрашиваться или окрашивались
менее интенсивно. Из этого следует, что дафнии разлагались быстрее, чем циклопы, т.е.
период разложения дафний несколько короче (примерно на сутки), чем циклопов. Повидимому, это связано с особенностями их
морфологии: тело дафний более открыто для
заселения микрогетеротрофами, чем покрытое плотной кутикулой тело циклопа, а сама
– 154 –
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Ольга П. Дубовская. Оценка количества мертвых особей рачкового зоопланктона в водоеме…
ɚ
ɛ
Рис. 5. Трупы копеподитов циклопов (а) и дафнии (б) двухсуточного «возраста» (при 19-17.5 ºС) после
стандартной процедуры окрашивания
кутикула карапакса дафнии выглядит тоньше
и нежнее, чем циклопа. Полагаем, что при относительно слабом нагревании (до 45-50 °С)
стаканчиков с рачками в эксперименте 3 разные особи дафний и циклопов оказывались
по-разному поврежденными (одни – более,
другие – менее), в связи с чем степень разлоɊɢɫ. 5 ɚ, ɛ
жения разных особей одного вида в одном стаканчике несколько варьировала и часть трупов
была менее заселенная и в большей степени
окрашивалась, а другая часть была более заселенной, более переработанной и не окрашивалась.
Интересно, что при разложении трупов дафний их глаз оставался долгое время
(вплоть до конца разложения) целостным или
слабо мацерированным. Между тем в планктонных пробах встречаются особи (обычно
полуокрашенные или неокрашенные) кладоцер с нарушенным глазом. По-видимому,
это травмированные при отборе проб особи с
«раздавленным» глазом. Яйца в выводковой
камере окрашенных трупов дафний суточного
возраста (в стакане № 2) оказались неокрашенными, совершенно целыми на вид. Позднее
(через трое суток, в стакане № 4) обросшие гетеротрофами яйца дафний оказывались слабо
окрашенными, голубыми или голубоватыми
(см. рис. 4 в). По-видимому, они разлагались
медленнее, чем само тело дафнии.
– 155 –
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Ольга П. Дубовская. Оценка количества мертвых особей рачкового зоопланктона в водоеме…
Танг с соавторами (Tang et al., 2006), работающий с красителем «нейтральный красный», окрашивающим живых копепод и не
окрашивающим мертвых, считал этот краситель удобнее, чем окрашивающий мертвых
особей анилиновый голубой, в связи с предположением, что по мере разложения и потери собственных тканей способность трупа
удерживать краситель (окрашиваться) может
уменьшаться. Наши эксперименты показали,
что это действительно так, но интенсивность
окрашивания довольно четко различается по
«возрастам» мертвой особи, и чем менее она
окрашена, тем явственнее в ней признаки разложения и разрушения, видимые под бинокуляром при обработке пробы и позволяющие
отнести данную особь к мертвым, умершим в
водоеме за несколько суток до отбора пробы.
В целом наши данные по времени и характеру разложения мертвых копеподитов
близки к приводимым Л.М. Зелезинской
(1966), В.Н.Степановым, Л.С.Светличным
(1981), Тангом с соавторами (Tang et al., 2006)
для копепод. По данным последних авторов,
разложение копепод Acartia tonsa при 20 ºC
завершается (до стадии почти пустого карапакса) за 150 часов, а при 30 ºС – за 100 часов, при средней температуре поверхностной
воды в районе отбора проб 27.5 ºС за период
разложения акартии принято 4 суток. В наших экспериментах мертвые ткани циклопов
под кутикулой превращались в живой сгусток
микроорганизмов-гетеротрофов и переставали
окрашиваться при температуре воды 24-26 °С
за 2-3 суток, а при температуре, близкой к 1617 °С, – за 3-4 суток (>3, но < 6 в экспериментах 2, 3). Для дафний этот период несколько
короче и составляет 1-3 суток. Таким образом,
по данным наших экспериментов, «возраст»
трупа рачка, когда он перестает окрашиваться из-за сильного заселения живыми гетеротрофами и сильной переработки собственных
тканей, в связи с температурой окружающей
воды и особенностями морфологии тела кладоцер и копепод, определяется как 1-4 суток
от момента гибели.
Если в пробах из водоема учитывать
мертвых только по окраске, возможен недоучет таких «старых» трупов. Недоучет трупов в
водоеме, в частности на горизонте экспонирования седиментационной ловушки, приводит
к возрастанию величины скорости осаждения
трупов (см. формулу 2). Однако их легко дифференцировать как мертвых и без окрашивания по внешним вышеописанным признакам.
В экспериментах собственно кутикула разрушалась медленно, останки копеподитов превратились в отдельные куски детрита не ранее
чем через 10 суток. Полагаем, что в водоеме,
в нефильтрованной воде, где больше различных гетеротрофов, детритофагов (не только
микро-, но и мезо-, макроорганизмов), а водные массы подвижны, полное разрушение
и исчезновение (элиминация) трупов происходит гораздо быстрее. Неокрашенные рачки
явно неживого вида встречаются в пробах из
водоема крайне редко. После проведенных
экспериментов ясно, что это особи, умершие
1-4 суток тому назад. Сравнение скоростей
разложения мертвых рачков (несколько суток) со скоростями их осаждения (в среднем
1-4 м/сут (Bloesсh and Burns, 1980); 0.4-5.8 м/
сут (Дубовская, 2006) показывает, что мертвые в основном покидают перемешиваемый
слой пелагиали быстрее, чем разлагаются, т.е.
осаждение действительно основная составляющая элиминации мертвых из эпилимниона
пелагиали пресноводного водоема.
Травмированные особи окрашивались
следующим образом. У обездвиженных особей дафний с травмированными антеннами,
но с двигающимися грудными ножками окрашивался кишечник полностью (у крупных
особей) или частично (у мелких), как и у боль-
– 156 –
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Ольга П. Дубовская. Оценка количества мертвых особей рачкового зоопланктона в водоеме…
ɚ
ɛ
ɜ
Рис. 6. Неповрежденные особи дафнии (а), механически травмированные особи: б – копеподит циклопа
и дафния, в – самец циклопа; все после стандартного окрашивания пробы
Ɋɢɫ. 6 ɚ, ɛ, ɜ
– 157 –
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Ольга П. Дубовская. Оценка количества мертвых особей рачкового зоопланктона в водоеме…
шинства живых нетравмированных особей
(рис.6 а), у некоторых окрашивалось место
травмы – часть головы или туловища (рис. 6
б). Место травмы окрашивалось и у циклопов,
а если разрыв кутикулы оказывался большим,
окрашивалась значительная часть тела циклопа (рис.6 в). У некоторых слабо травмированных особей окрашивались только фуркальные ветви или вся абдоминальная часть
либо только антенны и часть головогруди. В
общем, травмированные особи окрашивались
не полностью, либо только по месту травмы,
либо больше, но не более 1/2 или 2/3 всего
тела. Краситель (производства SIGMA, USA,
St.Louis) после многократного использования
окрашивал части тела менее интенсивно и
меньшую площадь у травмированных особей,
чем свежеразведенная краска (производства
SIGMA, Germany, Steinheim). В общем, рачков, окрашенных частично – не более 2/3 всего
тела, следует относить при счетной обработке
окрашенных проб к группе «живые особи»,
которые были живыми в водоеме в момент отбора проб.
При работе с витальным красителем нейтральный красный Танг с соавторами (Tang et
al., 2006) также отмечали наличие в пробах зоопланктона (с доминированием Acartia tonsa)
полуокрашенных особей, которые в каждом
конкретном случае относились обработчиком
пробы к группе либо живых, либо мертвых
особей, а выделение их в отдельную группу
при учете сочли нецелесообразным.
Особи, травмированные в водоеме хищниками, но еще живые в пробе из водоема,
должны окрашиваться так же, как и травмированные живые особи в наших экспериментах.
Если же они умерли не позднее 1 часа до отбора пробы, они должны окрашиваться полностью и быть отнесены к категории «мертвые».
В этом случае они внесут вклад в смертность,
«не связанную с хищниками», которая и определяется на основе учета мертвых особей.
Пересмотр через 3-7 суток всех экспериментальных проб, зафиксированных и
хранившихся в холодильнике, показал, что
через несколько суток хранения проб интенсивность окраски трупов и травмированных
особей может чуть уменьшиться, но результат
дифференциации живых и мертвых по окраске остается тем же. Иногда ослабляется или
исчезает окраска кишечника у живых особей.
Мы обычно обрабатываем счетным методом в
камере Богорова пробу зоопланктона через 3-7
дней после ее отбора, окраски и фиксации.
Заключение
В результате многолетних наблюдений
за характером разложения и окраски трупов
разного «возраста» и состояния (в том числе травмированных) можно дать следующие
методические рекомендации для уменьшения ошибки подсчета числа мертвых ракообразных в пробах зоопланктона. В пробах,
подвергнутых окраске анилиновым голубым
для дифференциации на живых и мертвых
(по Seepersad and Crippen, 1978; Гладышев,
1993), в качестве мертвых следует учитывать
полностью или почти полностью (более чем
2/3 тела) окрашенные (синие) организмы. Это
мертвые, умершие в интервале 1 час – менее
1-4 суток до отбора проб. Слабо окрашенных
особей (светло-синих или голубых) или не
окрашенных, но явно неживых, с видимыми
признаками заселения их микрогетеротрофами, также учитывать как мертвых. Это рачки,
умершие более чем 1-4 суток назад. Рачков
обычного вида, но с окрашенными (синими
или голубыми) фрагментами тела, т.е. частично окрашенных (около или менее 2/3 тела),
следует относить к живым. Это травмированные рачки, бывшие живыми в водоеме в
момент отбора проб. Нетравмированные или
– 158 –
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Ольга П. Дубовская. Оценка количества мертвых особей рачкового зоопланктона в водоеме…
слабо травмированные живые рачки обычно
имеют окрашенный кишечник или его часть,
так как, находясь в растворе краски, продолжают отфильтровывать взвешенные частицы,
в том числе и частицы краски. В процессе хранения пробы окраска может стать менее интенсивной, однако суть дифференциации при
этом не меняется.
Работа поддержана грантами Министерства образования и науки РФ и Американского фонда гражданских исследований и развития (CRDF) № REC-002 и Программы “Фундаментальные
исследования и высшее образование” № PG07-002-1. Фотографирование и обработка кадров
сделаны А. П. Толомеевым, за что автор ему очень признателен.
Список литературы
Гептнер М.В., Заикин А.Н., Рудяков Ю.А. (1990) Мертвые копеподы в планктоне: факты и
гипотезы. Океанология. 30: 132-137.
Гладышев М.И. (1993) Устройство для окрашивания организмов зоопланктона с целью
дифференциации живых и мертвых особей в фиксированных пробах. Гидробиол. журн. 29 (№
2): 94-97.
Гладышев М.И., Губанов В.Г. (1996) Сезонная динамика удельной смертности Bosmina
longirostris в лесном пруду, определенная на основе учета мертвых особей. Докл. АН. 348 (№ 1):
127 – 128.
Дубовская О.П. (1987) Вертикальное распределение живого и мертвого зоопланктона формирующегося Саяно-Шушенского водохранилища. Гидробиол. журн. 23(№ 6): 84-88.
Дубовская О.П. (2005) Динамика живого и мертвого зоопланктона в малом водохранилище
бассейна Енисея. Вестник Красноярского государственного ун-та. 5: 161-168.
Дубовская О.П. (2006) Естественная смертность зоопланктона в водохранилищах бассейна
Енисея. Автореф. дис. докт. биол. наук. СПб: ЗИН РАН. 35 с.
Дубовская О.П., Гладышев М.И., Губанов В.Г. (1999) Сезонная динамика численности живых и мертвых особей зоопланктона в небольшом пруду и некоторые варианты оценки смертности. Журн. общ. биологии. 60: 543-555.
Дубовская О.П., Гладышев М.И., Махутова О.Н. (2004) Сток лимнического зоопланктона
через высоконапорную плотину и его судьба в реке с быстрым течением (на примере плотины
Красноярской ГЭС на р. Енисей). Журн. общ. биологии. 65: 81-93.
Дубовская О.П., Семенченко В.П., Гладышев М.И., Бусева Ж.Ф., Разлуцкий В.И. (2007)
Показатели смертности, не связанной с хищниками, у кладоцерного зоопланктона в пелагиали и
литорали мелководного слабоэвтрофного озера. Докл. АН. 416(6): 836-838.
Зелезинская Л.А. (1966) Естественная смертность некоторых форм ихтио- и зоопланктона
Черного моря. Автореф. дис. канд. биол. наук. Одесса: ОГУ. 20 с.
Кастальская-Карзинкина М.А. (1935) Методика определения живых и отмерших компонентов планктона на фиксированном материале. Труды Лимнол. станции в Косине. 19: 91-103.
Кастальская-Карзинкина М.А. (1937) Опыт применения метода учета живых и отмерших
компонентов в изучении планктона Глубокого озера. Труды Лимнол. станции в Косине. 21: 143167.
Коваль Л.Г. (1984) Зоо- и некрозоопланктон Черного моря. Киев: Наукова думка. 127 с.
– 159 –
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Ольга П. Дубовская. Оценка количества мертвых особей рачкового зоопланктона в водоеме…
Лебедева Л.П., Виноградов М.Е., Шушкина Э.А., Сажин А.Ф. (1982) Оценка интенсивности
процесса детритообразования в морских планктонных сообществах. Океанология. 22: 652-659.
Наумова Е.Ю. (2006) Жизненные циклы и морфология представителей рода Epischura
Forbes,1882 (Copepoda: Calanoida). Автореф. дис. канд. биол. наук. Владивосток: ИБМ ДВО
РАН. 22 с.
Павлова Е.В., Мельникова Е.Б. (2005) Изменения количественных показателей жизнеспособного зоопланктона Севастопольской бухты в 1998-1999 гг. (Крым, Черное море). Гидробиол.
журн. 41(№ 6): 3-12.
Ряпенко Л.Н., Полынов В.А. (1991) Использование метода окрашивания проционовым
красным для оценки состояния зоопланктона на северном Байкале. В: Мониторинг и оценка
состояния Байкала и Прибайкалья: Матер. 6 Всес. Бакальской шк.-сем. Л.: Ин-т глобального
климата и экологии. С. 144-146.
Сергеева О.А., Калиниченко Р.А., Ленчина Л.Г., Медяник Е.В. (1989) Влияние системы
охлаждения тепловой электростанции на планктон. Гидробиол. журн. 25(№ 6): 37-42.
Смельская М.В. (1995) Использование метода прижизненного окрашивания для оценки соотношения живых и мертвых особей в зоопланктоне оз. Галичского. Биол. внутр. вод. 98: 6971.
Степанов В.Н., Светличный Л.С. (1981) Исследования гидромеханических характеристик
планктонных копепод. Киев: Наукова думка. 128 с.
Телеш И.В. (1986) Трансформация озерного зоопланктона в реках. Докл. АН СССР. 291(№2):
495-498.
Фрайштат Д.М. (1980) Реактивы и препараты для микроскопии. Справочник. М.: Химия.
480 с.
Bloesch J., Burns N.M. (1980) A critical review of sediment trap technique. Schweiz. Z. Hydrol.
42: 15-55.
Dubovskaya O.P., Gladyshev M.I., Gubanov V.G., Makhutova O.N. (2003) Study of non-consumptive mortality of Crustacean zooplankton in a Siberian reservoir using staining for live/dead sorting and sediment traps. Hydrobiologia 504: 223-227.
Fleming J.M., Coughlan J. (1978) Preservation of vitally stained zooplankton for live/dead sorting
// Estuaries. 1: 135-137.
Gladyshev M.I., Dubovskaya O.P., Gubanov V.G., Makhutova O.N. (2003) Evaluation of nonpredatory mortality of two Daphnia species in a Siberian reservoir. J. Plankton Res. 25(№ 8): 9991003.
Gries T., Gude H. (1999) Estimates of the nonconsumptive mortality of mesozooplankton by measurement of sedimentation losses. Limnol. Oceanogr. 44 (№ 2): 459-465.
Seepersad B., Crippen R.W. (1978) Use of aniline blue for distinguishing between live and dead
freshwater zooplankton. J. Fish. Res. Board Canada. 35: 1363-1366.
Tang K.W., Freund C.S., Schweitzer Ch.L. (2006) Occurrence of copepod carcasses in the lower
Chesapeake Bay and their decomposition by ambient microbes. Estuar. Coast. Shelf Sci. 68: 499-508.
Velimirov B. (1991) Detritus and the concept of non-predatory loss. Arch. Hydrobiol. 121: 1-20.
Wetzel R.G. (1995) Death, detritus, and energy flow in aquatic ecosystems. Freshwater Biol. 33:
83-89.
– 160 –
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Ольга П. Дубовская. Оценка количества мертвых особей рачкового зоопланктона в водоеме…
Evaluation of Abundance of Dead Crustacean Zooplankton
in a Water Body Using Staining of the Samples
by Aniline Blue Technique: Methodological Aspects
Olga P. Dubovskaya
Institute of Biophysics of Siberian Branch of Russian Academy of Science,
Akademgorodok, Krasnoyarsk, 660036 Russia
Three long special experiments with killed by heating copepodites of Cyclops vicinus, Mesocyclops
leuckarti (experiments 1 and 2), of Cyclops vicinus and Daphnia longispina group of different sizes and
stages (experiment 3) were carried out to test an assumption that in proportion as decomposition and
losses internal tissues of dead plankton crustaceans (by microorganisms-heterotrophs consumption),
ability of dead tissues to take up stain Aniline blue and the intensity of their coloration are reduced.
Besides, the methodical work on staining mechanically traumatized alive crustaceans was carried
out to imitation of possible consequences of body injuries during zooplankton sampling and study of
characteristics of their staining. The experiments have shown the more heterothrophes inside the dead
carcasses, the less intensity of its staining. Depending on water temperature and morphological features
of cladocerans and copepods, an “age” of dead crustaceans when it stops successfully stain is 1-4 days
from death time. On the contrary carcasses of crustaceans, which dead during time interval “one hour
– 1-3 days” are stained intensity and entirely. Mechanically traumatized alive crustaceans are stained
not entirely, just spot of injury or more, but no more than one half or 2/3 of body. To increase accuracy
of count of dead zooplankton in nature samples using Aniline blue staining method, suitable (proper)
methodological recommendation are given.
Keywords: blue aniline stain, living and dead zooplankton, Daphnia, Cyclops vicinus, decomposition
rate.
– 161 –
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Сергей И. Сиделев, Ольга В. Бабаназарова. Анализ связей пигментных и структурных характеристик…
Journal of Siberian Federal University. Biology 2 (2008 1) 162-177
~~~
УДК 579.817.76:578.736
Анализ связей пигментных и структурных характеристик
фитопланктона высокоэвтрофного озера
Сергей И. Сиделев*, Ольга В. Бабаназарова
Ярославский государственный университет им. П.Г. Демидова
проезд Матросова, 9, Ярославль, Россия 1
Received 2.06.2008, received in revised form 25.08.2008, accepted 27.08.2008
На примере высокоэвтрофного озера (оз. Неро, Ярославская область) с преобладанием
в фитопланктоне синезеленых водорослей планктотрихетового типа проанализирована
связь между пигментными и структурными характеристиками фитопланктона. Между
содержанием хлорофилла “a” в сестоне и биомассой фитопланктона отмечается сильная
положительная корреляция в конкретные годы. При сравнительном анализе связи хлорофиллбиомасса с предыдущими исследованиями (1987-1989 гг.) были получены линии регрессии
с разными углами наклона, что не позволяет даже на основе многолетних наблюдений
установить переходный коэффициент между общей биомассой водорослей и количеством
хлорофилла в отдельно взятом водоеме. Отмечена широкая вариабельность удельного
содержания хлорофилла “a” в единице сырой биомассы фитопланктона (0.05-3.97 %).
Обсуждаются причины колебаний относительного содержания хлорофилла в фитопланктоне.
Из всех рассматриваемых в работе пигментных показателей фитопланктона (хлорофиллы
“b” и “c”, индексы Е480/Е664, Е430/Е664, Е450/Е480, каротиноиды, феопигменты) тесные и
значимые связи структурных характеристик фитопланктона обнаружены лишь с пигментным
индексом Е450/Е480. Предлагается использовать данный индекс как показатель соотношения
определенных таксономических групп фитопланктона.
Ключевые слова: хлорофиллы, биомасса фитопланктона, каротиноиды, пигментные индексы.
Введение
затрат времени и хороших знаний таксономии.
При экологическом мониторинге пресноводных водоемов большое внимание уделяется обилию фитопланктона – основного продуцента первичного органического вещества.
При развитии водорослей до степени “цветения” воды оценка обилия фитопланктона становится особенно актуальной. Однако исследования структуры фитопланктона сопряжены
с трудностями количественного и качественного учета водорослей, требующего больших
Применение косвенных методов оценки развития фитопланктона, в частности спектрофотометрического определения пигментов в
сестоне, получило широкое распространение с
середины прошлого столетия. Исследователей
привлекает доступность и быстрота определения пигментов, поэтому во многих гидробиологических работах принято выражать обилие
водорослей количеством хлорофилла “a” (на-
*
1
Corresponding author E-mail address: sidelev@mail.ru
© Siberian Federal University. All rights reserved
– 162 –
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Сергей И. Сиделев, Ольга В. Бабаназарова. Анализ связей пигментных и структурных характеристик…
пример, Бульон, 1983; Минеева, 2004; Foy,
1987; Kalchev et al., 1996; Yacobi et al., 1996).
Удельное содержание хлорофилла “a” в
сырой биомассе фитопланктона значительно
варьирует в зависимости от многих факторов,
что не позволяет вывести общий переходный
коэффициент между концентрацией хлорофилла и биомассой, пригодный для водоумов разного типа (Елизарова, 1993; Трифонова и Десортова, 1983; Riemann et al., 1989; Nicholls and
Dillon, 1978). Зависимость содержания хлорофилла “a” от биомассы фитопланктона широко обсуждается в литературе для конкретных
водоемов разного трофического статуса (Елизарова, 1974; Изместьева, 1989; Canfield et al.,
1985; Desortova, 1981; Felip and Catalan, 2000;
Granberg and Harjula, 1982; Hallegraeff, 1977;
Javornicky ,1974; Kalchev et al., 1996; Tolstoy,
1979; Voros and Padisak, 1991). В подобных исследованиях наблюдается как линейная (Трифонова и Десортова, 1983; Hallegraeff, 1977;
Tolstoy, 1979), так и нелинейная связь хлорофилла и общей биомассы водорослей (Ляшенко, 2004; Felip and Catalan, 2000; Kalchev et al.,
1996; Voros and Padisak, 1991). Значительно
варьируют и получаемые коэффициенты корреляции между данными параметрами. В большинстве работ связь хлорофилл-биомасса изучается в кратковременном аспекте (Ляшенко,
2004; Desortova, 1981; Felip and Catalan, 2000;
Voros and Padisak, 1991). Однако отмечается,
что переходный коэффициент между данными
параметрами может быть получен для водоема
лишь при многолетних наблюдениях (Трифонова, 1979; Трифонова и Десортова, 1983).
Кроме того, в отечественных работах
часто используются такие пигментные характеристики фитопланктона, как концентрации
хлорофиллов “b” и ”c”, феопигментов и каротиноидов, пигментные индексы (Бульон, 1983;
Елизарова, 1974; Ермолаев, 1989; Ляшенко,
2004; Ляшенко и др., 2001; Пырина, 1992; Си-
гарева и Ляшенко, 2004; Трифонова, 1979).
Колебания значений этих пигментных показателей принято объяснять соответствующими
изменениями в составе, обилии или “физиологическом” состоянии фитопланктона. Так,
вариабельность концентраций хлорофиллов
“b” и ”c” и их соотношение с концентрацией
хлорофилла “a” (Хл “b”/Хл ”а”; Хл ”с”/Хл ”а”)
связывают, как правило, с изменениями в составе и обилии водорослей, содержащих данные пигменты (Ляшенко и др., 2001; Минеева,
2004; Сигарева и Ляшенко, 1991). Значения
пигментных индексов (Е480/Е664, Е430/Е664)
и доля феопигментов от суммы с “чистым”
хлорофиллом “a” используются как показатели “физиологического” состояния водорослей
(Бульон, 1983; Ермолаев, 1989; Минеева, 2004,
2006; Сигарева и Ляшенко, 1991). При этом
подчеркивается, что изменение пигментных
индексов и содержания феопигментов соответствует степени развития фитопланктона:
при высоком обилии водорослей значения
пигментных индексов и относительное содержание феопигментов снижаются за счёт присутствия в фитопланктоне жизнеспособных
активных клеток (Минеева, 2004; Сигарева
и Ляшенко, 2004). Однако непосредственная
статистическая связь данных пигментных показателей со структурными характеристиками
фитопланктона практически не рассматривается.
Для высокоэвтрофного озера Неро исследования фитопланктона и его пигментных
характеристик проводились в 1987-1989 гг.
Институтом биологии внутренних вод им.
Папанина (Сигарева и Ляшенко, 1991). В настоящее время наличие многолетних данных
по биомассе, составу и пигментам фитопланктона, полученных в ЯрГУ им. П.Г. Демидова
(Бабаназарова, 2003; Бабаназарова и др., 2004;
Сиделев и Бабаназарова, 2005), а также сравнение с исследованиями 80-х годов позволяют
– 163 –
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Сергей И. Сиделев, Ольга В. Бабаназарова. Анализ связей пигментных и структурных характеристик…
уточнить и обобщить характер взаимосвязей
этих параметров в озере Неро.
Цель работы – оценить с использованием
многолетних данных значимость пигментных
характеристик водорослей (хлорофиллы “a”,
“b”, “c”, их соотношение, каротиноиды, пигментные индексы, феопигменты) как показателей состава и обилия фитопланктона в озере
Неро.
Материалы и методы исследования
В работе используются материалы по биомассе, таксономическому составу и пигментным показателям фитопланктона, полученные при исследовании озера Неро с 2000 по
2005 гг. (за исключением 2001 г.). Погодные
условия значительно различались
по годам
ɪɢɫ.1
наблюдений. Антициклональный тип погоды
с засушливым и теплым летом был характерен
для 2000, 2002 и первой половины лета 2005
гг., а циклональный с прохладным и дождливым летом – для 2003 и 2004 гг.
Озеро Неро – самое большое в Ярославской области (площадь около 58 км2), озеро
мелководное (средняя глубина 1.6 м, максимальная – 4.7 м) и слабопроточное с большими запасами сапропеля на дне. Высокая зарастаемость макрофитами характерна для южной
части водоема (Бикбулатов и др., 2003; Довбня, 1991).
Отбор проб воды для анализа пигментов
и биомассы водорослей производился из поверхностного 0.25-метрового слоя воды ведром. При изучении в 2005 г. распределения
водорослей по отдельным слоям водной толщи пробы воды отбирали батометром Руттнера с поверхности и у дна на каждой станции.
Наблюдения проводили ежемесячно с марта
по октябрь на пяти стандартных станциях (№
3,4,5,7,8) в северной и центральной частях озера (рис. 1). В июле, как правило, обследовалась вся акватория водоема на 14 станциях.
Рис.1. Карта-схема расположения станций отбора
проб в озере Неро
Фитопланктон концентрировали осадочным методом из объема 0.5 л. Подсчет и
определение водорослей проводили в камере
Нажотта, приравнивая форму клеток к известным геометрическим фигурам (Hillebrand et
al., 1999). Биомассу водорослей определяли
счетно-объемным методом (Кузьмин, 1975).
Рассчитывали энтропийный индекс Шеннона
по формуле
Нв = –Σ (bi/B)*log2(bi/B),
где bi – биомасса i-го вида, В – суммарная биомасса всего сообщества.
Для определения пигментов сестона использовали стандартный спектрофотометрический метод (Сигарева, 1993b; SCOR-UNESCO,
1966). Фитопланктон концентрировали на
мембранных фильтрах МФАС-М-3 с последующей их экстракцией в 90 %-ном ацетоне.
Процедура приготовления экстрактов значительно не отличалась от таковой, описанной в
работе (Сигарева и Ляшенко, 1991). Концентрацию хлорофиллов “a”, “b”, “c” определяли
по уравнениям Джеффри и Хамфри (Jeffrey and
Humphrey, 1975). Содержание продуктов рас-
– 164 –
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Сергей И. Сиделев, Ольга В. Бабаназарова. Анализ связей пигментных и структурных характеристик…
пада хлорофилла “a” (феопигментов) рассчитывали по уравнениям Лоренцена (Lorenzen,
1967). Концентрацию каротиноидов оценивали по формуле Парсонса и Стрикленда для диатомового планктона (Parsons and Strickland,
1963) с введением поправки на присутствие
синезеленых и зеленых водорослей (коэффициент 2,5) в периоды их массового развития в
озере.
Пигментные индексы (Е480/Е664, Е450/
Е480, Е430/Е664) рассчитывали исходя из
оптических плотностей ацетонового экстракта
пигментов в областях длинно- и коротковолнового максимумов поглощения света хлорофиллом “a” (664 нм и 430 нм) и коротковолновых максимумов для каротиноидов (430 нм,
450 нм, 480 нм).
Отношения оптических плотностей экстрактов, косвенно отражающие соотношения концентраций пигментов, могут служить
показателями физиологического состояния,
структуры и разнообразия фитопланктонного
сообщества. В данном исследовании используются три пигментных индекса:
Индекс Е480/Е664 и индекс Маргалефа
(Е430/Е664) характеризуют соотношение общих каротиноидов и хлорофилла “a”. Считается, что повышение этих индексов свидетельствует об ухудшении “физиологического”
состояния фитопланктона и увеличении его
пигментного разнообразия (Бульон, 1983; Ермолаев, 1989; Минеева, 2004).
Индекс Е450/Е480 характеризуется максимальными величинами (1.14-14.6) для дополнительных хлорофиллов и каротиноидов
диатомовых и зеленых водорослей. Минимальные значения (близкие к 1.0) характерны
для желтых пигментов синезеленых водорослей (Сигарева, 1993a; Сигарева и Ляшенко,
2004).
Результаты и обсуждение
Количественные показатели развития
фитопланктона значительно варьировали в
период наблюдений (средневегетационная
биомасса изменялась от 14.6 до 28.1 мг/л), в
то же время, находясь в пределах значений,
отмеченных в 1987-1989 гг. (Ляшенко, 1991;
Babanazarova and Lyashenko, 2007). Сезонная
динамика развития фитопланктона характеризовалась одним летне-осенним пиком в 198789, 1999, 2003-2004 гг. В 2005 г. обилие фитопланктона резко возрастало в июне - июле
и снижалось уже к августу, а в сентябре было
невысоко. Несколько пиков отмечалось летомосенью 2000 г. и летняя депрессия в развитии
фитопланктона в 2002 г. (рис. 2). В целом, в
многолетней динамике показана более широкая сезонная вариабельность количественного
развития фитопланктона относительно предшествующих наблюдений. Ранее упоминалось, что в структуре сообщества 1999-2003
гг. на уровне количественного соотношения
различных отделов значимо, в два раза, уменьшился вклад зеленых водорослей относительно 1987-1989 гг. (Бабаназарова и др., 2004).
Основной тенденцией в 2000-2005 гг. было
увеличение развития тенеадаптированных
сине-еленых водорослей планктотрихетового
(осцилляториевого) типа. Как правило, уже с
июня синезеленые занимают главенствующие
позиции с неизменным доминированием тонкой нитчатой Limnothrix redekei (Van Goor)
Meffert., составляющей более половины биомассы в ценозах июля-августа и часто вегетирующей вплоть до октября. В марте 2003 г. отмечалось массовое развитие Limnothrix redekei
подо льдом. Как правило, сопутствует ей
Pseudanabaena limnetica (Lemm.) Kom. - доминант 1987-89 гг. (Ляшенко, 1991). Все чаще на
позиции доминанта и часто встречаемого вида
выходит Planktothrix agardhii (Gom.) Anagn.
– 165 –
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Сергей И. Сиделев, Ольга В. Бабаназарова. Анализ связей пигментных и структурных характеристик…
Рис. 2. Сезонная динамика концентраций хлорофилла Хл “а” (мкг/л) и биомассы фитопланктона B (мг/л)
ɪɢɫ.2
в озере Неро
et. Kom., в июле 2005 г. этот вид являлся одним из доминантов ценоза. Доминанты конца
80-х Aphanizomenon gracile (Lemm.) Lemm.
и Microcystis aeruginosa Kütz. emend. Elenk.
в настоящий период также время от времени
достигают доминантных позиций, остаются
часто встречаемыми, но все же значение их в
ценозах несколько меньше (Babanazarova and
Lyashenko, 2007).
Вклад других отделов водорослей в
основном имеет большее значение весной и
ранним летом. Так, в мае, как правило, доминирует Aulacosira ambigua (Grun.) Sim., сопутствуют ей другие диатомовые водоросли
Asterionella formosa Hass., Diatoma elongatum
(Lyngb.) Ag., виды родов Synedra и Nitzsсhiа.
В 2004 г. в начале мая пик обилия создавали мелкоклеточные центрические диатомеи
Stephanodiscus minutulus (Kütz.) Cleve et. Möller
и Stephanodiscus hantzschii Grun. Криптофитовые водоросли имели значительный вклад в
биомассу фитопланктона осенью 2002 и летом
2005 гг. Эвгленовые водоросли преимущественно развивались в подледных ценозах и
летом 1999-2000 гг. (Бабаназарова, 2003).
Основным фактором, определяющим сезонное развитие структурообразующих видов,
выделенных в соответствии с функциональной
классификацией К. Рейнольдса и др. (Reуnolds
et al., 2002), является низкая освещенность
(Babanazarova and Lyashenko, 2007).
При сохранении достаточно высокого
богатства видов (до 70-75 в пробе) отмечено
значимое уменьшение индексов разнообразия
Шеннона. Средние значения индексов Шеннона в 2000–2005 гг. варьировали от 2.33 до
3.11 бит/ед. биомассы. В 1987-1988 гг. индексы Шеннона были выше - от 3.62 до 3.85
бит/ед. биомассы (Ляшенко, 1991). Таким образом, в 2000-2005 гг. происходило постепенное возрастание доминирования водорослей
планктотрихетового типа, что характеризует
водоем как находящийся на конечной стадии
фитопланктонной сукцессии в ряду мелководных высокоэвтрофных систем (Reynolds et al.,
2002).
Сопряженный анализ данных по биомассе фитопланктона и содержанию хлорофилла
“a” в сестоне (Хл ”a”) выявил сходство кривых
сезонной динамики обоих показателей в раз-
– 166 –
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Сергей И. Сиделев, Ольга В. Бабаназарова. Анализ связей пигментных и структурных характеристик…
Рис. 3. Пространственное распределение концентраций хлорофилла Хл “а” (мкг/л) и биомассы
фитопланктона B (мг/л) в июле 2002-2003 гг., озеро Неро
ɪɢɫ.3.
ные годы (рис. 2). При анализе пространственного распределения изучаемых параметров по
всей акватории озера наблюдалось хорошее
совпадение концентраций Хл “a” и биомассы
водорослей в июле 2002 года и некоторое расхождение в июле 2003 г. (рис.3).
В 2005 г. впервые для озера Неро были получены данные по распределению изучаемых
параметров в поверхностном и придонных
слоях водной толщи. Концентрации Хл “a”
практически не различались у поверхности и
у дна в течение всего года. Более высокие значения биомассы фитопланктона, как правило,
фиксировали в поверхностном слое воды. В
связи с этим содержание Хл “a” зачастую не
адекватно отражало обилие фитопланктона в
озере на разных горизонтах. Как тенденцию
можно отметить повышение содержания хлорофилла в единице биомассы у дна (табл. 1).
При корреляционном анализе неусредненных данных для отдельных лет наблюдения были получены тесные и высоко значимые положительные корреляции между Хл
“a” и биомассой фитопланктона. При этом
коэффициент корреляции варьировал для раз-
ных лет от 0.72 до 0.97, что гораздо выше его
значений, полученных в исследованиях 80-х
годов (r составлял от 0.55 до 0.73) (Сигарева и
Ляшенко, 1991).
Показательно, что анализ связи абсолютных концентраций Хл “a” с биомассами
отдельных групп водорослей в озере в 20002005 гг. выявил более высокие коэффициенты
корреляции между хлорофиллом и биомассой
синезеленых (г=0.79; р<0.001) по сравнению
с зелеными (г=0.51; р<0.001) и диатомовыми
(г=0.063; р>0.05) водорослями. Обусловлено
это доминированием в фитопланктоне озера
большую часть вегетационного сезона именно нитчатых синезеленых водорослей. Значительное ежегодное увеличение количества Хл
“a” летом и осенью определяется приростом
биомассы доминирующих в озере видов синезеленых водорослей в эти периоды.
В настоящем исследовании установлено,
что связь Хл ”a” и биомассы фитопланктона
лучше всего описывается уравнением степенной функции с коэффициентом корреляции
0.79 (n=57) (рис. 4), что согласуется с данными
О.А. Ляшенко (2004).
– 167 –
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Сергей И. Сиделев, Ольга В. Бабаназарова. Анализ связей пигментных и структурных характеристик…
Таблица 1. Содержание хлорофилла “a” в сестоне (Хл “а”), биомасса фитопланктона (В) и удельное
содержание хлорофилла в сырой биомассе водорослей (Хл/В) в поверхностном и придонном слоях воды
озера Неро в 2005 г. (станция № 4)
Горизонт отбора проб
Месяц
март
Поверхность
Дно
Хл “а”, мкг/л
В, мг/л
Хл/В, %
Хл “а”, мкг/л
В, мг/л
Хл/В, %
2.53
0.27
0.94
3.46
0.07
4.74
май
22.63
2.12
1.06
20.92
0.96
2.18
июнь
142.11
12.31
1.15
156.23
7.22
2.16
август
155.27
14.52
1.07
153.31
12.01
1.27
сентябрь
58.01
2.72
2.13
71.21
5.26
1.35
120
0,49
y = 7,97x
r = 0,793
p < 0,001
ɏɥ "ɚ", ɦɤɝ/ɥ
100
80
60
40
20
0
0
10
20
30
40
50
60
70
ȼ, ɦɝ/ɥ
Рис. 4. Связь концентраций хлорофилла Хл “a” (мкг/л) и биомассы фитопланктона В (мг/л)
в 2000-2005 гг., озеро Неро
ɪɢɫ.4
В работе О.А. Ляшенко (2004) для исследований 1987-1989 гг. приводится уравнение
регрессии (1) между концентрацией Хл “а” и
биомассой фитопланктона в логарифмической
форме:
lg y = 1.03 + 0.67 lg x,
(1)
где y – концентрация Хл “a”, мкг/л, x – биомасса фитопланктона, мг/л.
По нашим результатам логарифмическое
уравнение (2) исследуемых параметров имеет
вид
lg y = 0.9 + 0.49 lg x.
(2)
Более высокий коэффициент регрессии
(0.67) в исследованиях 80-х годов по сравнению с периодом 2000-2005 гг. (0.49) свидетельствует о более высоком содержании Хл
“a” в единице биомассы фитопланктона.
Удельное содержание Хл “a” в сырой
биомассе фитопланктона (Хл/В) за 2000-2005
гг. значительно варьировало как в течение сезонов в северной части озера (0.05-2.13 %), так
и по всей акватории водоёма летом (0.08-3.97
%). Полученные нами величины укладываются
в пределы известных из литературы значений
для других водоемов (0.08-9.7 %) (Трифонова
– 168 –
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Сергей И. Сиделев, Ольга В. Бабаназарова. Анализ связей пигментных и структурных характеристик…
и Десортова, 1983; Nicholls and Dillon, 1978).
Для озера Неро в 1987-1989 гг. отмечались
значения 0.05-1.7 % (Ляшенко, 2004). Средние
в межгодовой динамике (0.51-0.6 %) величины
Хл/В в 1987-1989 гг. статистически значимо
превышали наблюдаемые среднегодовые значения этого показателя за 2000-2004 гг. (0.180.43 %). Лишь в 2005 г. удельное содержание
Хл “а” в единице биомассы фитопланктона
было выше по сравнению с 1987-1989 гг. –
1.1 %.
К основным причинам и факторам,
определяющим вариабельность удельного содержания хлорофилла “a”, наряду с ограниченностью применяемых методов, относятся
свет, биогенные элементы и таксономический
состав фитопланктона (Елизарова, 1993; Трифонова и Десортова, 1983; Desortova, 1981;
Felip and Catalan, 2002; Foy, 1987; Nicholls and
Dillon, 1978; Riemann et al., 1989).
Некоторые исследователи отмечают, что
на связь Хл “a” и биомассы фитопланктона значительное влияние могут оказывать продукты
распада хлорофилла (феопигменты), недоучет
которых приводит к завышению концентраций
Хл “a” и, соответственно, к ошибкам при расчете показателя Хл/В. Так, для Рыбинского водохранилища была установлена более тесная
связь биомассы водорослей с чистым Хл “a” в
разные сезоны года по сравнению с концентрациями общего хлорофилла (без учета феопигментов) (Елизарова, 1974). Влияние продуктов
распада Хл “a” на его удельное содержание в
биомассе фитопланктона озера Неро было выявлено в 2002 г., в период летней депрессии
в развитии фитопланктона, когда содержание
феопигментов достигало 80 % от суммы с
чистым Хл “a”. При учете феопигментов коэффициент корреляции между Хл “a” и биомассой водорослей в целом увеличился с 0.87
до 0.94 (n=15), а в пространственном аспекте в
июле 2002 г. с 0.64 до 0.82 (n=8).
Зависимость Хл/В от некоторых биотических и абиотических факторов среды в озере
Неро подробно рассматривается в работе О.А.
Ляшенко (2004). Отмечается наличие достоверных связей Хл/В с таксономическим составом и биомассой фитопланктона и отсутствие
корреляций с биогенными элементами и прозрачностью воды (табл. 2).
В наших исследованиях также не наблюдалось значимых связей между Хл/В и основными абиотическими факторами – температурой и прозрачностью воды, концентрациями
азота и фосфора (табл. 2).
Влияние таксономического состава фитопланктона на Хл/В хорошо прослеживается
на культурах водорослей. Установлено, что
минимальные значения Хл/В наблюдаются
у синезеленых и диатомовых водорослей, зеленые же водоросли значительно богаче по
содержанию хлорофилла “a” (Пырина и Елизарова, 1971). В природных сообществах это
выражено нечетко: одни исследователи отмечают зависимость показателя Хл/В от таксономического состава фитопланктона (Felip
and Catalan, 2000; Tolstoy, 1979), другие – не
обнаруживают значимых связей (Елизарова, 1974; Desortova, 1981; Nicholls and Dillon,
1978; Voros and Padisak, 1991). В наблюдениях
80-х годов в озере Неро была выявлена слабая
отрицательная корреляция показателя Хл/В
с долей синезеленых водорослей, и положительная связь с долей зеленых водорослей от
общей биомассы (табл. 2).
В озере Неро в период исследований
2000-2005 гг. не удалось установить достоверных связей Хл/В от таксономического состава
фитопланктона при корреляционном анализе
данных, хотя направления связей соответствовали ранее выявленным (табл. 2). Как и в 80-х
годах, основу фитопланктона слагали синезе-
– 169 –
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Сергей И. Сиделев, Ольга В. Бабаназарова. Анализ связей пигментных и структурных характеристик…
Таблица 2. Коэффициенты корреляции между удельным содержанием хлорофилла “а” (%) и некоторыми
биотическими и абиотическими факторами
Годы
Фактор
1987-1989*
2000-2005
Прозрачность по диску Секки, м
0.16
0.32
Температура, С
0.02
0.19
Общий фосфор, мг/л
-0.11
-0.09
Общий азот, мг/л
-0.18
-
Фосфатный фосфор, мг/л
-***
0.11
-
0.08
0
Аммонийный азот, мг/л
Нитратный азот, мг/л
-
-0.14
Биомасса, мг/л
-0.68**
-0.52**
% синезеленых
-0.39**
-0.24
% диатомовых
0.07
0.09
0.48**
0.18
% зеленых
* - данные по (Ляшенко, 2004), ** - коэффициенты корреляции достоверны при р<0.05, *** – отсутствие данных.
леные, диатомовые и зеленые водоросли. При
этом в большинстве проб отмечалось доминирование синезеленых водорослей. Для оценки
зависимости процентного содержания хлорофилла в биомассе от состава фитопланктона
из всего массива данных были выбраны те, в
которых биомасса синезеленых или в сумме
диатомовых и зеленых водорослей составляла
70 % и более от общей биомассы. При этом
различия показателя Хл/В при доминировании
двух выделенных групп водорослей оказались
статистически незначимыми (0.34 % и 0.3 %
соответственно для синезеленых водорослей
и диатомовых с зелеными). По-видимому, отсутствие корреляций в наших исследованиях
может объясняться произошедшими за период с конца 80-х годов изменениями в составе
фитопланктона. Статистически достоверно
уменьшился вклад в общую биомассу фитопланктона зеленых водорослей, содержащих
наибольшее количество Хл “а” в единице биомассы.
Как и в исследованиях 80-х годов, обнаружена достоверная обратная зависимость про-
центного содержания Хл “а” от биомассы фитопланктона (табл. 2). Подобная зависимость
отмечается в водоемах разного типа многими
исследователями (Елизарова, 1993; Изместьева, 1989; Desortova, 1981; Voros and Padisak,
1991). Обратный характер связи показывает,
что увеличение биомассы фитопланктона,
как правило, не ведет к пропорциональному
возрастанию концентраций Хл “а”. Одни исследователи объясняют эту зависимость ухудшением “физиологического” состояния доминирующих популяций водорослей в процессе
их нарастания (Елизарова, 1993). Другие, отмечая прямую корреляцию между биомассой
фитопланктона и объемом клеток водорослей,
считают, что данная связь опосредована влиянием размеров клеток водорослей на удельное
содержание хлорофилла в биомассе (Felip and
Catalan, 2000; Kalchev et al., 1996; Voros and
Padisak, 1991).
Наряду с содержанием хлорофилла “а”
в фитопланктоне, в отечественных работах
широко используются другие пигментные характеристики водорослей (Бульон, 1983; Ми-
– 170 –
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Сергей И. Сиделев, Ольга В. Бабаназарова. Анализ связей пигментных и структурных характеристик…
Таблица 3. Коэффициенты корреляции пигментных и структурных характеристик фитопланктона озера
Неро. Car – концентрация общих каротиноидов; Фео % - процентное содержание феопигментов от суммы
с “чистым” Хл “a”; b/a и с/а – соотношение хлорофиллов “b” и ”с” к Хл “a” соответственно; а % - процентное содержание Хл “a” от суммы хлорофиллов (a+b+c); Вобщ – общая биомасса фитопланктона; Вс-з, Вд,
Вз – биомасса синезеленых , диатомовых и зеленых водорослей соответственно; Вс-з/Вобщ, Вд/Вобщ, Вз/
Вобщ – доля синезеленых , диатомовых и зеленых водорослей от общей биомассы фитопланктона соответственно; Вд+з/Вс-з – соотношение суммарной биомассы диатомовых и зеленых к биомассе синезеленых
водорослей; Нв – индекс Шеннона
Показатель
Е480/Е664
Е430/Е664
Е450/Е480
Car
Фео %
b/a
c/a
a%
Вобщ
-0.35
-0.16
-0.62
0.47*
-0.25
-0.29*
-0.43*
0.45*
В с-з
-0.39*
-0.15
0.68*
0.16
-0.22
-0.33*
-0.36*
0.45*
Вд
0.25
-0.03
0.16
0.77*
-0.27
0.08
-0.27*
0.15
Вз
-0.21
-0.25
-0.28
0.16
-0.15
-0.24
-0.44*
0.44*
Вс-з/Вобщ
-0.36
0.42
-0.85*
-0.13
0.05
-0.11
0.01
0.09
Вд/Вобщ
0.42*
0.33
0.44*
0.48*
-0.13
0.16
-0.07
-0.05
Вз/Вобщ
-0.17
-0.17
0.73*
-0.47*
0.11
-0.15
-0.25
0.29*
Вд+з/Вс-з
0.37
0.02
0.80*
0.09
0.02
0.10
-0.06
-0.03
Нв
-0.31
0.14
-0.03
0.11
0.05
0.11
-0.37
0.12
* - коэффициенты корреляции достоверны при р<0.05.
неева, 2004; Сигарева, 1993a; Сигарева и Ляшенко, 2004).
Изучение содержания каротиноидов в
растительном планктоне не менее важно, чем
определение хлорофиллов. Известны работы,
где рассматривается связь биомассы фитопланктона не только с хлорофиллом “a”, но и с
содержанием каротиноидов (Елизарова, 1974;
Ляшенко, 2004; Foy, 1987; Lehmann, 1981;
Yacobi et al., 1996). Некоторые исследователи
на основе высоких коэффициентов корреляции между суммарным содержанием каротиноидов, полученных спектрофотометрически,
и биомассой фитопланктона (r = 0.89-0.91)
рекомендуют оценивать биомассу водорослей
именно по количеству растительных каротиноидов (Foy, 1987). В других работах показано отсутствие преимуществ каротиноидов над
хлорофиллом “a” в оценке биомассы фитопланктона (Ляшенко, 2004), в том числе и при
применении высокочувствительных хроматографических методов разделения отдельных
желтых пигментов (Lehmann, 1981).
Данные о суммарном содержании каротиноидов в планктоне озера Неро, полученные в
2000-2005 гг., также не выявили преимуществ
в использовании каротиноидов как индикаторов биомассы водорослей по сравнению с хлорофиллом “a” (табл. 3). Следует отметить, что
спектрофотометрический метод определения
каротиноидов предоставляет лишь ориентировочные данные об общем количестве желтых
пигментов, зависящие от таксономического
состава фитопланктона. Методические трудности оценки каротиноидов в общем экстракте
из смешанного фитопланктона не позволяют
использовать их содержание в качестве надежного показателя биомассы и других структурных характеристик водорослей.
Между концентрациями хлорофилла “c”
и биомассами диатомовых, золотистых, криптофитовых и динофитовых водорослей, содержащих данный пигмент, значимых корреляций
обнаружено не было. Между содержанием хлорофилла “b” и биомассой зеленых водорослей
наблюдалась умеренная положительная связь
– 171 –
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Сергей И. Сиделев, Ольга В. Бабаназарова. Анализ связей пигментных и структурных характеристик…
(r=0.36; р<0.05). Слабая связь данных показателей объясняется как значительными ошибками спектрофотометрического определения
дополнительных хлорофиллов, так и ошибками при расчете биомасс данных водорослей
из-за достаточно низкого их обилия в пробах.
Это свидетельствует об ограниченности использования концентраций хлорофиллов “b” и
“c”, полученных спектрофотометрически.
Связь пигментных отношений хлорофиллов (b/а, с/а, а %), а также относительного
количества феопигментов с общей биомассой фитопланктона и соотношением биомасс
определенных отделов водорослей либо отсутствовала, либо характеризовалась невысокими коэффициентами корреляции (табл. 3).
Не обнаружено значимых связей пигментного индекса Е480/Е664 и индекса Маргалефа
(Е430/Е664) со структурными показателями
фитопланктона в озере Неро (табл. 3). Отсутствие корреляций может объясняться разнонаправленным влиянием на данные индексы
состава и обилия фитопланктона (Сигарева и
Ляшенко, 2004).
Другой пигментный показатель – индекс
Е450/Е480 – относительно недавно стал использоваться в гидроэкологических исследованиях (Сигарева, 1993а; Сигарева и Ляшенко,
2004). На основе высоких коэффициентов корреляции Е450/Е480 с долей синезеленых водорослей в общей биомассе предлагается использовать индекс для выявления начальных
этапов цветения водоёма этой группой водорослей. Наши данные по озеру подтвердили
возможность применения индекса Е450/Е480
в качестве показателя развития синезеленых
водорослей.
Коэффициент корреляции между индексом Е450/Е480 и долей синезеленых водорослей от общей биомассы (Вс-з/Вобщ) составил
r = -0.85 (рис. 5).
Проведенный корреляционный анализ
данных по индексу Е450/Е480 и структурным
характеристикам фитопланктона в озере Неро
позволил расширить интерпретацию этого
пигментного показателя (табл. 3).
Наряду с сильной отрицательной связью
индекса Е450/Е480 с долей синезеленых водорослей в общей биомассе наблюдается по-
0,9
0,8
ȼɫ-ɡ/ȼɨɛɳ
0,7
0,6
0,5
0,4
0,3
0,2
0,1
0
1
1,2
1,4
1,6
1,8
2
2,2
2,4
ȿ450/ȿ480
Рис. 5. Связь пигментного индекса Е450/Е480 с долей синезеленых водорослей в общей биомассе
фитопланктона (Вс-з/Вобщ) в озере Неро
ɪɢɫ.5
– 172 –
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Сергей И. Сиделев, Ольга В. Бабаназарова. Анализ связей пигментных и структурных характеристик…
ложительная корреляция с долей зеленых (Вз/
Вобщ) и диатомовых (Вд/Вобщ) водорослей.
Кроме того, обнаружена тесная связь индекса
с отношением биомасс зеленых и диатомовых
водорослей к биомассе синезеленых (Вд+з/
Вс-з) (табл. 3). Направленность выявленных
связей свидетельствует об уменьшении значений индекса при возрастании степени доминирования синезеленых водорослей. Повышенные же величины Е450/Е480 свидетельствуют
о смешанном составе фитопланктона в данный период времени и значительном участии
в биомассе диатомовых и зеленых водорослей.
Это подтверждает данные о минимальных значениях индекса Е450/Е480 (около 1) для пигментов синезеленых водорослей и повышенные величины данного индекса для пигментов
зеленых и диатомовых (Сигарева, 1993a).
На основании этого предварительного
анализа можно выдвинуть предположение об
использовании индекса Е450/Е480 как показателя не только степени развития синезеленых
водорослей, но и вклада в биомассу других
отделов водорослей (диатомовых и зеленых).
Дальнейшее накопление сведений об изменениях индекса Е450/Е480 при различном
составе фитопланктона позволит, возможно,
выделить границы значений индекса, соответствующие конкретным величинам количественного соотношения водорослей на уровне
крупных таксонов.
Заключение
При высоких средневегетационных показателях обилия фитопланктона сезонная динамика биомассы и численности характеризуется минимальными значениями подо льдом,
быстрым нарастанием биомассы весной, доминированием нитчатых синезеленых водорослей планктотрихетового типа с начала июня,
значительной вариабельностью летнего хода
биомассы и высокими значениями осенью.
Планктотрихетовый комплекс в 2000-2005 гг.
характеризовался доминированием Limnothrix
redekei, субдоминированием Pseudanabaena
limnetica, появлением и высоким развитием в
последние годы Planktothrix agardhii.
Проведенный анализ данных по содержанию Хл “a” и биомассе фитопланктона за
2000-2005 гг. показал наличие тесных прямых
корреляций между данными показателями в
конкретные годы. Изменения концентраций
хлорофилла хорошо отражают сезонную динамику обилия фитопланктона в озере Неро;
меньшая сопряженность наблюдается в пространственном распределении обоих параметров, а также на разных горизонтах водной
толщи.
Показано отсутствие значимых корреляций удельного содержания Хл “а” с абиотическими факторами и таксономическим составом фитопланктона в условиях мелководного
высокоэвтрофного водоема с преобладанием в
фитопланктоне синезеленых водорослей планктотрихетового типа.
Установлено, что при высоком содержании в пробах феопигментов наиболее показателен в оценке обилия фитопланктона “чистый” хлорофилл “а”.
Значительная вариабельность показателя
Хл/В не позволяет вывести общее уравнение
связи между содержанием Хл “а” и биомассой фитопланктона на основе многолетних
исследований даже в одном конкретном водоеме. Для разных периодов исследования
озера получены линии регрессии с разным
углом наклона. Содержание хлорофилла “а”
в планктоне следует рассматривать в качестве
самостоятельного экологического показателя,
отражающего скорее продукционные возможности фитопланктона, чем реализованную
биомассу водорослей.
Из всех рассматриваемых в работе пигментных показателей (хлорофиллы “b” и “c”,
– 173 –
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Сергей И. Сиделев, Ольга В. Бабаназарова. Анализ связей пигментных и структурных характеристик…
индексы Е480/Е664, Е430/Е664, Е450/Е480,
каротиноиды и феопигменты) тесные и значимые связи структурных характеристик фитопланктона обнаружены с индексом Е450/Е480.
Предлагается использовать данный индекс не
только как показатель развития синезеленых
водорослей, но и как показатель соотношения
определенных таксономических групп фитопланктона.
Список литературы
Бабаназарова О.В. (2003) Структура фитопланктона и динамика содержания биогенных
элементов в озере Неро. Биология внутренних вод. 1: 33-39
Бабаназарова О.В., Ляшенко О.А., Лазарева В.И., Сигарева Л.Е., Зубишина А.А., Холт Д.,
Смирнова С.М., Сиделев С.И., Калинина О.Е. (2004) Результаты мониторинга планктонного сообщества озера Неро. В: Казин В.Н. (ред.) Экологические проблемы уникальных природных и
антропогенных ландшафтов. Ярославль, ЯрГУ, с. 88-98
Бикбулатов Э.С., Бикбулатова Е.М., Литвинов А.С., Поддубный С.А. (2003) Гидрология и
гидрохимия озера Неро. Рыбинск, Изд-во ОАО “Рыбинский Дом печати”, 192 с.
Бульон В.В. (1983) Первичная продукция планктона внутренних водоёмов. Л., Наука,
150 с.
Довбня И.В. (1991) Высшая водная растительность озера Неро. В: Ривьер И. К. (ред.) Современное состояние экосистемы озера Неро. Рыбинск, ИБВВ АН СССР, с. 62-73
Елизарова В.А. (1974) Содержание фотосинтетических пигментов в единице биомассы фитопланктона Рыбинского водохранилища. В: Экзерцев В.А. (ред.) Флора, фауна и микроорганизмы Волги. Рыбинск, ИБВВ АН СССР, с. 46-66
Елизарова В.А. (1993) Хлорофилл как показатель биомассы фитопланктона. В: Пырина И.Л.
(ред.) Методические вопросы изучения первичной продукции планктона внутренних водоемов.
Спб., Гидрометеоиздат, с. 126-131
Ермолаев В.И. (1989) Фитопланктон водоёмов бассейна озера Сартлан. Новосибирск, Наука, 96 с.
Изместьева Л.Р. (1989) Связь между биомассой фитопланктона и концентрацией хлорофилла. В: Коновалов С.М. (ред.) Экология фитопланктона Куйбышевского водохранилища. Л.,
Наука, с. 199-202
Кузьмин Г.В. (1975) Фитопланктон. Видовой состав и обилие. В: Мордухай-Болтовский
Ф.Д. (ред.) Методика изучения биогеоценозов внутренних водоёмов. М., Наука, с. 73-87
Ляшенко О.А. (1991) Фитопланктон озера Неро. В: Ривьер И. К. (ред.) Современное состояние экосистемы озера Неро. Рыбинск, ИБВВ АН СССР, с. 10-32
Ляшенко О.А. (2004) Растительные пигменты как показатели биомассы фитопланктона в
мелководном эвтрофном озере. Проблемы региональной экологии. 5: 6-14
Ляшенко О.А., Минеева Н.М., Метелева Н.Ю., Соловьева В.В. (2001) Пигментные характеристики фитопланктона Угличского водохранилища. Биология внутренних вод. 2: 77-84
Минеева Н.М. (2004) Растительные пигменты в воде Волжских водохранилищ. М., Наука,
156 с.
– 174 –
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Сергей И. Сиделев, Ольга В. Бабаназарова. Анализ связей пигментных и структурных характеристик…
Минеева Н.М. (2006) Содержание фотосинтетических пигментов в водохранилищах Верхней Волги (1994-2003 гг.). Биология внутренних вод. 1: 31-40
Пырина И.Л. (1992) Содержание хлорофилла и продуктивность фитопланктона озера Плещеево. В: Семерной В.П. (ред.) Факторы и процессы эвтрофикации озера Плещеево. Ярославль,
ЯрГУ, с. 18-28
Пырина И.Л., Елизарова В.А. (1971) Спектрофотометрическое определение хлорофиллов
в культурах некоторых водорослей. В: Штегман Б.К. (ред.) Биология и продуктивность пресноводных организмов. Л., Наука, с. 56-65
Сигарева Л.Е., Ляшенко О.А. (1991) Пигментные характеристики фитопланктона озера
Неро. В: Ривьер И. К. (ред.) Современное состояние экосистемы озера Неро. Рыбинск, ИБВВ
АН СССР, с. 32-53
Сигарева Л.Е. (1993а) Пигментная модель фитопланктона и её использование. В: Пырина
И.Л. (ред.) Методические вопросы изучения первичной продукции планктона внутренних водоёмов. СПб., Гидрометеоиздат, с. 120-125
Сигарева Л.Е. (1993b) Спектрофотометрический метод определения пигментов фитопланктона в смешанном экстракте. В: Пырина И.Л. (ред.) Методические вопросы изучения первичной продукции планктона внутренних водоёмов. СПб., Гидрометеоиздат, с. 75-85
Сигарева Л.Е., Ляшенко О.А. (2004) Значимость пигментных характеристик фитопланктона
при оценке качества воды. Водные ресурсы. 4: 475-480
Сиделев С.И., Бабаназарова О.В. (2005) Зависимость сезонной динамики хлорофилла “a” от
некоторых факторов водной среды в северной части озера Неро. В: Казин В.Н. (ред.) Современные проблемы биологии, экологии, химии. Ярославль, ЯрГУ, с. 137-142
Трифонова И.С. (1979) Состав и продуктивность фитопланктона разнотипных озёр Карельского перешейка. Л., Наука, 168 с.
Трифонова И.С., Десортова Б. (1983) Хлорофилл как мера биомассы фитопланктона в водоёмах разного типа. Гидробиологические процессы в водоемах. Л., Наука, с. 58-80
Babanazarova O.V., Lyashenko O.A. (2007) Inferring long-term changes in the physicalchemical environment of the shallow, enriched lake Nero from statistical and functional analyses of its
phytoplankton. J. Plankton Res. 9: 747-756
Canfield D.E.Jr., Linda SB., Hodgson L.M. (1985) Chlorophyll-biomass-nutrient relationships for
natural assemblages of Florida phytoplankton. J. AWRA. 3: 381-391
Desortova B. (1981) Relationship between chlorophyll-a concentration and phytoplankton biomass
in several reservoirs in Czechoslovakia. Int. Revue ges. Hydrobiol. 2: 153-169
Felip M., Catalan J. (2000) The relationship between phytoplankton biovolume and chlorophyll in
a deep oligotrophic lake: decoupling in their spatial and temporal maxima. J. Plankton Res. 1: 91-106
Foy R.H. (1987) A comparison of chlorophyll-a and carotenoid concentrations as indicators of
algal volume. Freshwater Biology. 17: 237-250
Granberg K., Harjula H. (1982) On the relation of chlorophyll-a to phytoplankton biomass in some
Finnish freshwater lakes. Arch. Hydrobiol. Beih. 16: 63-75
Hallegraeff G.M. (1977) A comparison of different methods used for the quantitative evaluation of
biomass of freshwater phytoplankton. Hydrobiologia. 55: 145-165
– 175 –
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Сергей И. Сиделев, Ольга В. Бабаназарова. Анализ связей пигментных и структурных характеристик…
Hillebrand H., Durselen C-D., Kirschtel D., Pollingher U., Zohary T. (1999) Biovolum calculation
for pelagic and benthic microalgae. J. Phycol. 35: 403-424
Javornicky P. (1974) The relationship between productivity and biomass of phytoplankton in some
oligotrophic waterbodies in the German Democratic Republic. Limnologica 9: 181-195
Jeffrey S.W., Humphrey G.F. (1975) New spectrophotometric equations for determing chlorophylls
a, b, c1 and c2 in higher plants algae and natural phytoplankton. Biochem. Phys. Pflanz. 2: 191-194
Kalchev R.K., Beshkova M.B., Boumbarova C.S., Tsvetkova R.L., Sais D. (1996) Some allometric
and non-allometric relationship between chlorophyll-a and abundance variables of phytoplankton.
Hydrobiologia. 341: 235-245
Lehmann P.W. (1981) Comparison of chlorophyll a and carotenoid pigments as predictors of
phytoplankton biomass. Marine Biology. 65: 237-244
Lorenzen G.J. (1967) Determination of chlorophyll and pheopigments: spectrophotometric
equations. Limnology and Oceanography. 2: 343-346
Nicholls K.H., Dillon P.J. (1978) An evaluation of phosphorus-chlorophyll-phytoplankton
relationships for lakes. Int. Revue ges. Hydrobiol. 2: 141-154
Parsons T.R., Strickland J.D.H. (1963) Discussion on spectrophotometric determination of marine
plant pigments with revised equations for ascertaining chlorophylls and carotenoids. J. Marine Res. 3:
155-163
Reynolds C.S., Huszar V., Kruk C., Naselli-Flores L., Melo S. (2002) Towards a functional
classification of the freshwater phytoplankton. J. Plankton Res. 5: 417-428
Riemann B., Simonsen P., Stensgaard L. (1989) The carbon and chlorophyll content of phytoplankton
from various nutrient regimes. J. Plankton Res. 5: 1037-1045
SCOR-UNESCO (1966) Working Group N 17. Determination of photosynthetic pigments in sea
water. Monographs on oceanographic methodology. Paris, UNESCO, p. 9-18
Tolstoy A. (1979) Chlorophyll a in relation to phytoplankton volume in some Swedish lakes. Arch.
Hydrobiol. 2: 133-151
Voros L., Padisak J. (1991) Phytoplankton biomass and chlorophyll-a in some shallow lakes in
central Europe. Hydrobiologia. 215: 111-119
Yacobi Y.Z., Pollingher U., Gonen Y., Gerhardt V., Sukenik A. (1996) HPLC analysis of
phytoplankton pigments from Lake Kinneret with special reference to the bloom-forming dinoflagellate
Peridinium gatunense (Dinophyceae) and chlorophyll degradation products. J. Plankton Res. 10: 17811796.
– 176 –
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Сергей И. Сиделев, Ольга В. Бабаназарова. Анализ связей пигментных и структурных характеристик…
The Link Analysis of the Pigmentary and Structural Characteristics
of the High-Eutrophic Lake Phytoplankton
Sergey I. Sidelev and Olga V. Babanazarova
Yaroslavl Demidov State University,
9 Matrosova, Yaroslavl, 150000 Russia
The relation between pigmentary and structural characteristics of phytoplankton is analyzed by the
example of a high-eutrophic lake (Lake Nero, Yaroslavl area) where grey-blue algae of planktotrichetic
type prevail in phytoplankton. Strong positive correlation between chlorophyll “a” content in seston
and phytoplankton biomass is noticed in concrete years. The regression lines with different tilt angles
have been obtained at the comparative analysis of a chlorophyll - biomass relation with the previous
researches (1987-1989) and it does not allow to determine a transitive factor between the total aglae
biomass and chlorophyll amount in a separately taken reservoir even on the basis of a long-term
supervision. Wide variability of the specific chlorophyll “a”content in a unit of raw phytoplankton
biomass (0.05-3.97 %) is marked. The reasons of chlorophyll abundance fluctuations in phytoplankton
are discussed. Of all the phytoplankton pigmentary parameters considered in this work (chlorophylls
“b” and “c”, indexes Е480/Е664, Е430/Е664, Е450/Е480, carotenoids, pheopigments) the close and
significant links of phytoplankton structural characteristics are found out only with pigmentary index
Е450/Е480.This index is proposed to be used as a ratio parameter of certain phytoplankton taxonomic
groups.
Key words: chlorophylls, phytoplankton biomass, carotenoids, pigment indexes.
– 177 –
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Review. Krasnoyarsk Water Reservoir: Monitoring, Biota, Water Quality
Journal of Siberian Federal University. Biology 2 (2008 1) 178-186
~~~
Krasnoyarsk Water Reservoir:
Monitoring, Biota, Water Quality
Received 2.06.2008, received in revised form 25.08.2008, accepted 27.08.2008
This joint work generalizes the results of the Krasnoyarsk water reservoir ecological monitoring held
by the faculty, researchers and students of Krasnoyarsk State Universityа (at the moment Siberian
Federal University) in 1977-2005.
For the first time during the existence of the Krasnoyarsk water reservoir the many years monitoring
survey resulted in the analysis of synchronously gained hydrological, hydro-chemical and hydrobiological materials; species compositions of phyto-, zooplankton, zoobenthos, periphyton have been
listed; fish physiological biochemical characteristics have been given. Biota structural functioning
organization, its productive-destructive dynamics have been shown. Regression equations have been
calculated by quantitative link between average-vegetation and august values of the biota components’
density, production and destruction. The complex evaluation of the water quality by its chemical and
biological (bio-indication, bio-testing) descriptors has been done for the first time; the following
systems modified for the Krasnoyarsk water reservoir have been developed: «system of saprotaxob
analysis», «Woodiviss biotic index system», «Unified classifier of water quality assessment by chemical
and biological values»; the ecosystem condition has been evaluated by many-year monitoring survey
of phyto-, and zooplankton has been done and its ecological modifications have been determined. The
mathematical aspects of the biota and water quality analysis and the computer model of the water
reservoir ecosystem condition have been described for the first time.
The monograph is aimed at professionals and students majoring in hydro-ecology, fish breeding
industry, experts in environmental protection and use of water resources.
1. Strategy and Tactics of the Organization of Ecological Monitoring
of the Krasnoyarsk Reservoir
Z.G. Gold, A.V. Shaposhnikov, V.M. Gold
Discussion of various definitions of ecological monitoring and normative documents on the
organization of state environmental monitoring is lead. Works on the organization and implementation
of environmental monitoring to Krasnoyarsk reservoir are grouped into 4 blocks: 1 – the development of
monitoring programs, grid of stations, strategies; 2 – a cycle of information-analytical work, including
the establishment of the database; 3 – using of the mathematical device of an efficient estimation and
forecasting of ecosystem state; 4 – formation of the block of executors – professionals.
Leading principles of monitoring are fixed: synchronism in gathering a material, maintenance
of spatio-temporal parameters, automation of techniques of gathering materials, its processing, high
professionalism of executors.
– 178 –
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Review. Krasnoyarsk Water Reservoir: Monitoring, Biota, Water Quality
2. The Basic Characteristics of Hydrological, Hydrophysical and Hydrochemical Modes
of a Krasnoyarsk Reservoir
Z.G. Gold
The analysis of spatio-temporal dynamics of a water level, temperature, water transparency,
chemical components (a mineralization of waters, water hardness, water turbidity, redox potential, pH,
O2, ammonium, nitrates, nitrites, phosphorus the general, iron, manganese, zinc, cadmium, copper,
aluminium, mercury, chromium, lead, organic matters – БПК5 (biochemical oxygen demand), ХПК
(chemical oxygen demand), ВОВ, oil products, СПАВ, phenols) is lead. An information role of
chemical components in an estimation of water quality analyzed in chapter 5.
3. Structural Characteristics of Krasnoyarsk Reservoir Aquatic Communities
3.1. High Aquatic Plant
Z.G. Gold, E.A. Ivanova
The high aquatic plant (macrophyte) diversity in Krasnoyarsk reservoir was studied from 1978 to
2005. Macroscopic flora included the 29 species (15 families) aquatic angiosperms (flowering plants),
Equisetaphyta -1, Bryophyta – 1. An aquatic plant can be defined as one that is normally found growing
in association with standing water whose level is at or above the surface of the soil. The macrophytes
occurred in the shallow upper part of the Krasnoyarsk reservoir.
3.2. Phytoplankton
E.A. Ivanova, N.N. Kojevnicova, L.A. Glushenco
The phytoplankton of Krasnoyarsk reservoir have been studied in the period from 1977 to 2005 years.
The diatom, green and blue-green algae was consisted the most taxonomic diversity of phytoplankton.
Maximum biomass of phytoplankton was observed in 1976, 1992, 1993 years in seasonal dynamics.
The blue-green algae was blooming in July – August in surface lower (5-15 sm) of the water in the all
Krasnoyarsk reservoir.
3.3. Zooplankton
I.I. Morozova, G. A. Enikeev, I. G. Enikeeva
Zooplankton species composition has been analyzed; the spatial temporal dynamics of its number,
biomass, individual mass of zooplankton organisms as well as interconnection between August and
average vegetation zooplankton density have been considered.
3.4 Bacterioplankton
E.Y. Muchkina
In water ecosystems planktonik bacteria are an integral functional and structural component of the
plankton community.
We have been studing Krasnoyarsk Reservoirs for twenty eight years (1978 – 2005) from eighth to
thirty fifth year of its functioning. In the dynamics of the numbers of bacterioplankton trough different
years of analyzed time period several situations might be picked out:
– 179 –
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Review. Krasnoyarsk Water Reservoir: Monitoring, Biota, Water Quality
- unfil the 20 years of the functioning of the reservoir the average vegetation values of the
bacterioplakton varied within the narrow rage of 1.5-2.7 mln cells/ml;
- from 21nd to 24th years of functioning of the reservoir – regular increase of the number of
bacteria up to maximum of 4.5 mln cells/ml;
- 25th-35th years of functioning of the reservoir – noticeable variations of the number of bacteria:
the decrease down to 1.9 mln cells/ml is changed to rising up to 2.7 mln cells/ml.
The seasonal dynamics of the numbers and biomass of the bacterioplankton are substantially
varying though the years and different reservoir regions.
3.5. Macrozoobenthos of the Krasnoyarsk Water Reservoir
Z.G. Gold, G.N. Skoptseva, S.P. Shulepina
For the period of time from 1978 to 2005 (the 8th – 35th years of the Krasnoyarsk water reservoir
existence 224 species of bottom animals have been registered: the dominating ones among them
are chironomids, sub-dominating ones are oligochaetes. They determine the formation of “soft”
macrozoobenthos. The density of the bottom assemblages varies in years, grounds, decreasing by
the water reservoir axis from the upper to middle area. Regression equations have been calculated by
average-vegetation and august density values; they will allow calculating the average summer density
by August data only in the future. Zoobenthos species zonal distribution by the depths and grounds has
been determined at the sample of longitudinal sections on Krasnoturansk (the upper area), Novoselovo
(the middle area) and Priplotinny (by-dam lower area) stretches of the Krasnoyarsk water reservoir.
3.6. Zooneuston
M.I. Gladyshev
In the paper data obtained during four sampling seasons of Krasnoyarsk reservoir using methods
for investigation of marine zooneuston was considered. List of species of zooneuston of this reservoir
was composed. Evidences was provided that wind did not eliminate maximum of density of zooneuston
in surface film of water. Division of fresh-water zooneuston into three groups was suggested: obligatory
zooneuston of pools, littoral zooneuston and universal controbionts. Dinamics of daily vertical migrations
of benthoneuston in Krasnoyarsk reservoir was described in details.
3.7. Ichthyophauna
S.M. Chuprov
A review of materials on biology fish Krasnoyarsk reservoir for last 30 years was fulfilled. The
up-to-date information about distribution, growth, reproduction, nutrition of such species as are. The
content of heavy metals in the water and muscular tissue of fish was determined using the method of
atomic absorption.
3.8. Periphyton
L.A. Glushchenko, I.I. Morozova
Within the ecological monitoring of Krasnoyarsk water reservoir conducted in years 2000-2005 the
structure of periphyton (phyto-, zooperiphyton) as the component of ecosystem biota was investigation
for the fist time.
– 180 –
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Review. Krasnoyarsk Water Reservoir: Monitoring, Biota, Water Quality
Phytoperiphyton in Krasnoyarsk water reservoir is with presented by 88 species of algae with 52
diatoms (Bacillariophyta), 9 blue-green (Cyanophyceae), 25 green (Chlorophyteae) and 2 Euglenophyta
among them. The structure forming complex of phytoperiphyton was included the following sessile
algae: Cymbella prostrata, Didymosphenia geminata, Cladophora glomerata and others. Zooperiphyton
was represented by 22 species and forms, particularly 8 crustaceans (Crustacea), 3 rotifiers (Rotatoria),
2 dipteran (Diptera), 7 oligochaete (Oligochaetea) and 2 molusks (Mollusks). The structure forming
complex of zooperiphyton was represented by Nais barbata, Chydorus sphaericus, Testudinella patina,
Trichotricha truncate, Glyptotendipes gripekove.
Interannual, seasonal and regional (wide parts of the reservoir) analysis of dynamics of species
diversity and density of phyto-, zooperiphyton communities in Krasnoyarsk water reservoir was
conducted.
4. Functioning of Krasnoyarsk Reservoir Aquatic Communities
4.1. Determination of Structurally Functional Parameters of Algal Cenosis
on the Basis of Data of the Fluorescent Analysis
N.A. Gaevsky
In this section methodical features of determination of chlorophyll a concentration at three
phytoplankton taxanomic groups, including diatoms, green and blue-green algae on the basis of spectral
features of fluorescence are considered. Also the opportunity of definition of total phytoplankton primary
production is shown.
Taxonomic structure of phytoplankton of the Krasnoyarsk reservation (August, 1982) from
its riverheads to dam of hydroelectric power station is presented as frequency distribution of the
share contribution of concentration of a chlorophyll and everyone taxonomic groups to the general
concentration of a chlorophyll a.
Distribution of a chlorophyll a between the basic departments of algae was heterogeneous in
the top part of reservation and wass the most homogeneous in an average part of it. The site located
above a dam, keeps features algal cenosis in the central part. On total concentration of a chlorophyll a
were allocated Krasnoturansk (36 mg/m3) and Primorsk (35 mg/m3) reaches. In most cases values of
concentration concentration was within the limits of 2,5-7, mg/m3.
Unimodular character of distribution of sizes of total primary production with a maximum in
center Krasnoturansk region of a reach and appreciable advantage of the bottom sites above top is
established.
The fluorescent method has allowed to receive a detailed picture of spatial variability of structural
and functional parameters phytoplankton of the Krasnoyarsk reservation during mass development of
blue-green algae (August, 1982). For the characteristic of the reservation a greater degree the grouping
of data on reaches, than on separate stations or on their accessory approaches the top, average or bottom
areas.
– 181 –
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Review. Krasnoyarsk Water Reservoir: Monitoring, Biota, Water Quality
4.2. The Krasnoyarsk Water Reservoir Plankton Components’ Contribution
to the Organic Matter Destruction
I.M. Popeltitskaya
According to the results of many year investigation of the Krasnoyarsk water reservoir by various
methods the plankton components’ breathing and contribution into the general destruction process have
been analyzed. During the monitoring research at the Krasnoyarsk water reservoir a test determining
plankton components’ contribution into the organic matter destruction process has been done. The
test and semi-empirical methods resulted in discovering the dependence of the phyto-plankton’s
breathing intensity on the assemblage density and species diversity. According to the collected data the
contribution of phyto-, bacterial and zooplankton into the general breathing varies in years, months and
water reservoir areas. The semi-empirical method of calculation to determine the Krasnoyarsk water
reservoir plankton biota components’ breathing is recommended.
4.3. Productive – destructive Characteristics of plankton and Bottom Assemblages
Z.G. Gold
Spatial temporal dynamics of the primary and secondary production and organic matters’
destruction values have been analyzed. Regression equations have been calculated by quantitative link
between average-vegetation and august values of the production and losses on metabolic processes. By
the data of the equations and corresponding indexes the following one-month August surveys will allow
gaining average-vegetation productive – destructive values.
The following correlation coefficients have been calculated: bulk primary plankton production
– destruction, secondary production – losses on metabolism processes of bacterial, zooplankton,
zoobenthos; production – biomass (by all biota components). Average values of biota-proяяяяduced
organic matter and its losses on metabolic processes have been calculated for the period of the
Krasnoyarsk water reservoir monitoring.
5. Water Quality and Trophic Status of the Krasnoyarsk Water Reservoir
Z.G. Gold
Complex water quality assessment of the Krasnoyarsk water reservoir has been done in different
areas by chemical descriptors (such as water pollution index, water pollution complexity coefficient)
and biological ones (such as bio-indication and water bio-testing). Spatial temporal dynamics of
zoobenthos, phyto- and zooplankton’s saprobity indexes as well as biotic index of Woodiviss modified
for the Krasnoyarsk water reservoir, levels of water toxicity determined by bio-testing (luminescent
bacteria, algae, slipper animalcules) have been analyzed. The introduction of the saprotaxobity analysis
has been substantiated; the lists of hydro-bionts species with individual saprotaxobity values have been
given. The unified water quality classifier has been developed. By many years monitoring observations
of phytoplankton and zoobenthos density values ecological modifications in various conditions of
biocenosis metabolisms have been analyzed.
Trophic characteristics of the water reservoir by the bulk initial production (гС/м2*сут.) and biomass
of bacterial plankton, zooplankton and zoobenthos. The trophic type (eutrophic – hypereutrophic, V –
VII classes of increased and high food capacity) has been determined as a priority one.
– 182 –
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Review. Krasnoyarsk Water Reservoir: Monitoring, Biota, Water Quality
6. Development of Automation the Information and Software for Hydrobiological Researches
of the Krasnoyarsk Reservoir
B.V. Olejnikov
Article deals with some directions and outcomes related to the establishment of software for
hydrobiological research of Krasnoyarsk reservoir starting at 1980.
In particular, results concerned with the establishment of the sufficiently original dataware
automation system, that works for programmable scripts – AIPS «Delta-3D», information-graphics
system “Gera-2”, permissive to attach data, received during the field observations, to cartographical
information, as well as modeling of various biotic processes results are represented.
Worked out tabular processors for realization rapid data analysis, its preparation and declaration
for further handling are submitted.
High emphasis is placed on review of missing (blank) data that can appear in hydrobiological
research. Mathematical methods of reconstruction are proposed for some part of such data (missing
data of the 2nd kind).
Article also deals with developed generalized ratio of similitude that may generate different known
and unknown nominal as well as metrical coefficients using parametric settings.
All considered tools were used extensively during the work with hydrobiological data of
Krasnoyarsk reservoir and can be used in other studies.
7. Mathematical Model of the Krasnoyarsk Water Reservoir Ecosystem
V.E. Raspopov, V.A. Sapozhnikov
To investigate the Krasnoyarsk water reservoir ecosystem a three-dimensional mathematical model
was developed. For the cases when the dynamic variable models depend upon time only and upon time
and depth the outcomes of the computing experiments are given. It is proposed to find the indexes of the
mathematical model, that are not determined experimentally, by solving reverse problems.
Conclusion
Z.G. Gold
While forming the monograph “The Krasnoyarsk water-storage basin: monitoring, biota, water
quality “ there has been set a task to examine the Krasnoyarsk water-storage basin ecosystem as the
complete, strictly organized formation all parts of which are interconnected in a certain way. Particular
separate results of the survey of biotic and abiotic components have allowed to proceed to consideration
of the general properties of the water basin ecosystem.
Comparability and objectivity of ecosystem components characteristics have been provided with
a methodological principle of researches: they have been carried out from the seventh (1977) to the
thirty fifth (2005) years of the water basin functioning, within the framework of ecological monitoring
– the systems of long-term regular supervision, estimations and the forecast of antropogenic and natural
changes in the environment according to specially developed programs. The ecological monitoring
which is carried out in the Krasnoyarsk water-storage basin included 4 blocks:
1 – development of programs, networks of observation stations, methods and techniques of
researches;
– 183 –
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Review. Krasnoyarsk Water Reservoir: Monitoring, Biota, Water Quality
2 – a cycle of information-analytical works, including formation of a database “Biota”;
3 – search for the mathematical apparatus parameters with the purpose of creation of the tool of the
operative estimation and the forecast of the water basin ecosystem condition;
4 – formation of the team of executors – professionals.
The Krasnoyarsk water-storage basin is a large deep-water reservoir generated in the upper part
of the Yenisei River middle reaches: the filling of the water basin was carried out in 1967-1970, the
extension in the meridional direction from the north to the south is 386 kms, at a normal pond level
(NPL=243 m B.S.), the water surface area is 2000 км2, the maximal width in the area of Krasnoturansk
Reach is 15 kms, minimal – in the area near the dam – 2,5 kms, the maximal depth at the dam – 105 m,
average in the water basin – 36,7 m, the water level drawdown within one year is 6 – 18 m. During the
formation of the water basin the most significant changes were the increase of underground backwaters,
the growing character of coast rearrangement and accordingly the soil transformation. The deep-water
character and the big extent of the water basin determined a discrete vertical zonality, development of
horizontal heterogeneity in the distribution of temperature and transparency, the formation of a thermal
bar. The photic layer depth corresponded to the depth of epilimnion.
A priority component in the system organization of the ecological system of the Krasnoyarsk
water-storage basin is biota. Biota’s autotrophic element including higher aquatic plants and algae is
formed according to general biological laws, in terms of structure and function. Higher aquatic plants
in the Krasnoyarsk water- storage basin are weakly developed, 29 species are registered. Macrophytes
do not form significant thickets, they do not occupy big territories. It is caused by the small share of
shoals and littoral, a high water drawdown level, by the formation of emptiness between ice and water
in spring. Settling ice lumps tear off the anlages of the higher aquatic plants, the vegetation growing
up along the coast by August turns out to be submerged. It seems more realistic that in the future the
existing hydrological mode of the water basin would not allow macrophytes to form dense thickets in
the big territories.
The species diversity of natural communities of the Krasnoyarsk water- storage basin was formed
in 1977-2005 in the direction of decrease and structure simplification of phyto-zooplankton, neuston,
zoobenthos and ichthyofauna; the structure-forming complexes were generated. The parameters values
of the communities density were naturally reduced along the axis from the upper area to the dam,
varying in the interannual and seasonal aspects.
The water bloom caused by the mass development of grey-blue algae became apparent in the sixth
year of the water basin functioning (on the Krasnoturansk Reach), it amounted to maximum in the twelfth
(1982-5,7 g/m3) and the twenty third (1993 – 4,6 g/m3) years of functioning. Since the 24th year (1994) the
level of bloom has decreased up to Class I (B = 0,7 – 0,1 g/m3).
In the ichthyofauna structure of the Krasnoyarsk water-storage basin 26 fish species and one
representative of Agnatha (jawless animals) – the lamprey Siberian – are revealed. New species for
the water basin are those which were acclimatized – the bream, the Baikal cisco, the syrok.. The carp
penetrated into the reservoir from the fish-breeding ponds. The Siberian sturgeon and the sterlet are
not numerous in the water basin. In comparison with the conditions which existed before the river
monitoring, the diseases that were not peculiar for the fish of the water basin earlier are revealed:
ligulosis, digrammosis, diphyllobothriasis, “stomach ulcer”. The infection of diphyllobothriasis is
noticed as a disease of such fish as the pike, the perch, the taimen, the burbot; the perch may be infected
– 184 –
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Review. Krasnoyarsk Water Reservoir: Monitoring, Biota, Water Quality
with “stomach ulcer”. The main reason of the spread of diphyllobothriasis is the penetration of tapeworm
eggs into the water basin with settlement sewage, navigable transport, animal excrements .
During the years of the intensive water “flowering” pathological changes of cells were constantly
registered on the blood smears of the fish of the Krasnoyarsk water-storage basin: hypersegmentation of
a nucleus, poikilocytosis, schistocytosis.
The functioning of the water basin ecosystem is determined to a great extent by the productional
processes level, by the ratio of values of production and destruction of organic substance by biota. The
values of total primary production of the plankton of the Krasnoyarsk water basin changed in a range:
from 0,6 to 73,0 kJ/m3 per day, the mean value is 15,5±0,76 kJ/m3 per day. The destruction of organic
substance by plankton in the water basin pelagos was equal on average to 21,53±1,41 kJ/m3 per day with
the amplitude of variation from 4,0 to 82 kJ/m3 per day.
As a whole, according to the monitoring research materials of the Krasnoyarsk water-storage basin
ecosystem (1978-1997 г.г.), it was ascertained:
- every day the plankton produces 436,89±49,34 kJ/m2 per day in the water column under a square
meter;
- the shares of production of organic substance by the heterotrophic component had the following
distribution in the ranged line: bacterial plankton (28,2 %)> zooplankton (0,31%)> zoobenthos
(0,02 %).
- every day in the water column under a square meter (benthos on m2)the biota spends 954,2 kJ/
m2 per day of organic substance on the maintenance of vital processes. According to the shares
of destruction values of the biota components the ranged number line had the following form:
phytoplankton (56,63 %)> bacterial plankton (42,72 %)> zooplankton (0,63 %)> zoobenthos (0,02
%).
In the communities of plankton and benthal filter-feeders, detritophages and omnivores prevail, they
provide the main stream of energy in the detrital food network. It is impossible to estimate quantitatively
the streams of energy in the Krasnoyarsk water-storage basin ecosystem as a whole, as the data on the
fish productional parameters is not received.
Fluctuations of structural and functional parameters did not go beyond the range limits of the
evolutionary-fixated corridor. The ecosystem catastrophic changes in response to external influences
had a local character, as they moved away from the source of pollution, they were quickly restored after
two – three years.
According to the synchronously received file of mid-vegetation (y) and August (x) values of
density, production and destruction of organic substance of bacterial plankton, phyto-, zooplankton
and zoobenthos, the exponential regression equations (y = a + xb) with specific factors (a, b) for the
top, middle and bottom areas of the water basin are calculated. The equations can be used to obtain
mid-vegetation parameters on one-monthly, August values, as a forecasting model. V.K.Shitikov, etc.
(2005) successfully showed the importance of the forecasting character of equations by the example of
the analysis of chemical and biological parameters, they noted that «... The best forecast model... is a
simple regression equation » (page 275, vol.2).
The water quality and the trophic status are determined as priority parameters in the condition
estimation of the water basin ecosystem.
– 185 –
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Review. Krasnoyarsk Water Reservoir: Monitoring, Biota, Water Quality
The complex approach to the estimation of water quality by chemical and biological criteria is
used and worked through in the Krasnoyarsk water-storage basin. The water pollution index and water
pollution complexity coefficient are chosen as chemical descriptors of the water quality estimation. The
excess of maximum allowable concentration (MAC) for the period from 1982 to 2005 is registered on
the following components: copper – 3-8 MAC, zinc – 1-18 MAC, iron – 1-8 MAC, aluminium – 1-18
MAC, phenol – 1-9 MAC, mineral oil – 2-20 MAC. The values calculated on organic components
varied in a range from 0,36 up to 0,54 points, the water being estimated as pure, I Class quality water.
The water pollution index, calculated according to a concentration complex of metals and
xenobiotics, varied in a range from 1,0 points up to 5,3 points, the water being estimated as dirty in
1990, as moderate – polluted – in 2002, and polluted – in 2005.
According to biotests reactions (luminous bacteria, slipper animalcules, crustaceans), the water
toxicity is registered everywhere in the water basin.
The results of saprobe analysis gave smoothed estimations of the water quality, at the level of
Classes I-II, that was the consequence of incorrect values of species individual saprobity which took
into account only organic pollution. More concrete estimations are given by saprotoxobity analysis
uniting toxic situations and inorganic pollution.
The final conclusion about water quality on chemical and biological descriptors is suggested to be
made according to the Wudivis’s modified index calculation pattern and « The Unified water quality
classifier », developed on a regional basis with reference to the Krasnoyarsk water-storage basin and
some water-currents of the Yenisei River basin.
An ecological modification analysis was carried out on the monitoring observation lines; the
Krasnoyarsk water basin ecosystem corresponds to the condition of «anthropogenic tension with
eutrophication elements».
The trophic status of the Krasnoyarsk water basin is determined according to two criteria:
- total primary production value (gС/м2 per day): from the twenty seventh (1997) to the thirty fifth
(2005) years of the water basin functioning trophic state stabilized at the eutrophic type level, food
capacity raised, Class V (A = 1,1 – 2,4 gС/m2 per day);
- biomass: of bacterial plankton (trophic state corresponded to Classes III-IV, low food capacity
and meso-eutrophic type); of zooplankton (trophic state corresponded to Classes II-III, very low
food capacity, oligo-mesotrophic type); of zoobenthos (trophic state – Classes I-II, extremely low
and very low food capacity, oligotrophic type).
The materials on the structure-functional organization of the Krasnoyarsk water-storage basin
ecosystem, included in the monograph «The Krasnoyarsk water-storage basin: monitoring, biota,
water quality », and the results of discussions will be certainly supplemented with the decoding of the
interrelations scheme of biotic and abiotic parameters. Structure-functional and energy principles of
the Krasnoyarsk water-storage basin ecosystem research within the framework of the worked through
system of ecological monitoring will allow to estimate the balance of ecosystem organic substance and
to determine the main laws of its functioning in the subsequent work.
– 186 –
Документ
Категория
Наука
Просмотров
56
Размер файла
2 293 Кб
Теги
2008, журнал, университета, 100, биологии, сер, сибирской, федеральное
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа