Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Биологическое обоснование введения в культуру неприкрепленной формы Gracilaria verrucosa

ВАК РФ 03.00.18, Гидробиология

Текст научной работыДиссертация по биологии, кандидата биологических наук, Скрипцова, Анна Владимировна, Владивосток

Институт биологии моря Дальневосточного отделения Российской Академии Наук

На правах рукописи

СКРИПЦОВА Анна Владимировна

БИОЛОГИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ВВЕДЕНИЯ В КУЛЬТУРУ НЕПРИКРЕПЛЕННОЙ ФОРМЫ (ЖАС ILARIA VERRUCOSA

03.00.18 - гидробиология

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Научный руководитель: доктор биологических наук Э.А. Титлянов

Владивосток 1999

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ..............................................................................................................................................................................5

1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ............................................................................................................................................7

1.1. Краткое описание рода грацилярия............................................................................................7

1.2. Полиморфизм грацилярии....................................................................................................................10

1.3. Краткая физиологическая характеристика водорослей из рода Graclaria..........................................................................................................................................................................11

1.4. Хозяйственное значение грацилярии..........................................................................................14

1.5. Методы культивирования грацилярии......................................................................................18

1.6. Естественные сообщества грацилярии....................................................................................23

1.7. Влияние факторов среды на рост, урожай и содержание агара........................24

2. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ................................................................................................................................33

2.1. Физико-географическая характеристика района исследования........................33

2.2. Неприкрепленная форма грацилярии бородавчатой - основной

объект исследования...............................................................................................36

2.3. Выделение морфологических форм грацилярии............................................................36

2.4. Метод культивирования грацилярии на искусственном

субстрате........................................................................................................................................................................36

2.5. Выращивание грацилярии в лабораторных условиях................................................41

2.6. Методы анализа..............................................................................................................................................44

2.6.1. Анализ состояния биологических сообществ....................................................44

2.6.2. Скорость роста грацилярии................................................................................................45

2.6.3. Продукция грацилярии..........................................................................................................45

2.6.4. Морфология талломов..................................................................................45

2.6.5. Методы анализа воды, фотосинтетически активной радиации, содержания агара и азота в тканях грацилярии..............................................................46

3. РЕЗУЛЬТАТЫ. БИО-ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ КУЛЬТИВИРОВАНИЯ ГРАЦИЛЯРИИ В ЛАГУНАХ ЮЖНОГО ПРИМОРЬЯ....................................48

3.1. Собщества макрофитов в лагунах южного Приморья................................................48

3.2. Сообщества неприкрепленной формы Gracilaria verrucosa............... 60

3.2.1. Биология грацилярии....................................................... 61

3.2.2. Формирование сообщества грацилярии в естественных условиях.............................................................................. 69

3.2.3. Формирование монодоминантного сообщества грацилярии

на искусственном субстрате...................................................... 79

3.2.4. Влияние культивируемого монодоминантного сообщества грацилярии на естественные сообщества лагун.............................. 88

3.3. Влияние факторов среды на рост грацилярии и содержание агара

в естественных и аквариальных условиях............................................ 102

3.3.1. Свет............................................................................. 102

3.3.2. Соленость..................................................................... 104

3.3.3. Интенсивность водообмена............................................... 104

3.3.4. Плотность посадки грацилярии на искусственном субстрате..... 108

3.3.5. Замораживание грацилярии в воде различной солености........... 111

3.3.6. Регулирование внешними условиями содержания агара в грацилярии........................................................................... 112

3.4. Рост и сезонная продукция грацилярии при ее выращивании

на искусственном субстрате............................................................ 114

4. ОБСУЖДЕНИЕ............................................................................... 129

4.1. Сообщества макрофитов........................................................... 129

4.2. Формирование сообществ грацилярии в естественных условиях

лагун и на искусственном субстрате................................................... 130

4.3. Биология грацилярии................................................................ 135

4.4. Влияние факторов среды на рост грацилярии и содержание

агара в ее слоевищах...................................................................... 138

5. РЕКОМЕНДАЦИИ ПО КУЛЬТИВИРОВАНИЮ НЕПРИКРЕПЛЕННОЙ ФОРМЫ АГАРОНОСНОЙ ВОДОРОСЛИ GRACILARIA VERRUCOSA В ЛАГУНАХ ЮЖНОГО ПРИМОРЬЯ......................................................... 143

5.1. Выбор места расположения плантаций.......................................... 143

5.2. Монтах каркаса плантации......................................................... 144

5.3. Отбор и хранение посадочного материала............................................................................147

5.4. Субстрат................................................................................................................................................................149

5.5. Подготовка рассады и посадка грацилярии..........................................................................150

5.6. Условия роста грацилярии..................................................................................................................152

5.7. Уход за плантацией....................................................................................................................................152

5.8. Управление содержанием агара в грацилярии..................................................................153

5.9. Сбор урожая и обработка товарной грацилярии..............................................................153

ВЫВОДЫ....................................................................................................................................................................................155

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ............................................................................................................................................157

ПРИЛОЖЕНИЕ 1. Биотехнические нормативы культивирования неприкрепленной формы Gracilaria verrucosa на искусственном субстрате в лагунах

южного Приморья..............................................................................................................................................................175

ПРИЛОЖЕНИЕ 2. Технико-экономическое обоснование культивирования

неприкрепленной формы Gracilaria verrucosa на искусственном

субстрате в лагунах южного Приморья..........................................................................................................182

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время основным источником агара в нашей стране является ан-фельция тобучинская (Ahnfeltia tobuchiensis), добываемая из естественных мест обитания в зал. Петра Великого Японского моря и зал. Измены на о-ве Кунашир (Титля-нов и др., 1993). Однако нерациональная добыча анфельции существенно подорвала ее запасы. Решить агаровую проблему путем расширения естественных полей анфельции и закладки новых в ближайшее время довольно сложно. Причиной этому является, прежде всего, низкая скорость роста анфельции как в естественных, так и в искусственных условиях. В наиболее благоприятных условиях время регенерации поля анфельции составляет 5-10 лет.

Альтернативой такому экстенсивному пути возобновления запасов агароносов является введение в культуру быстрорастущих видов агарофитов. В мировой практике таковыми являются водоросли из родов Gracilaria, Gelidium, Pterocladia, агар из которых по своему качеству не уступает агару из анфельции.

В настоящее время в мире наиболее широко для промышленного культивирования и производства агара используются водоросли рода Грацилярия.

В солоноватых лагунах юга Приморья обитает неприкрепленная форма грациля-рии бородавчатой (Титлянова и др., 1990). Больших скопления она не образует, но могут быть использована как исходный материал для культивирования. Особенно это касается лагунной неприкрепленной грацилярии, которая имеет быстрые темпы роста и высокое содержание качественного агара. Эта форма грацилярии толерантна к широкому диапазону изменений основных факторов среды.

Целью данной работы было дать биологическое обоснование введения в культуру неприкрепленной грацилярии. Для этого предполагалось исследовать:

1. Видовой состав и распределение макрофитов в лагунах Южного приморья.

2. Биологию неприкрепленной формы Gracilaria verrucosa.

3. Структуру и развитие естественных сообществ неприкрепленной формы грацилярии бородавчатой.

4. Развитие и структуру сообществ грацилярии бородавчатой на искусственном субстрате.

5. Влияние различных факторов среды на рост, продуктивность и содержание агара в грацилярии.

Научная новизна. Исследована биология неприкрепленной формы красной ага-роносной водоросли Gracilaria verrucosa, обитающей в лагунах южного Приморья. Изучено формирование и развитие естественных сообществ грацилярии. Выделены 5 внутривидовых форм грацилярии бородавчатой.

Работа выполнена в лаборатории физиологии водных растений Института биологии моря Дальневосточного отделения Российской Академии Наук

ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

1.1. Краткое описание рода Gracilaria.

Род Gracilaria относится к отделу Rhodophyta, классу Florideophyceae, порядку Gracilariales, семейству Gracilariaceae (Перестенко, 1994). Этот род насчитывает около 160 видов, из которых 16 используются для производства агара (обзор Critchley, 1993).

Виды рода Gracilaria широко распространены в мире: от берегов Норвегии (Stokke, 1957; Simonetti et al., 1970) и атлантического побережья Канады (Bird et al., 1977) на севере до берегов Южной Африки (Isaac and Molteno, 1952; Anderson et al., 1996) на юге.

На Дальнем Востоке род Грацилярия представлен несколькими видами. Наиболее распространенный - Gracilaria verrucosa (Huds.) Papenf. - обитает вдоль материкового побережья Японского моря от залива Посьета на юге до залива Чихачева в Татарском проливе на севере, на южном побережье о-ва Сахалина (залив Анива, лагуна Буссе) и у о-ва Кунашир (Макиенко, 1979; Перестенко, 1980). Обычно она приурочена к кутовым частям бухт, к участкам дна со значительным заилением на литорали и в су б литорали, прикрепляется к твердому субстрату, включенному в ил - камням, раковинам моллюсков, а также предметам антропогенного происхождения. Наиболее часто встречается в местах впадения рек с загрязненной и опресненной водой (Макиенко, 1979). Особенно хорошо грацилярия бородавчатая развивается в защищенных от ветра мелководных, прогреваемых заливах и бухтах Южного Приморья (Макиенко, 1979; Титлянова и др., 1990).

В 1985 г. китайские альгологи (Zhang, Xia, 1985) провели ревизию Gracilaria verrucosa (Huds.) Papenf. При сравнении морфологии и анатомии репродуктивных органов у образцов G. verrucosa из Англии, Китая и Японии они обнаружили постоянные, хотя и небольшие, различия между европейскими и азиатскими образцами и выделили новый вид грацилярии G. asiatica Chang et Xia. В последние годы на основании рестриктазного анализа ядерной ДНК было показано, что азиатские и европейские образцы G. verrucosa имеют незначительные генетически детерминированные различия, которых недостаточно, чтобы азиатскую форму G. verrucosa считать самостоятельным видом (Rice, Bird, 1990).

В 1988 г. в лагунах южного Приморья была найдена неприкрепленная форма грацилярии, которая по всем морфологическим и анатомическим признакам определяется как G. verrucosa (Huds.) Papenf. (Титлянова и др., 1990). Проведение сравнительного рестриктазного анализа ядерной ДНК прикрепленной морской и неприкрепленной лагунной форм грацилярии (Galeev, Papashvily, 1993) показало их сходство более чем на 80 %. Такое генетическое сходство двух форм водорослей, согласно Райсу и Берду (Bird, Rice, 1990; Rice, Bird, 1990), может относиться только к двум хорошо изолированным популяциям одного вида. Таким образом, есть все основания считать, что в данной работе мы имеем дело с неприкрепленной изолированной лагунной популяцией Gracilaria verrucosa (Huds.) Papenf. ^ Слоевища видов рода Gracilaria макроскопические, кустистые, цилиндрические, уплощенные или плоские, прикрепляющиеся к субстрату подошвой, иногда органов прикрепления не имеют. Ветвление поочередное, чаще неправильное, одностороннее. Ветви суживаются к вершине. Рост апикальный. Сердцевина таллома состоит из крупных, плотно сомкнутых клеток, которые к поверхности уменьшаются и сменяются слоями мелких коровых клеток (Перестенко, 1980). Прикрепленная грацилярия имеет четко выраженный цикл развития типа Polysiphonia (Ogata et al., 1972; Bird et al., 1977; McLachlan and Edelstein, 1977; Макиенко, Золотухина, 1979). Размножается половым, бесполым и вегетативным способом; гаметофит и спорофит изоморфны. Слоевища разных генераций развиваются в популяции одновременно, хотя в жизненном цикле гаметофит сменяет последовательно спорофит (Penniman et al., 1986).

В цикле развития грацилярии происходит чередование изоморфных генераций -гаметофита и спорофита, которые представляют разные формы развития вида - половую и бесполую, вместе составляющих одно поколение (Голлербах, 1951). В результате оплодотворения на женском гаметофите развивается новая генерация - карпос-порофит, представленный лишь цистокарпом, который не может существовать самостоятельно. В цистокарпе развиваются диплоидные карпоспоры, которые прорастают в бесполую генерацию - тетраспорофит. На тетраспорофите происходит мейоз, и развиваются тетраспорангии. Освобождающиеся гаплоидные тетраспоры прорастают в мужские и женские гаметофиты. Затем снова следует процесс оплодотворения, и весь цикл повторяется (Макиенко, Золотухина, 1979) (рис. 1).

Рис. 1. Жизненный цикл грацилярии (по: Макиенко, Золотухина, 1979).

У Gracilaria verrucosa из Японского моря жизненный цикл довольно короткий. В популяциях одновременно присутствуют мужской и женский гаметофиты, карпоспо-рофит, развивающийся на женском гаметофите, и тетраспорофит. Первое поколение грацилярии в Амурском заливе появляется в апреле, вырастая из рассеявшихся спор

к/ W

перезимовавших растении. С момента прорастания до созревания растении проходит 3-4 месяца. В конце августа отспороносившие слоевища отрываются от субстрата и выбрасываются прибоем на берег. Рассеявшиеся споры в сентябре начинают прорастать и в октябре на литорали в массе появляются молодые слоевища нового поколения. В середине октября на более крупных растениях можно обнаружить как сперма-тангиальные полости, так и тетраспорангии и молодые цистокарпы. Жизнь водорослей с декабря по март не изучена (Макиенко, Золотухина, 1979).

В мировой практике культивирования грацилярии известно, что популяции неприкрепленных водорослей стерильны (Causey et al., 1946; Santelices and Fonck, 1979; Pizzaro, 1986). He является исключением и изучаемая нами лагунная неприкрепленная

форма грацилярии бородавчатой (Титлянова и др., 1990), которая размножается только вегетативным путем, то есть естественной фрагментацией талломов.

1.2. Полиморфизм грацилярии.

Для видов рода Gracilaria характерен широкий спектр морфологических вариаций, что сильно затрудняет их определение (обзор Critchley, 1993). Пластичность видов грацилярии описывалась многими исследователями (Santelices, 1992; Laing et al., 1989; Patwary, van der Meer, 1982). Высокопродуктивные генетически детерминированные формы выделены у G. verrucosa, G. confería (Levy and Friedlander, 1990; Rice and Bird, 1990), G. tikvahiae (обзор Hanisak, 1987; Hanisak et al., 1988; Patwary, van der Meer, 1982). Две прикрепленные и две неприкрепленные формы грацилярии бородавчатой из Черного моря описаны Калугиной-Гутник и Мироновой (1985). Экологически обусловленные морфологические вариации найдены^ G. sórdida (Laing et al., 1989) и G. tikvahiae (Dawes, 1993)] ^

Морфофизиологическая изменчивость видов водорослей определяется как генетическими различиями на уровне экотипа и генетически детерминированной популяции, так и фенотипической пластичностью на уровне экоморфы. Образование морфологических форм во многом связано с действием экологических факторов, ведущими из которых являются интенсивность света, фотопериод, движение воды, концентрация биогенных элементов. Так, например, в опытах Ланга с соавторами (Laing et al., 1989) в условиях высокой интенсивности света у Gracilaria sórdida формировались тонкие слаборазветвленные талломы, а при низкой - густоветвистые. Высокие концентрации азота в среде в лабораторных экспериментах способствовали развитию талломов с густо расположенными веточками у Gracilaria verrucosa и Gracilaria sp. (Романюк и Оскольская, 1991). На быстром течении образовывались густо разветвленные талломы у G. tikvahiae (Parker, 1982). Слоевища с узкими и тонкими пластинами формировались в условиях сильного волнового воздействия у Gigartina radula (Jackelman and Bolton, 1990). Движение воды может оказывать и косвенное влияние на морфологию водорослей, усиливая или уменьшая действие других факторов, таких как концентрация элементов минерального питания (Fujita, Goldman, 1985) или интенсивность освещения водорослей (Neushul, 1972; Norton et al., 1982). Лапойнт с со-

авторами (Lapointe et al, 1984a) предполагают, что морфологическая изменчивость грацилярии может быть связана с влиянием нескольких взаимодействующих факторов среды.

Наличие большого числа форм грацилярии позволяет выбрать наиболее продуктивные растения для промышленного выращивания. Селекция форм с заданными качествами широко применяется в мире для многих водорослей, имеющих промышленное значение. У неприкрепленной Gracilaria verrucosa, обитающей в лагунах южного Приморья также было найдено несколько морфологических форм (Титлянова и др., 1990). Изучение их морфо-физиологичееких характеристик позволит отобрать для промышленного выращивания наиболее продуктивную форму.

1.3. Краткая физиологическая характеристика водорослей из рода Gracilaria.

Ценность грациляри�