Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Экологические особенности распределения липидов гидробионтов в глубоководной зоне озера Байкал

ВАК РФ 03.02.08, Экология (по отраслям)

Автореферат диссертации по теме "Экологические особенности распределения липидов гидробионтов в глубоководной зоне озера Байкал"

На правах рукописи

<т

БАЗАРСАДУЕВА Сэлмэг Владимировна

ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ЛИПИДОВ ГИДРОБИОНТОВ В ГЛУБОКОВОДНОЙ ЗОНЕ ОЗЕРА БАЙКАЛ

03.02.08 - экология

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

12 ДЕК 2013

005543961

Иркутск - 2013

005543961

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Байкальский институт природопользования Сибирского отделения Российской академии наук, г. Улан-Удэ

Научный руководитель: Раднаева Лариса Доржиевна

■ доктор химических наук, профессор

Официальные оппоненты:

Ситннкова Татьяна Яковлевна

доктор биологических наук, профессор, в.н.с., ФГБУН «Лимнологический институт СО РАН»

Юринова Галина Валерьевна

кандидат биологических наук, доцент, ФГБОУ ВПО «Иркутский

государственный университет»

Ведущая организации:

ФГБУН «Институт природных ресурсов, экологии и криологии СО РАН»

Защита диссертации состоится 23 декабря 2013 г. в 11 часов на заседании диссертационного совета Д 212.074.07 при ФГБОУ ВПО «Иркутский государственный университет» по адресу: 666003, г. Иркутск, ул. Сухэ-Батора, 5, ауд. 219.

Отзывы на автореферат просим направлять по адресу: 664003 г. Иркутск, ул. Сухэ-Батора, 5, Иркутский госуниверситет, биолого-почвенный факультет, Диссертационный совет.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИГУ по адресу: 664003, г. Иркутск, ул. Карла Маркса, 1, биолого-почвенный факультет ИГУ. Тел. / факс: (3952) 241855; e-mail: dissovet07@gmail.com.

Автореферат разослан «22» ноября 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат биологических наук

А.А. Приставка

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность исследования. В настоящее время заметно возрос интерес к лип идам со стороны многих направлений наук, прежде всего это биологические, медицинские и химические. Липидные показатели являются важнейшими характеристиками физиолого-биохимической индикации состояния организмов и популяций при различных условиях обитания. Липиды являются основным источником энергии для водных организмов и функционирование любых экосистем во многом связано с биосинтезом и транспортом липидов в пищевых цепях. Многочисленными исследованиями показано участие липидов в адаптивных реакциях гидробионтов в ответ на изменение самых разнообразных условий окружающей среды (Carballeira, 1987; Rajendran, 1992; Simoneit, 2004). Поэтому изменения состояния среды могут быть прослежены при сравнительном анализе жирных кислот (ЖК) различных организмов.

Озеро Байкал — участок мирового природного наследия, старейший (25 млн. лет) и самый большой (23000 км ) пресноводный водоем в мире. Ихтиофауна оз. Байкал уникальна и весьма разнообразна и в настоящее время представлена 55 видами из 15 семейств, из которых 33 вида эндемичные. Важной и сложной задачей является исследование биологических объектов, применяемых для индикационной оценки природной среды. Наибольший интерес представляют такие гидробионты как губки, которые практически не меняют место обитания. Они ассоциированы с широким спектром микроорганизмов, содержат большое количество вторичных метаболитов, которые играют важную роль в развитии приспособительных реакций у организмов при экологических модуляциях. Одной из наиболее многочисленных групп многоклеточных байкальских организмов являются амфиподы, которые составляют 1/5 от общего числа мировой фауны видов амфипод, причем все они — эндемики. Несмотря на низкую относительную биомассу, амфиподы составляют существенный компонент в системе обмена вещества и энергии, поскольку являются важным кормовым объектом для многих гидробионтов.

Известно, что состав липидов тканей ряда эндемичных организмов озера Байкал характеризуется высокими уровнями длинноцепных полиненасыщенных жирных кислот (ПНЖК), что типично для морских видов (Henderson, 1987). Обнаружены высокие уровни пЗ ЖК в отдельных видах байкальских Cottoidei (Kozlova, Khotimchenko, 1993, 2000; Kozlova, 1997; Grahl-Nielsen et al„ 2005, 2011; Попов, 2012). Исследования по липидному составу байкальских губок включают некоторых представителей этой группы животных, обитающих на небольшой глубине (Dembitsky et al., 1982, 1993; Глызина, 2002), глубоководные байкальские губки ранее не изучались. Исследователями (Ishiwatari et al.,

2006) выявлено содержание лигнина и некоторых ЖК донных осадков Академического хребта, отобранных с глубины 335 м, других данных по ЖК составу донных осадков глубоководной зоны озера Байкал не обнаружено. Таким образом, работа, направленная на исследование распределения липидов в тканях глубоководных байкальских гидробионтов актуальна.

Цель исследования — выявить экологические особенности распределения липидов в тканях гидробионтов глубоководной зоны озера Байкал.

Были поставлены следующие задачи:

1. определить липвдный состав различных видов байкальских губок из разных мест обитания;

2. определить липидный состав донных осадков с различными экологическими особенностями среды;

3. выявить специфические маркеры, позволяющие идентифицировать состав микроорганизмов губок и донных осадков;

4. изучить жирнокислотный состав байкальских амфипод ОттаЮ%аттагих сйЪ'тж, обитающих в районе гидротермальной разгрузки в б. Фролиха;

5. изучить жирнокислотный состав мышечной ткани рыб. Научная новизна. Впервые выявлен состав липидных

компонентов (ЖК различного строения, альдегиды и стерины) глубоководных губок и донных осадков. Так методом газо-хромато-масс-спектрометрии (ГХМС) по количественному содержанию липидных маркеров определен состав микроорганизмов глубоководных губок и донных осадков оз. Байкал. Впервые определен ЖК состав глубоководных байкальских амфипод Отта^аттагш а!Ыпш, в которых выявлены высокие содержания ненасыщенных ЖК.

Практическая значимость. Липидные маркеры, определенные в глубоководных губках, могут быть использованы для идентификации ряда таксонов, родов и видов микроорганизмов. Эти данные могут быть использованы для создания оперативной и эффективной системы мониторинга пространственно-временных изменений природных сред и биоты, что будет способствовать решению проблемы сохранения уникального озера планеты. Обнаруженный в губках широкий спектр биологически активных веществ, в том числе и стеринов, в перспективе могут быть использованы в качестве лекарственного сырья.

Основные положения, выносимые на защиту: • В составе липидной фракции донных осадков идентифицировано до 140 соединений, глубоководных байкальских губок идентифицировано около 100 соединений (различные ЖК, альдегиды и стерины). В байкальских губках содержатся МНЖК ряда С20 - С23 и С27, доминирующей кислотой среди ПНЖК является сверхдлинноцепочечная

кислота 26:3. Обнаружены длинноцепочечные альдегиды 22:1а, 24:1а и 24:1dl 1а. Губки Baikalospongia intermedia, обитающие в районе гидротермальной разгрузки (б. Фролиха), содержат более высокие содержания ЖК, особенно ПНЖК и относительно низкие содержания стеринов.

• Разветвленные изо- и антеизо-кислоты с общим числом атомов углерода от С13 до С20, в том числе четные (гоомиристиновая ¡14:0, изопальмитиновая 116:0, изонанодекановая il9:0), гидроксшсислоты как оксипальмитиновая hl 6 и гидроксимиристиновая ЗЫ4, гексадеценовая кислота 17:1, циклопропановые кислоты 17сус и 19сус являются маркерными кислотами для определения основных групп микроорганизмов.

• Глубоководные байкальские амфиподы Ommatogammarus albinus содержат высокие содержания ненасыщенных ЖК, причем мононенасыщенные жирные кислоты (МНЖК) составляют около 52%. Высокое значение соотношения 18:1п9/18:1п7 и относительно низкие соотношения 16:1п7/16:0 и 20:5пЗ/22:6пЗ подтверждает, что глубоководные амфиподы Ommatogammarus albinus относятся к некрофагам.

Апробация работы и публикации. Результаты и основные положения диссертационного исследования были представлены в докладах на V, VI и VII школах-семинарах молодых ученых России «Проблемы устойчивого развития региона» (Улан-Удэ, 2009, 2011, 2013), 7-ом Международном симпозиуме "Современные методы анализа многомерных данных" (WSC-7) (Санкт-Петербург, 2010), Международной научной конференции «Дельты Евразии: происхождение, эволюция, экология и хозяйственное освоение» (Улан-Удэ, 2010), V Международной научно-практической конференции "Приоритеты Байкальского региона в азиатской геополитике России" (Улан-Удэ, 2011), VIII Всероссийской конференции по анализу объектов окружающей среды ЭКОАНАЛИТИКА 2011, посвященной 300-летию со дня рождения М.В. Ломоносова (Архангельск, 2011). По результатам диссертационной работы опубликовано 15 работ, из них 3 статьи в рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК Минобразования РФ.

Структура и объем работы. Диссертация изложена на 135 страницах машинописного текста и состоит из введения, литературного обзора, обсуждения результатов, выводов и списка литературы, включающего 226 библиографических ссылок, в том числе 139 на иностранных языках. Диссертационная работа содержит 10 таблиц, 26 рисунков.

Работа выполнена во время Международной экспедиции ««Миры» на Байкале 2008-2010 гг.» при поддержке Фонда содействию сохранения озера Байкал, а также в рамках исследований по проектам:

Программа Президиума РАН "Фундаментальные проблемы океанологии: физика, геология, биология, экология", подпрограмма «Глубоководные исследования озера Байкал», проект № 20.9 «Комплексные исследования зон активных разгрузок глубинных флюидов на озере Байкал с помощью автономных необитаемых аппаратов, обитаемых аппаратов «МИР», а также дистанционных пробоотборников» (2008-2011 гг.); проект № 23.8 «Комплексные исследования биологических сообществ абиссали озера Байкал и их зависимость от типа разгружающего флюида» (2012-2013 гг.); РФФИ № 08-05-98029-р_сибирь_а «Формирование и трансформация липидов гидробионтов оз. Байкал в зависимости от эколого-биологических факторов» (2008-2010 гг.).

Автор выражает искреннюю благодарность д.х.н. Л.Д. Раднаевой за научное руководство и поддержку в работе, д.б.н. Г.А. Осипову за помощь в определении микроорганизмов по липидным маркерам и обсуждении результатов и сотрудникам лаборатории химии природных систем Байкальского института природопользования СО РАН.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Глава 1. Литературный обзор В главе обобщены и представлены сведения о липидном составе байкальских гидробионтов. Показано, что лшшдные маркеры могут служить таксономическим признаком и использоваться для идентификации микроорганизмов. Рассмотрены экологические условия среды, определяющие состав микроорганизмов в губках и донных осадках озера Байкал.

Глава 2. Районы, объекты и методы исследований Объекты и районы исследования

Для исследований были собраны глубоководные донные осадки и гидробионты оз. Байкал* (рис. 1) и р. Кичера (бассейн оз. Байкал), которые были сразу заморожены и транспортированы в лабораторию для дальнейшего анализа.

• Донные осадки (N=6) оз. Байкал были отобраны в летний период 2008 - 2010 гг. с помощью переносного грунтоотборника и разбирались методом пошагового анализа с частотой 0-2 см.

• Глубоководные байкальские губки видов* Baikalospongia intermedia (N=17), Baikalospongia intermedia profundalis (N=15) были отобраны с помощью манипуляторов в летний период 2008 - 2010 гг.

Автор выражает благодарность Фонду содействия сохранению озера Байкал за возможность участия в международной экспедиции ««МИРы» на Байкале 2008-2010 гг.» для сбора материалов для исследований.

* Определение видов губок выполнено Семитуркиной H.A. в лаборатории биологии водных беспозвоночных ЛИН СО РАН (зав., д.б.н. Тимошкин O.A.).

Рис. 1. Места отбора образцов губок и донных осадков

• Глубоководные байкальские амфиподы Ommatogammarus albinus (N=40) были отобраны с помощью манипуляторов в районе б. Фролиха с глубины 430 м с места выхода гидротермальной разгрузки в летний период 2009 г.

• Глубоководные рогатковидные рыбы Batrachocottus multiradiatus (N=8), Batrachocottus nikolskii (N=8), Limnocottus bergicmus (N=4), Neocottus thermalis (N=6) были отобраны с помощью манипуляторов в районе б. Фролиха с глубины 400-450 м с места выхода гидротермальной разгрузки в летний период 2008 - 2010 гг.

• Рыбы плотва Rutilus rutilus Linnaeus (N=14), окунь Perca fliiviatilis Linnaeaus (N=17) и щука Esox lucius Linnaeaus (N=4) были собраны на р. Кичера в 2008 г. (сетной лов).

Методы исследования

Анализ липидных компонентов. Для получения метиловых эфиров ЖК образцы амфипод и рыб метилировали одноступенчатым методом (Grahl-Nielsen, 1985) обработкой 2 н. раствором хлороводорода в метиловом спирте в течение 2 ч. при 90°С. Полученную смесь экстрагировали трижды гексаном.

Образцы губок и донных осадков обрабатывали 1 н. раствором соляной кислоты в метиловом спирте и выдерживали в течение 45 минут при 80°С, а затем обработали ^О-бис(триметил-силил)-трифторацетамидом (Осипов, 1993).

Эфиры ЖК исследовали методом хромато-масс-спектрометрии на газовом хроматографе Agilent Packard HP 6890 с квадрупольным масс-спектрометром HP MSD 5973N в качестве детектора. Для хроматографирования МЭЖК использовали колонку DB-Wax с внутренним диаметром 0.25 мкм, а для ТМСЭ - колонку HP-5MS с внутренним диаметром 0.25 мкм. Процентный состав смеси вычисляли по

площади ГХ пиков. Качественный анализ основан на сравнении времен удерживания, и наличии стандартов (Bacterial Acid Methyl Esters (CP Mix, Supelco, Bellefonte, PA, USA), дейтерометилового эфира тридекановой кислоты) и полных масс-спектров соответствующих чистых компонентов, представленных в машинном каталоге.

Хромато-масс-спектрометрическое исследование маркерных компонентов состава микроорганизмов. Для количественного определения химических маркеров микроорганизмов использовали режим регистрации селективных ионов (SIM). Для идентификации всего компонентного состава выполняли полное сканирование по полному ионному току (SCAN)- Временные интервалы скорректировали под параметры хроматографической колонки. Расчет концентрации маркеров и отнесение их к конкретным микроорганизмам проводили по программному продукту (Осипов, 1993).

Статистическую обработку всех экспериментальных данных проводили методом вариационно-статистического анализа (программный пакет Sirius version 6.0, Pattern Recognition Systems, a/s, Норвегия).

Глава 3. Результаты и обсуждение 3.1. Липидный состав глубоководных байкальских губок

в зависимости от условий среды 3.1.1. Байкальские губки. Губки, являясь мощными тонкими филмраторами, практически нацело извлекают из воды бактерио- и фитопланктон, служащие им источником питания. Поэтому в губках обитает огромное количество микроорганизмов, которые играют существенную роль в жизнедеятельности губок (Сорокин, 1990; Sponga et al., 1999; Webster et al., 2001).

Губки Baikalospongia intermedia были отобраны в б. Фролиха в зоне гидротермальной разгрузки с полей губок и бактериальных матов. Губки Baikalospongia intermedia profundalis были отобраны в районе м. Толстый, Больших Котов, Посольской банки, м. Ижимей, Баргузинского залива и в районе устья р. Турка.

В составе липидной фракции губок обнаружено и идентифицировано около 100 соединений (различные ЖК, альдегиды и стерины). Определен широкий спектр кислот - 64 ЖК различной степени ненасыщенности, которые составляют 60 - 62 %. Сумма насыщенных ЖК (НЖК) в Baikalospongia intermedia составляет 15.9-19.2 %, МНЖК - 21.222.4 % и ПНЖК - 17.8-20.2 %. Содержание альдегидов колеблется от 4.0 до 4.5 %, а стеринов - от 26.4 до 30.5 %. Губки Baikalospongia intermedia profundalis содержат НЖК от 3.1% в губках м.Толстый до 13.4% в Бархузинском заливе, МНЖК - 11.9-14.8%, ПНЖК - от 6.8% в м. Толстый до 25.5% а Посольской банке.

В липидах губок обнаружен ряд НЖК от С12 до С24. Уровни основных НЖК в Baikalospongia intermedia составляют стеариновая 18:0

(3.3-3.9%) и пальмитиновая 16:0 (1.3-1.7%) кислоты (рис. 2а). Тогда как в губках Baikalospongia intermedia, обитающих в Южном Байкале на глубине 8-10 м, основной насыщенной ЖК является пальмитиновая 16:0 (11.1%) кислота (Dembitsky et al., 1993). Пресноводные губки также как и морские содержат большое разнообразие изо- и антеизо-кислот; длинноцепочечные ЖК изо- и а///лешо-строения, вероятно, синтезируются собственной губкой путем элонгации изо- и ан/пеизо-предшественников бактериального происхождения с более короткими углеводородными цепями (Carballeira et al., 1986; Родькина, 2005). Среди моноеновых кислот доминирующими являются кислота 24:1 и изомеры 16:1 и 18:1 кислот (рис. 26). МНЖК ряда С20 — С23 и С27 обнаружены практически во всех губках, их содержание ниже, чем С16 и С18 МНЖК. Основной вклад в сумму ПНЖК вносит демоспонгиевая сверхдлинноцепочечная кислота 26:3 с содержанием от 5.1 до 22.1 % (рис. 2в). А в Baikalospongia intermedia, обитающих на небольших глубинах, среди МНЖК доминируют также изомеры кислот 16:1 и 18:1, однако среди ПНЖК основными являются изомеры кислот 18:2 и 18:3, в меньшей степени кислота 26:3 (Dembitsky et al., 1993). Обнаружены две циклопропановые кислоты и 5 насыщенных гидроксикислот бактериального происхождения, которые содержатся в минорных количествах.

Определено 17 различных альдегидов, среди которых в Baikalospongia intermedia доминирует сверхдлинноцепочечный альдегид 11-тетракозеналь (I) 24:1dl 1а, который составляет 2.5-3.5% суммарных альдегидов. Основным альдегидом в образцах губок Турки, м. Ижимей, м. Толстый и Больших Котов является сверхдлинноцепочечный альдегид 24:1dl 1а, в губках Баргузинского залива - 16а и il7a, в губках Посольской банки - 16а и 17а, а также длинноцепочечные альдегиды 22:1а и 24:1а. Ранее в общих липидах эндемичной губки Lubomirskia baicalensis был обнаружен и выделен сверхдлинноцепочечный альдегид тетракозеналь 17-!/мс-24:1 а,который является главным сверхдлинно цепочечным альдегидом в байкальских губках Baikalospongia bacilifera (Имбс, Верещагин, 2005).

Анализ ли пи дно го состава губок показал, что содержание стеринов в среднем составляет в Baikalospongia intermedia 26.4-30.5%, в Baikalospongia intermedia profundalis количество стеринов колеблется от 38.1 до 65.2% в зависимости от места обитания. Обнаружено 13 стеринов, основным компонентом стеринов является Ь-ситостерол (11.2-24.6%). Уровни холестерина в Baikalospongia intermedia составляют до 8.0%, в губках Baikalospongia intermedia profundalis, обитающих в м. Толстый составляет 22.6 %, однако в губках, отобранных в районе устья р. Турка и Большие Коты, он не был обнаружен, но в значительных количествах были определены его производные.

б)

в)

16:1 d9 16:liT ilTzl 18:11» lftldii20:li»2ftldll 21:1 14:1 2«

#25.0

200

15.0

10.0

5Л

18:2 2Ü:2 2Ö;5e3 25:2 25:3 26:2 2ЙЗ 2&Л 27:2

Рис. 2. ЖК состав губок Baikalospongia intermediaprofundalis: - Толстый, И - Баргузинскйй залив, ® - Большие Коты, в - Турка, В - Ижимей; Baikalospongia intermedia: п - фролиха

Выявлены маркерные компоненты, по соотношению которых был определен состав микроорганизмов. Так, разветвленные гидроксикислоты с 15-ю и 17-ю атомами углерода указывают на наличие родов Azospirillum, Cytophaga. Разветвленные кислоты, в том числе четные (изомиристиновая i 14:0, изопальмитиновая i 16:0, изонанодекановая i 19:0), с учетом их соотношения, указывает на наличие бактерий родов Streptomyces, Bacillus, Cellulomonas. Следует отметить, что в составе присутствует уникальная мзо-гептадеценовая кислота (i 17:1), известная у сульфатредуцирующих бактерий рода Desulfovibrio, однако она также может принадлежать и некоторым Actinobacteria. Из других редких ЖК можно отметить эйкозановую (20:ld9), которая присутствует в клетках Actinobacteria и Thiobacillus. Для Bacteroidetes и Cyanobacteria маркерными являются оксипальмитиновая (hl6) и оксистеариновая (hl8) кислоты. По липидным маркерам определен состав микроорганизмов губок Baikalospongia intermedia и Baikalospongia intermedia profundalis. Анализ маркерных компонентов показал, что в состав микроорганизмов губок входит свыше 50 таксонов видового ранга из домена Bacteria, ведущую роль в формировании качественного состава которого играют представители филумов Proteobacteria, Actinobacteria, Firmicutes и Cyanobacteria (рис. 3). В микробном составе губок Baikalospongia intermedia б. Фролиха основными являются микроорганизмы филумов Actinobacteria и Proteobacteria. В губках Baikalospongia intermedia profundalis Баргузинского залива основной вклад в микробный состав вносят Actinobacteria, в то время как в губках Ижимея и Посольской банки основными являются Proteobacteria. Выявлено, что суммарное содержание Actinobacteria в губках, обитающих в районе устья р. Турка, чуть больше, чем Proteobacteria. Губки, обитающие в Южном Байкале, отличаются от остальных меньшим количественным содержанием

и Baikalospongia intermedia profundalis

Для сравнительного изучения ЖК состава водных организмов перспективными являются хемометрические методы анализа состава ЖК — биохимических маркеров гидробионтов (Kharlamenko et al., 1995). Этот подход основан на применении статистических методов обработки многомерных данных, например анализа главных компонент МГК, для изучения многокомпонентных природных объектов, например смесей ЖК в живых организмах (Kvalheim, 1987; Grahl-Nielsen et al., 1992; Joensen, Grahl-Nielsen, 2004). Традиционные инструменты в этой области — графики и диаграммы - плохо справляются с задачей визуализации, когда возникает необходимость изобразить более трех взаимосвязанных величин (Померанцев, электронный ресурс; Kowalski, Bender, 1972; Зиновьев, 2000).

Так, при обработке данных методом МГК (рис. 4) выявлено, что губки одного вида Baikalospongia intermedia profundalis с разных районов оз. Байкал, отличаются по составу липидных компонентов, хотя губки, обитающие в одной котловине оз. Байкал, близки по составу, что на ГК-графике отражено близким расположением (Большие Коты, Посольская банка и м. Толстый, расположенные в Южном Байкале). Губки Baikalospongia intermedia, обитающие в районе гидротермальной разгрузки в бухте Фролиха, расположены отдельно от губок Baikalospongia intermedia profundalis. Бухта Фролиха (Северный Байкал)

известна участками, связанными с разгрузкой метана из донных отложений в районе

гидротермальных выходов

подземных источников.

Источником углерода для развивающихся здесь бентосных сообществ является органическое вещество, образуемое на основе метана биогенного происхождения Рис. 4. Распределение губок Baikalospongia (Кузнецов и др., 1991; Гебрук и др., intermedia и Baikalospongia intermedia 1993). profundalis по составу липидных компонентов

Далее выполнен сравнительный анализ ЖК состава губок Baikalospongia intermedia и Baikalospongia intermedia profundalis, обитающих в более «спокойном» районе озера Байкал - район Больших Котов. По содержанию НЖК в Baikalospongia intermedia доминируют кислоты 17:0 и 18:0, тогда как в Baikalospongia intermedia profundalis — 16:0 и i23:0. Уровни МНЖК в Baikalospongia intermedia выше, основными являются кислоты 24:1 (10.2%), 16:ld9 (4.3%) и 18:ld9 (2.4%). Содержание сверхдлинноцепочечной демоспонгиевой кислоты 26:3 в

Baikalospongia intermedia profundalis составляет около 12.6%, тогда как в Baikalospongia intermedia - 2.4% (рис. 5). Таким образом, из рис. 5 видно, что ЖК состав губок, обитающих в районе Больших Котов, отличается, что, вероятно, связано с принадлежностью исследуемых губок к различным подвидам.

Рис. 5. ЖК состав губок, обитающих в районе Больших Котов: Ей II - Baikalospongia intermedia profundalis, П - Baikalospongia intermedia

3.1.2. Донные осадки оз. Байкал. Озеро Байкал находится в своеобразной котловине, со всех сторон окружённой горными хребтами и сопками. Образцы донных осадков были отобраны в котловинах оз. Байкал: Южный Байкал - район м. Толстый и Больших Котов; в Среднем Байкале - недалеко от устья р. Турка и м. Ижимей; в Северном Байкале -б. Фролиха.

В составе липидной фракции донных осадков оз. Байкал обнаружено и идентифицировано около 140 соединений (ЖК, альдегидов и стеринов). Исследования показали, что основными компонентами метанолизата липидной фракции исследованных образцов донных осадков оз. Байкал являются насыщенные ЖК, наименьшее содержание во Фролихе 27.7-30.4%, а максимальные - в донных осадках Южного Байкала 38.6-42.3%. _

Статистическая обработка данных методом ГК выявила различия в липидном составе донных осадков, отобранных в различных районах оз. Байкал: Южный, Средний и Северный Байкал (рис. 6). Образцы донных осадков, отобранных из одной котловины оз. Байкал, близки по составу, что на графике ГК указано близким расположением.

Рис. 6. Распределение донных осадков оз. Байкал по составу липидных компонентов

В ЖК составе донных осадков озера Байкал обнаружены насыщенные ЖК от С12 до С24 (рис. 7а), также в исследуемых образцах найдены бактериальные разветвленные изо- и ан/иеизо-кислоты с общим числом атомов углерода от С13 до С23 (рис. 76). Состав моно- и полиненасыщенных ЖК представлен на рис. 7в и 7г, соответственно. Из рисунков видно, что ЖК состав осадков из разных районов озера отличается. Так донные осадки бухты Фролиха характеризуются относительно более высоким содержанием кислот 12:0, а13:0, изомеров кислоты 16:1 и 22:1.

Маркерными кислотами, по наличию и соотношению которых были определены основные микроорганизмы, являются такие гидроксикислоты как оксипальмитиновая hl6 и гидроксимиристиновая 3hl4, а также гексадеценовая кислота17:1. Во всех образцах донных осадков преобладают микроорганизмы, относящиеся к филуму Proteobacteria, в частности рода Methylomonas, которые относятся к у-proteobacteria (рис. 8). Донные осадки б. Фролихи отличаются более богатым разнообразием микроорганизмов по сравнению с другими исследованными районами, что находится в соответствии с данными

е!

Рис. 7. ЖК состав донных осадков озера Байкал: И - Фролиха, I И - Толстый, И - Ижимей, □ - Большие Коты

Турка,

более ранних исследований (Чернидына, 2003; Ыагшагаеу, /егшкауа а1., 2006).

512.0

о 10.0

15:0 16:0 17:® 18:8 19:0 2.0:9 21:8 22:« 23:0

Рис. 8. Распределение микроорганизмов в образцах донных осадков оз. Байкал

Влияние экологических условий среды на систематический состав микроорганизмов губок и донных осадков оз. Байкал.

Сравнительный анализ видового разнообразия микробного сообщества губок выявил различия в зависимости от экологических условий среды. В образцах губок, отобранных в районе устья р. Турка на глубине около 300 м, преобладает группа микроорганизмов, относящихся к Actinobacteria, тогда как в образцах губок м. Ижимей с глубины около 1100-1500 м преобладают микроорганизмы филума Proteobacteria. Аналогичная зависимость наблюдается по микробному распределению в толще воды Южного Байкала. Так было выявлено, что на различных глубинах преобладали различные группы микроорганизмов: в поверхностном слое - Cyanobacteria, на глубине 400 м - Actinobacteria, на глубине 1200 м были выявлены представители практически всех подгрупп протеобактерий (Денисова и др., 1999).

В образцах губок, отобранных в б. Фролиха на глубине 400-450 м, основными являются не только микроорганизмы Actinobacteria, но и Proteobacteria. Вероятно, это связано с тем, что в б. Фролиха, известной богатым биологическим сообществом, расположен подводный термальный источник, который создает особую экологическую обстановку (Голубев, 2007) и способствует богатому биологическому разнообразию.

Во всех образцах донных осадков оз. Байкал доминируют микроорганизмы, относящиеся к филуму Proteobacteria, в частности микроорганизмы рода Methylomonas, которые абсолютно доминируют в донных отложениях пресноводных озер (Гальченко, 2001).

При сравнительном анализе микробного состава глубоководных губок и донных осадков, отобранных в одних и тех же районах оз. Байкал, обнаружено, что одни микроорганизмы присутствуют только в составе губок, другие - только в составе донных осадков и большая часть - и в губках, и в донных осадках. Губки становятся убежищами для эндосимбионтов - микроорганизмов, обитающих внутри губок (Dalsgaard, 2003). Так, микроорганизмы, принадлежащие родам Propionibacterium,

Pseudonocardia, Thiobacillus, Anabaena, которые являются доминирующими в составе губок, не обнаружены в донных осадках, что позволяет сделать вывод о том, что они являются симбиотическими. Основные микроорганизмы донных осадков, Methylomonas, не обнаружены в губках. Те микроорганизмы, которые были обнаружены и в губках, и в донных осадках, вероятно, поступают в тело губки во время фильтрации окружающей воды. Выявлено, что общая численность микроорганизмов, ассоциированных с губкой, выше, чем в донных осадках, так как губки практически нацело извлекают из окружающей среды бактерио- и фитопланктон, служащие им источником питания.

21.2. Жирнокислотный состав глубоководных байкальских амфипод Ommatogammarus albinus.

В настоящей работе впервые исследован ЖК состав глубоководных амфипод Ommatogammarus albinus, отобранных в августе 2009 г. в бухте Фролиха (оз. Байкал) с глубины 430 м.

ЖК состав глубоководных байкальских амфипод представлен в табл. 1 и на рис. 9 (а, б, в). Всего было обнаружено более 40 ЖК с углеродной цепью от С14 до С24. В общем ЖК составе амфипод значения группы насыщенных кислот варьирует в пределах от 13.8 до 18.0%. Основной насыщенной ЖК является пальмитиновая 16:0 кислота, ее содержание в среднем составляет около 9.8%, в меньших количествах содержится стеариновая 18:0 кислота - около 2.7% от суммы ЖК. Ненасыщенные ЖК являются основными (около 65% от суммы ЖК), из них МНЖК составляют около 52%, среди которых доминирующей является мононенасыщенная олеиновая кислота 18:1п9 в количестве около 30% от суммы ЖК. Мононенасыщенные кислоты С16 и С18 представлены тремя изомерами (п9, п7 и п5) каждая, а кислота С20 -двумя (nll и п9). Количество кислоты 18:1 как суммы изомеров в ЖК составе глубоководных амфипод Ommatogammarus albinus составляет около 37%. В ЖК составе трех видов глубоководных байкальских гаммарид Ceratogammarus dybowski, Abyssogammarus sp. и Polycotilus sp., отобранных с глубин 1000 - 1300 м., ранее были выявлены три основных компонента: 18:1 (как сумма всех изомеров, варьировала от 22.4 до 45.2%), 20:5пЗ (12.4 - 17.8%) и 22:6пЗ (5.8 - 20.9%). Среди ЖК кислота 18:1 (как сумма изомеров) была доминирующим компонентом и варьировала от 30.2% в Abyssogammarus sp. до 46.6% в Polycotilus sp. (Morris, 1984). В составе глубоководных амфипод рода Acanthogammarus (Brachyuropus) grewingkii содержание кислоты 18:1 как суммы изомеров составило 12.7 - 26.1% от суммы ЖК, однако доминирующим изомером была кислота 18:ln7 (Dembitsky et al., 1994). Среди ПНЖК доминируют такие незаменимые кислоты как эйкозапентаеновая 20:5пЗ (4.6%), докозагексаенсвая 22:6пЗ (2.5%) и арахидоновая 20:4п6 (2.1%) кислоты (рис. 10). Высокое содержание ненасыщенных ЖК и низкое содержание

насыщенных ЖК связано, по-видимому, с низкой температурой и необходимостью поддерживать на определенном уровне «жидкокристаллическое» состояние мембранных структур. Так при исследовании ЖК состава амфипод СаргеШс1еа, обитающих в проливе Гибралтар, было выявлено, что содержание ПНЖК у образцов, отобранных при более низкой температуре, выше (Кау/аБЫта, 1999; Оиегга-Оагаа, 2004).

Рис. 9. ЖК состав глубоководных амфипод Отта^^аттагиз ЫЫпия

Таблица 1

Жирнокислотный состав глубоководных байкальских амфипод Ommatogammarus albinus

............... ......^ ЖК Вид _ 14:0 i!5:0 ail5:0 15:0 16:0 17:0 18:0 19:0

Ommatogammarus albinus 0.97±0.25 0.49±0.09 0.15±0.05 0.55±0.13 9.76±1.08 0.47±0.11 2.65±0.52 0.19±0.04

ЖК Вид ~ 20:0 16:io9 16:1п7 10:lnS 17:1 д9 18:1п9 18:1п7 t8:lnS ■

Ommatogammarus albinus 0.2б±0.03 3.50±0.48 б.60±1.31 0.23±0.06 0.69±Ю,10 30.27±2.74 5.41 ±0.71 1.36.0.16

ЖЕ Вид 20:1п11 20:1ч9 24:5п9 16'2пД 1*-2я4 iS:3a3 20:2п6

Ommatogammarus albinus 1.48±0.33 0.89±0.30 0.23 ¡0.14 0.1410.0.5 0 62 НПО ' "«1 0.54*0.17 0.34 ±0.17

ЖК Вид ~---- 2H:f»(. 20:4пЛ 22:4п6 20 'пЗ 22-«..6 22:5n3 22 i.n.»

Ommatogammarus albinus 0.57-НЗ. 1 7 2.07±1.02 0.ГЙ0.07 0.23^-0.26 455-. 0 27Л) 1" 0.39±С.31 2 45± 1:01:

J 18:1 пЭ

5 16:0

£ 16:1n7 $ 18:1п7Т 20;5пз

I 18:0 J- J 22:6пЗ

Рис. 10. Средние значения и стандартные отклонения доминирующих ЖК амфипод Ommatogammarus albinus Кроме температуры влияние на ЖК состав также может оказывать тип питания животных. Информацию о трофическом уровне, составе и типе питалия можно определить соотношением биомаркерных кислот. Высокие содержания специфичных липидных компонентов, таких как кислоты 16:1п7, 18:1п7 и 20:5пЗ, используемых в качестве трофических биомаркеров, рассматриваются как индикаторы питания диатомовыми водорослями (Graeve et al., 2001; Nelson et al., 2001; Auel et al, 2002). Напротив, флагелляты содержат высокие содержания докозагексаеновой кислоты 22:6n3 (Graeve et al., 1994; Sargent et al., 1987; Scott et al., 2001), тогда как арахидоновая кислота 20:4п6 происходит от микроводорослей и неизменно входит в состав амфипод (Graeve et al., 2001). Олеиновая кислота 18:1п9 рассматривается как индикатор плотоядного питания (Nelson et al., 2001) и по этому показателю животные могут относиться к некрофага.м (Graeve et al., 2001).

Таким образом, высокое значение соотношения 18:1п9/18:1п7 и относительно низкие соотношения 16:1п7/16:0 и 20:5пЗ/22:6пЗ (рис. 11)

подтверждает, что глубоководные амфиподы Ommatogammarus albinus относятся к некрофагам (Dybowsky, 1894; Базикалова, 1945; Тахтеев, Механикова, 1993; Тахтеев, 2000).

I

Рис. 11. Средние значения и стандартные отклонения биомаркерных соотношений в амфиподах Ommatogammarus albinus 3.3. Жирнокислотный состав рыб Для сравнительного анализа ЖК состава исследовали глубоководные байкальские рогатковидные рыбы б. Фролиха Batrachocottus multiradiatus, Batrachocottus nikolskii, Limnocottus bergianus, локальный эндемик Neocottus thermalis и трех видов рыб р. Кичера (приток р. Холодной, Северный Байкал): плотва Rutilus rutilus, окунь Percafluviatilis и щука Es ох lucins. Река Кичера - одна из рек, впадающей в озеро Байкал с севера, мониторинг состояния экосистемы р. Кичеры в районе впадения её притока (р. Холодной) является актуальным в связи с увеличением антропогенной нагрузки на водные экосистемы этого региона, нарушающей естественный круговорот химических элементов.

Методом ГХМС в тканях гидробионтов обнаружено более 40 ЖК, относительные количества которых в мышечной ткани рыб варьировались от <0.1% до максимального значения 26.6%.

Насыщенные ЖК. Во всех исследуемых образцах рыб основной насыщенной кислотой является пальмитиновая 16:0 кислота. Ее содержание составляет 12.2-23.6%. Следующие доминирующие насыщенные кислоты это стеариновая 18:0, которая обнаружена в меньших количествах 1.6-9.6%, и миристиновая 14:0 с содержанием от 0.7 до 4.1%. Низкая температура обусловливает пониженное содержание насыщенных НЖК, которое составляет в глубоководных гидробионтах 20.1-28.5%, а в тканях рыб р. Кичера-30.6-38.5%.

Мононенасыщенные ЖК. Содержание МНЖК в рыбах разного вида различается. Так Limnocottus bergianus содержат всего 16.6%, Batrachocottus multiradiatus - 26.4%, a Neocottus thermalis и Batrachocottus nikolskii - 44.1 и 47.4%, соответственно. По сравнению с глубоководными гидробионтами рыбы р. Кичера содержали меньше МНЖК - 13.4-18.1%.

| 1fc1fl9f1fc1n7

I ШйМЛт! f ЮЗаЗШгбМЗ

Из МНЖК с наибольшим относительным содержанием выявлены кислоты 18:1 п9 (4.1-22.5%) и 16:1п7 (1.7-15.5%).

Полиненасыщенные ЖК. Мышечная ткань исследуемых видов глубоководных рыб содержит высокие уровни ПНЖК, их содержание уменьшается в ряду Limnocottus bergianus (54.8%), Batrachocottus multiradiatus (48.3%), Batrachocottus nikolskii (32.4%), Neocottus thermalis (25.2%). Содержание в образцах щуки, окуня и плотвы составляет 50.4, 49.7 и 39.7%, соответственно. Среди ПНЖК во всех образцах доминируют незаменимые ЖК: эйкозапентаеновая 20:5пЗ, докозагексаеновая 22:6n3, а также арахидоновая 20:4п6 кислоты. В мышцах рыб содержатся низкие количества НЖК, отчетливо меньшие количества МНЖК и больше ПНЖК.

Мышечная ткань рыб содержит высокие уровни длинноцепочечных пЗ ПНЖК, что типично для морских рыб, но поскольку уровни пб ПНЖК были также высокими, то соотношение пЗ/пб ПНЖК локального эндемика Neocottus thermalis составляет 1.9, а в остальных видах рыб — 2.3-3.3 (рис. 12), что характерно для пресноводных рыб. Это соотношение типично варьируется в пределах от 1 до 3 для пресноводных рыб и 8-18 для морских рыб (Henderson, Tocher, 1987).

? 4 "i

33 -

3 23 2 -13 1

03 -

g liimvcatui NmKOtSm BclrmduicottxsBmlnujuKattBl Eutx Perçu КвШш bcrgùuua tkermaîis mi№«£iîs oikolsis 1жажх fteviAiÛMs netiliu

Рис. 12. Средние значения и стандартные отклонения соотношения пЗ/пб в мышечных

тканях рыб

Использование метода ГК, где в качестве переменных используются ЖК, позволяет проследить различные закономерности в вариациях ЖК состава образцов исследованных рыб и амфипод в зависимости от таксономического положения, что показано на рис. 13. Видно, что рыбы подразделяются на отчетливо различающиеся группы. Образцы плотвы, окуня и щуки расположены в правой части графика, а байкальские образцы глубоководных гидробионтов — в левой. Бентосные эврибатные Batrachocottus multiradiatus и Limnocottus bergianus, и бентосные абиссальные рогатковидные рыбы Batrachocottus nikolski и Neocottus thermalis группируются близко, что связано с их экологической

нишей. Близкое расположение образцов щуки Esox lucius и окуня Perca fluviatilus на графиках указывает на схожий тип питания этих рыб. Так известно, что весь цикл онтогенеза окуня Perca ßuviatilis в основном проходит в поверхностных слоях воды; в питании наряду с рыбой, важное место принадлежит бентосным организмам. Щука Esox lucius относится к хищникам, рацион щуки состоит исключительно из рыбы. Представители плотвы Riitilus rutilus на МГК-графике и расположены обособленно, что также связано с отличным типом питания от других рыб, поскольку плотва относится к планктонобентософагам (Сидоров, 1983; Morris, 1984).

Также нужно отметить близость состава тканей амфипод Ommatogammarus albinus и жирных большеголовых широколобок

Batrachocottus niko/skii, и Neocotíus thermalis, что указывает на возможные близкие пищевые взаимосвязи. Современные методы статистической обработки данных показывают сложный механизм формирования ЖК состава тканей гидробионтов, определяющегося не только составом пищи, но и таксономической специфичностью формирования ЖК состава.

Мониторинг состояния экосистемы р. Кичеры в районе впадения её притока (р. Холодной) является актуальным в связи с увеличением антропогенной нагрузки на водные экосистемы этого региона, нарушающей естественный круговорот химических элементов. В связи с близким расположением Холоднинского полиметаллического рудного месторождения выявлено содержание тяжелых металлов исследуемых рыбах. Они являются наиболее подходящими биоиндикаторами уровня загрязнения поверхностных вод, поскольку занимают в биоценозах водных экосистем, как правило, верхний трофический уровень и, соответственно, накапливают металлы, поступающие к ним от других гидробионтов. Было исследовано содержание шести тяжелых металлов (Pb, Cd, Zn, Mn, Со и Hg), которые являются наиболее опасными и хорошо изученными поллютантами поверхностных вод, в мышцах и печени исследованных рыб р. Кичеры. Концентрации металлов в исследуемых видах рыб не превышают принятых санитарных нормативов.

Рис. 13. Распределение образцов глубоководных байкальских амфипод и бычков, и рыб р. Кичера по ЖК составу

ВЫВОДЫ

1. Выявлен количественный и качественный состав липидных компонентов (ЖК, альдегиды, стерины) глубоководных губок и донных осадков оз. Байкал. Доминирующими ЖК являются кислоты 16:0, 18:0, изомеры 16:1 и 18:1, а также сверхдлинноцепочечные демоспонгиевые кислоты 24:1 и 26:3. Обнаружены длинноцепочечные альдегиды 22:1а, 24:1а и 24:1dl 1а, Губки Baikalospongia intermedia, обитающие в районе гидротермальной разгрузки, содержат более высокие содержания ЖК и относительно низкие содержания стеринов.

2. Впервые с использованием метода ГХМС определены специфические липидные маркеры, позволяющие идентифицировать различные группы микроорганизмов глубоководных губок и донных осадков озера Байкал. Обнаружена группа бактериогенных ЖК: разветвленные изо- и шшеизо-кислоты с общим числом атомов углерода от С13 до С20, пять насыщенных гидроксикислот бактериального происхождения - 3-оксипентадекановая (3hl5), 2-оксипентадекановая (2hl5), оксиизопальмитиновая (3hil6), 10- оксипальмитиновая (10hl6) и оксиэйкозановая (3h20), циклопропановые 17 сус и 19сус, монометилзамещенные 10Ме14:0 и 10Ме17:0 и др.

3. Выявлены особенности распределения основных групп микроорганизмов в глубоководных губках в зависимости от условий обитания. Так, в губках, обитающих на глубине около 300 м, доминируют микроорганизмы, относящиеся к Actinobacteria, тогда как в образцах губок с глубины около 1100-1500 м — Proteobacteria. В губках, обитающих в районе выходов гидротермальной разгрузки на глубине 400-450 м, преобладают и Actino-, и Proteobacteria.

4. Сравнительный анализ микробного состава глубоководных губок и донных осадков, отобранных в одних и тех же районах оз. Байкал, показал, что одни микроорганизмы присутствуют только в составе губок, другие — только в составе донных осадков и большая часть — и в губках, и в донных осадках. Так, микроорганизмы, принадлежащие родам Propionibacterium, Pseudonocardia, Thiobacillus, Anabaena, которые являются доминирующими в составе губок, не обнаружены в донных осадках и, вероятно, являются симбиотическими. Основные микроорганизмы донных осадков, Methylomonas, не обнаружены в губках.

5. Впервые изучен жирнокислотный состав глубоководных байкальских амфипод Ommatogammarus albinus. Глубоководные байкальские амфиподы содержат высокие содержания МНЖК, в частности 18:1п9. Высокое значение соотношения 18:1п9/18:1п7 и относительно низкие соотношения 16:1п7/16:0 и 20:5пЗ/22:6пЗ подтверждает, что глубоководные амфиподы Ommatogammarus albinus относятся к некрофагам.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Статьи в изданиях, включенных в список ВАК

1. Аверина, Е.С. Трансформация жирных кислот гидробионтов оз. Байкал по пищевой цепи / Е.С. Аверина, О. Грахл-Нилсен, C.B. Базарсадуева, Л.Д. Раднаева // Химия природных соединений. - 2010. -№6. -С. 727-731.

2. Пинтаева, Е. Ц. Содержание и характер накопления металлов в рыбах р. Кичеры (приток оз. Байкал) / Е.Ц. Пинтаева, C.B. Базарсадуева, Л.Д. Раднаева, Е.А. Петров, О.Г. Смирнова // Сибирский экологический журнал.-2011.-№1. - С. 87-92.

3. Базарсадуева, C.B. Жирнокислотный состав глубоководных байкальских амфипод Ommatogammarus albinus / C.B. Базарсадуева, Л.Д. Раднаева // Химия в интересах устойчивого развития. — 2013. — 21. — С. 533-537.

Публикации в материалах конференций

4. Базарсадуева, C.B. Изучение жирнокислотного состава и содержания металлов в мышечной ткани рыб реки Кичера республики Бурятия / C.B. Базарсадуева // Ломоносов-2009: материалы Международной конференции студентов, аспирантов, молодых ученых. -Москва.-2009.-С. 3.

5. Базарсадуева, C.B. Изучение состава липидов и содержания металлов в мышечной ткани рыб реки Кичера (Северобайкальский район республики Бурятия) / C.B. Базарсадуева // V школа-семинар молодых ученых России «Проблемы устойчивого развития региона» - Улан-Удэ. -2009.-С. 158-160.

6. Pintaeva, E.Ts. Study of heavy metals distribution in organs and tissues of freshwater fishes from Kichera river (Lake Baikal feeder) using PC-analysis / E.Ts. Pintaeva, S.V. Bazarsadueva, L.D. Radnaeva, E.A. Petrov // 7-ой Международный симпозиум "Современные методы анализа многомерных данных" (WSC-7). - Санкт-Петербург. - 2010. - С. 84-85.

7. Грахл-Нильсен, О. Жирнокислотный состав глубоководных гидробионтов оз. Байкал. / О. Грахл-Нильсен, Л.Д. Раднаева, C.B. Базарсадуева, Д.В. Попов, Е.С. Аверина // Тезисы докладов Международной научной конференции «Дельты Евразии: происхождение, эволюция, экология и хозяйственное освоение». - Улан-Удэ. - 2010. -С. 275-277.

8. Базарсадуева, C.B. Исследование липидов губок Baikalospongia intermedia и их симбионтов / C.B. Базарсадуева, Л.Д. Раднаева, В.В. Тараскин // Тезисы V Международной научно-практической конференции "Приоритеты Байкальского региона в азиатской геополитике России". -Улан-Удэ.-2011.-С. 111-112.

9. Базарсадуева, C.B. Липиды губок бухты Фролиха оз. Байкал / C.B. Базарсадуева, Ц.Ж. Базаржапов Л.Д. Раднаева, В.В. Тараскин // VI школа-

семинар молодых ученых России «Проблемы устойчивого развития региона». - Улан-Удэ. -2011.-С.131-133.

10. Radnaeva, L.D. Study of benthic organisms as bioindicators of ecosystem of Lake Baikal. / L.D. Radnaeva, S.V. Bazarsadueva, V.V. Taraskin, G.A. Osipov // International Forum on Regional Sustainable Development of Northeast and Central Asia. - Beijing (China). - 2011. - C. 168-175.

11. Базарсадуева, C.B. Анализ лшщдной фракции губок Baikalospongia intermedia / C.B. Базарсадуева, B.B. Тараскин // VIII Всероссийская конференция по анализу объектов окружающей среды ЭКОАНАЛИТИКА 2011, посвященная 300-летию со дня рождения М.В. Ломоносова -Архангельск. - 2011. - С. 72.

12. Раднаева, Л.Д. Метод газо-хромато-масс-спектрометрии в изучении липидных компонентов донных осадков в экосистеме озера Байкал / Л.Д. Раднаева, C.B. Базарсадуева, Е.Ц. Пинтаева, В.В. Тараскин, Г.А. Осипов // Второй съезд аналитиков России. - Москва. - 2013. - С. 542.

13. Базарсадуева, C.B. Анализ липидной фракции губок Baikalospongia intermedia / C.B. Базарсадуева, B.B. Тараскин, Л.Д. Раднаева // Материалы Всероссийской молодежной научно-практической конференции с международным участием «Экологобезопасные и ресурсосберегающие технологии и материалы». - Улан-Удэ. - 2011. - С. 160-161.

14. Базаржапов, Ц.Ж. Жирно кислотный состав печени и мышц рыб Северобайкальского сора оз. Байкал / Ц.Ж. Базаржапов, Л.Д. Раднаева, C.B. Базарсадуева, Е.Ц. Пинтаева // Материалы Всероссийской молодежной научно-практической конференции с международным участием «Экологобезопасные и ресурсосберегающие технологии и материалы». Улан-Удэ. - 2011. - С. 158-159.

15. Попов, Д.В. Систематическое исследование ЖК состава липидов рогатковидных рыб озера Байкал / Д.В. Попов, C.B. Базарсадуева // VII школа-семинар молодых ученых России «Проблемы устойчивого развития региона». — Улан-Удэ. — 2013. — С. 216-219.

Подписано в печать 19.11.2013 г. Формат 60x84 1/16. Бумага офсетная. Объем 1,6 печ. л. Тираж 100. Заказ № 62.

Отпечатано в типографии Изд-ва БНЦ СО РАН 670047 г. Улан-Удэ ул. Сахьяновой, 6.

Текст научной работыДиссертация по биологии, кандидата биологических наук, Базарсадуева, Сэлмэг Владимировна, Иркутск

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Байкальский институт природопользования Сибирского отделения РАН

На правах рукописи

04201451263

БАЗАРСАДУЕВА СЭЛМЭГ ВЛАДИМИРОВНА

ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ЛИПИДОВ ГИДРОБИОНТОВ В ГЛУБОКОВОДНОЙ ЗОНЕ ОЗЕРА БАЙКАЛ

03.02.08 - экология (биологические науки)

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Научный руководитель: доктор химических наук, профессор Раднаева Л.Д.

Иркутск - 2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ.....................................................................................3

ВВЕДЕНИЕ..............................................................................................................4

ГЛАВА 1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР...................................................................9

1.1. Липидные компоненты и состав микроорганизмов губок......................11

1.2. Жирнокислотный состав амфипод............................................................22

1.3. Жирнокислотный состав рыб.....................................................................28

ГЛАВА 2. РАЙОНЫ, ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ...............39

2.1. Физико-географическая характеристика районов обитания..................39

2.2. Объекты исследования...............................................................................44

2.3. Методы исследования.................................................................................45

2.3.1. Пробоподготовка...................................................................................45

2.3.2. Метод атомно-абсорбционной спектрометрии..................................47

2.3.3. Метод газо-хромато-масс-спектрометрии..........................................48

2.3.4. Статистическая обработка данных......................................................52

ГЛАВА 3. РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ....................................................55

3.1. ЛИПИДНЫЙ СОСТАВ ГЛУБОКОВОДНЫХ ГУБОК В ЗАВИСИМОСТИ ОТ УСЛОВИЙ СРЕДЫ......................................................55

3.1.1. Байкальские губки.................................................................................55

3.1.2. Донные садки оз. Байкал......................................................................73

3.2. ЖИРНОКИСЛОТНЫЙ СОСТАВ ГЛУБОКОВОДНЫХ БАЙКАЛЬСКИХ АМФИПОД OMMATOGAMMARUS ALBINUS.............87

3.3. ЖИРНОКИСЛОТНЫЙ СОСТАВ РЫБ.....................................................92

ВЫВОДЫ.............................................................................................................108

ЛИТЕРАТУРА.....................................................................................................110

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ

ААС атомно-абсорбционная спектрометрия

ГК главная компонента

ГОА глубоководные обитаемые аппараты

ГХ-МС газо-хромато-масс-спектрометрия

ДОК допустимые остаточные концентрации

жк жирные кислоты

мгк метод главных компонент

мнжк мононенасыщенные жирные кислоты

мс масс-спектрометр ия

мэжк метиловый эфир жирной кислоты

нжк насыщенные жирные кислоты

пнжк полиненасыщенные жирные кислоты

тмсэ триметилсилильные эфиры

PC Principal component

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность исследования. В настоящее время заметно возрос интерес к липидам со стороны многих направлений наук, прежде всего это биологические, медицинские и химические. Липидные показатели являются важнейшими характеристиками физиолого-биохимической индикации состояния организмов и популяций при различных условиях обитания. Липиды являются основным источником энергии для водных организмов и функционирование любых экосистем во многом связано с биосинтезом и транспортом липидов в пищевых цепях. Многочисленными исследованиями показано участие липидов в адаптивных реакциях гидробионтов в ответ на изменение самых разнообразных условий окружающей среды (СагЬа11е1га е1 а1., 1987; Яа]епс1гап е1 а1., 1992; Бтопек, 2004). Поэтому изменения состояния среды могут быть прослежены при сравнительном анализе жирных кислот (ЖК) различных организмов.

Озеро Байкал - участок мирового природного наследия, старейший (25 млн. лет) и самый большой (23000 км ) пресноводный водоем в мире. Ихтиофауна оз. Байкал уникальна и весьма разнообразна и в настоящее время представлена 55 видами из 15 семейств, из которых 33 вида эндемичные. Важной и сложной задачей является исследование биологических объектов, применяемых для индикационной оценки природной среды. Наибольший интерес представляют такие гидробионты как губки, которые практически не меняют место обитания. Они ассоциированы с широким спектром микроорганизмов, содержат большое количество вторичных метаболитов, которые играют важную роль в развитии приспособительных реакций у организмов при экологических модуляциях. Одной из наиболее многочисленных групп многоклеточных байкальских организмов являются амфиподы, которые составляют 1/5 от общего числа мировой фауны видов амфипод, причем все они — эндемики. Несмотря на низкую относительную биомассу, амфиподы составляют существенный компонент в системе обмена вещества и энергии, поскольку являются

важным кормовым объектом для многих гидробионтов.

Известно, что состав липидов тканей ряда эндемичных организмов озера Байкал характеризуется высокими уровнями длинноцепных полиненасыщенных жирных кислот, что типично для морских видов (Henderson, Tocher, 1987). Обнаружены высокие уровни пЗ ЖК в отдельных видах байкальских Cottoidei (Kozlova, Khotimchenko, 1993, 2000; Kozlova, 1997; Grahl-Nielsenet al., 2005, 2011; Попов, 2012). Исследования по липидному составу байкальских губок включают некоторых представителей этой группы животных, обитающих на небольшой глубине (Dembitsky et al., 1993, 1994; Глызина, 2002), глубоководные байкальские губки ранее не изучались. Исследователями (Ishiwatari et al., 2006) выявлено содержание лигнина и некоторых ЖК донных осадков Академического хребта, отобранных с глубины 335 м, других данных по ЖК составу донных осадков глубоководной зоны озера Байкал не обнаружено. Таким образом, работа, направленная на исследование распределения липидов в тканях глубоководных байкальских гидробионтов актуальна.

Цель исследования - выявить экологические особенности распределения липидов в тканях гидробионтов глубоководной зоны озера Байкал.

Были поставлены следующие задачи:

1. определить липидный состав различных видов байкальских губок из разных мест обитания;

2. определить липидный состав донных осадков с различными экологическими особенностями среды;

3. выявить специфические маркеры, позволяющие идентифицировать состав микроорганизмов губок и донных осадков;

4. изучить жирнокислотный состав глубоководных байкальских амфипод Ommatogammarus albinus, обитающих в районе гидротермальной разгрузки в б. Фролиха;

5. изучить жирнокислотный состав мышечной ткани рыб.

Научная новизна. Впервые выявлен состав липидных компонентов (ЖК различного строения, альдегиды и стерины) глубоководных губок и донных осадков. Так методом ГХМС по количественному содержанию липидных маркеров определен состав микроорганизмов глубоководных губок и донных осадков оз. Байкал. Впервые определен ЖК состав глубоководных байкальских амфипод Ommatogammarus albinus, в которых выявлены высокие содержания ненасыщенных ЖК.

Практическая значимость. Липидные маркеры, определенные в глубоководных губках, могут быть использованы для идентификации ряда таксонов, родов и видов микроорганизмов. Эти данные могут быть использованы для создания оперативной и эффективной системы мониторинга пространственно-временных изменений природных сред и биоты, что будет способствовать решению проблемы сохранения уникального озера планеты. Обнаруженный в губках широкий спектр биологически активных веществ, в том числе и стеринов, в перспективе могут быть использованы в качестве лекарственного сырья.

Основные положения, выносимые на защиту:

• В составе липидной фракции донных осадков идентифицировано до 140 соединений, глубоководных байкальских губок идентифицировано до 104 соединений (различные ЖК, альдегиды и стерины). В байкальских губках содержатся МНЖК ряда С20 - С23 и С27, доминирующей кислотой среди ПНЖК является сверхдлинноцепочечная кислота 26:3. Обнаружены длинноцепочечные альдегиды 22:1а, 24:1а и 24:1dl 1а. Губки Baikalospongia intermedia, обитающие в районе гидротермальной разгрузки в б. Фролиха, содержат более высокие содержания ЖК, особенно ПНЖК и относительно низкие содержания стеринов.

• Разветвленные изо- и антеизо-шсяоты с общим числом атомов углерода от С13 до С20, в том числе четные (изомиристиновая il4:0, изопальмитиновая il6:0, изопанодекановая il9:0), гидроксикислоты как

оксипальмитиновая hl6 и гидроксимиристиновая 3hl4, гексадеценовая кислота 17:1, циклоиропановые кислоты 17сус и 19сус являются маркерными кислотами для определения основных групп микроорганизмов. • Глубоководные байкальские амфиподы Ommatogammarus albinus содержат высокие содержания ненасыщенных ЖК, причем мононенасыщенные жирные кислоты составляют около 52%. Высокое значение соотношения 18:1п9/18:1п7 и относительно низкие соотношения 16:1п7/16:0 и 20:5пЗ/22:6пЗ подтверждает, что глубоководные амфиподы Ommatogammarus albinus относятся к некрофагам.

Апробация работы и публикации. Результаты и основные положения диссертационного исследования были представлены в докладах на V и VI школе-семинаре молодых ученых России «Проблемы устойчивого развития региона» (Улан-Удэ, 2009, 2011), 7-ом Международном симпозиуме "Современные методы анализа многомерных данных" (WSC-7) (Санкт-Петербург, 2010), Международной научной конференции «Дельты Евразии: происхождение, эволюция, экология и хозяйственное освоение» (Улан-Удэ, 2010), V Международной научно-практической конференции "Приоритеты Байкальского региона в азиатской геополитике России" (Улан-Удэ, 2011), VIII Всероссийской конференции по анализу объектов окружающей среды ЭКОАНАЛИТИКА 2011, посвященной 300-летию со дня рождения М.В. Ломоносова (Архангельск, 2011). По результатам диссертационной работы опубликовано 12 работ, из них 2 статьи в рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК Минобразования РФ.

Работа выполнена во время Международной экспедиции ««Миры» на Байкале 2008-2010 гг.» при поддержке Фонда содействию сохранения озера Байкал, а также в рамках исследований по проектам: Программа Президиума РАН № 20 "Фундаментальные проблемы океанологии: физика, геология, биология, экология". Подпрограмма «Глубоководные исследования озера Байкал». Проект № 9 «Комплексные исследования зон активных

разгрузок глубинных флюидов на озере Байкал с помощью автономных необитаемых аппаратов, обитаемых аппаратов «МИР», а также дистанционных пробоотборников» (2008-2011 гг.); Программа Президиума РАН № 23 "Фундаментальные проблемы океанологии: физика, геология, биология, экология". Подпрограмма «Глубоководные исследования озера Байкал». Проект № 8 «Комплексные исследования биологических сообществ абиссали озера Байкал и их зависимость от типа разгружающего флюида» (2012-2013 гг.); РФФИ № 08-05-98029-р_сибирь_а «Формирование и трансформация липидов гидробионтов оз. Байкал в зависимости от эколого-биологических факторов» (2008-2010 гг.).

ГЛАВА 1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР

Озеро Байкал, расположенное в Восточной Сибири, является самым древним (25 млн. лет), самым глубоким (1637 м.) и самым крупным (23 тыс.

о

км ) пресноводным водоемом Земли. Общий объем содержащейся в оз. Байкал воды составляет 20% от всей пресноводной воды планеты, находящейся в ее реках и озерах. Чистота вод оз. Байкал и состояние различных элементов его экосистемы привлекают огромное внимание российской и мировой общественности. Уникальность экологической системы оз. Байкал признана юридически; в 1996 г. озеро и непосредственно примыкающая к нему территория были включены в Список участков мирового Наследия ЮНЕСКО. В 1999 г. принят Закон Российской Федерации «Об охране озера Байкал».

Байкал - это уникальное озеро, не только по огромным запасам пресной воды, но по количеству растительных и животных организмов характерных только для этого водоема. Во многом это связано с уникальными природными условиями - большая глубина, незначительная степень антропогенного загрязнения, низкий среднегодовой градиент температуры, слабая минерализация воды и обилие кислорода. Все это привело к возникновению таких форм флоры и фауны, большая часть которых не встречаются в каких либо пресноводных водоемах на Земле. Особенностью биоты Байкала является также незначительная сезонная изменчивость видового состава организмов. Хорошо известно, что одними из наиболее продуктивных первичных продуцентов во всех водных экосистемах являются микро- и макроводоросли. Однако 98% всей площади Байкала это области с глубинами свыше 150 метров, т.е. ниже фотической зоны -предельной глубины проникновения света и, как следствие, для фотосинтетических процессов (Ничипорович, 1967). Это значит, что в образовании первичной продукции роль бентосных водорослей на Байкале минимальна.

Гидробионты - постоянные обитатели водной среды. В ходе эволюции

организмы гидросферы приспосабливались к трем основным местам обитания: дну, водной толще и поверхностной пленке (Бакаева, Никаноров, 2006). На всех уровнях организации живое существо существует только как часть противоречивого целого - бикосного тела в его взаимодействиях со всей совокупностью окружающих условий (Константинов, 1986). Организмы, популяции, виды и биоценозы, представляющие собой различные уровни организации живой материи - биологические системы разного уровня. Как любые системы, они являются совокупностью элементов, взаимодействующих друг с другом и объединенных выполнением общей функции. Биосистема взаимодействует с внешним миром как единое целое, сохраняя общую структуру взаимодействия элементов при изменении внешних условий и своего внутреннего состояния.

Микроорганизмы - наиболее многочисленные обитатели биосферы, занимающие все доступные для жизни уголки планеты. Повсеместное распространение микроорганизмов обусловлено их малыми размерами, позволяющими легко переноситься с потоками воды и воздуха, разнообразием и гибкостью метаболизма, устойчивостью к неблагоприятным факторам среды (Нетрусов и др., 2004). Водные микроорганизмы играют ключевую роль в жизни водоемов, осуществляя замкнутые циклы основных биогенных элементов (С, Ы, 8, Р, Бе и др.), и могут быть подразделены на три основные категории: планктон, основные организмы водной голщи; гаптобентос - микроорганизмы, прикрепляющиеся к плавающим частичкам и водным растениям; и перифитон, включающий бентосные микроорганизмы, обитающие непосредственно в донных отложениях. Одну из неотъемлемых частей водоемов озерного типа составляют их донные отложения. От их минерального состава, содержания органического вещества и других физико-химических параметров зависит активность микроорганизмов в донных осадках. Донные отложения являются средой обитания для водных микроорганизмов.

Своеобразие особых экологических условий оз. Байкал: большие

глубины, низкая температура воды, низкая минерализация, высокое содержание кислорода, богатство биотопов - обеспечивают особые условия для формирования жирнокислотного состава гидробионтов.

Так, температура является одним из основных факторов, который в ходе длительной эволюции формировал синтез животными клетками насыщенных ЖК. На начальных ступенях эволюции, когда пойкилотермные организмы обитали в воде при сравнительно низких температурах мирового океана (особенно в северных широтах) для сохранения функционирования биологических мембран им было необходимо поддерживать высокую степень ненасыщенности. Чем ниже температура, при которой живут те или иные представители фауны, тем более ненасыщенными являются углеродные цепи их ЖК. В процессе эволюции организмы, обитающие при повышенных температурах (обитатели мелководья, сухопутные животные), стали синтезировать, этерифицировать в фосфолипиды и встраивать в мембрану более насыщенные ЖК.

Однако функционально идеальной плазматической мембраной клеток остается все-таки мембрана, фосфолипиды которой содержат наиболее ненасыщенные эссепциальные ЖК, которые животные клетки обычно не могут синтезировать самостоятельно (Титов, Лисицын, 2006). Поэтому ферментные системы существующих сегодня гидробионтов, с одной стороны, должны поддерживать определенную степень насыщенности ЖК в соответствии с температурой ареала обитания, а с другой стороны, синтезировать (и получать с пищей) достаточное количество ненасыщенных ЖК для функционирования клеточных мембран.

1.1. Липидные компоненты и состав микроорганизмов губок

Губки (тип Роп/ет) считаются простейшими из многоклеточных организмов. Они широко распространены в морских и пресноводных системах. Они часто встречаются в массовом количестве, а в ряде случаев являются ведущими формами и в водных биоценозах (Колтун, 1959). Уже в

кембрийском море существовала довольно богатая фауна губок, представленная почти всеми классами и отрядами, существующими и в современный период. В настоящее время описано около 5 тыс. видов губок, которые разделяют на три класса: Hexactinellida, Demospongidae и Calcarea (Hooper, Van Soest, 2002).

Губки относятся к фильтрующим донным беспозвоночным. Все они имеют внутреннюю полость, в направлении которой через отверстия в теле перекачивается морская вода. С выходящим током воды удаляются продукты обмена. Вместе с водой в