Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Свободные жирные кислоты в поверхностной пленке воды природного водоема

ВАК РФ 03.00.02, Биофизика

Автореферат диссертации по теме "Свободные жирные кислоты в поверхностной пленке воды природного водоема"

российская академия наук

ордена ленина сибирское отделение ' Г Б О Л институт биофизики

2

('

На правах рукописи

Сущик (Шишкина) Надевда Николаевна

свободней жирные кислоты в поверхностной пленке воды природного водоема

03.00.02 биофизика

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Красноярск, 1995

Работа выполнена в Институте биофизики СО РАН

Научные руководители: доктор биологических наук,

старший научный сотрудник М.И.Гладашев;

кандидат биологических наук, старший научный сотрудник Г.С.Калачева

Официальные оппоненты: доктор биологических наук

В.Н.Моргун;

кандидат биологических наук Н.А.Тхшькова

Ведущая организация: ■ Одесское отделение Института биологии

южных морей АН Украины

Защита состоится "_" 1995 г. в _часов на засе-

дании Специализированного совета Д. 003. 45. 01 по защите диссертаций на соискание ученой степени доктора наук при Институте биофизики СО РАН (660036, Красноярск, Академгородок). С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института биофизики СО РАН.

Автореферат разослан"^ " февраля 1995 г.-.-

Ученый секретарь Специализированного совета, доктор технических наук

А.П.Шевырногов

(

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

АКТУАЛЬНОСТЬ ПРОБЛЕМУ. Природные водные экосистемы являются сложными динамическими системами, состоящими из огромного количества компонент. Многокомпонентность и масштабность природных водных экосистем обуславливают необходимость применения системного подхода в гидроэкологических исследованиях. В рамках системного подхода особую важность преобретают интегральные кинетические показатели, характеризующие состояние экосистемы в целом, для экспериментального измерения которых необходимо разрабатывать специальные методы и аппаратуру.

Одним из перспективных направлений экспериментальных интегратив-ных исследований является зарождающаяся научная дисциплина - экологическая биофизика. Задачи и предмет экологической биофизики состоят в следующем (Гительзон и др., 1993): 1) изучение физических процессов, являющихся отражением интегральных кинетических свойств экосистем, и создание на их основе соответствующих методов мониторинга; 2) осуществление практической абстракции - физическое и математическое моделирование; 3) исследование роли живых организмов в физических процессах экосистемного масштаба. В связи с этим эколо-го-биофизический подход представляется наиболее адекватным при изучении такого уникального природного объекта как поверхностная пленка водоемов. Поверхностная пленка вода, как и всякая поверхность раздела, обладает особыми физико-химическими характеристиками и является ключевым звеном во взаимодействии водоема и атмосферы. Природные сурфактанты, такие как свободные жирные кислоты, аккумулирующиеся в поверхностной пленке, могут влиять яа ее свойства, меняя тем самым тепло-, массобмен водоема и атмосферы. Поэтому воздействие сурфактантов на свойства поверхностной пленки заслуживает самого тщательного изучения.

Поверхностная пленка тесно взаимосвязана с водной толщей вследствие миграций организмов и флотации веществ - биогенных сурфактантов, поступающих из нижележащего столба воды. Вполне возможно, что состав органического вещества поверхностной пленки отражает экологические процессы, происходящие в нижележащем столбе воды. Таким образом, расшифровка информации, интегрированной в поверхностных пленках органических веществ, представляется перспективной задачей, поскольку дает потенциальную возможность получить представление о состоянии водной экосистемы в целом.

ЦЕЛЬЮ диссертационной работы явилось изучение свободных жирных

кислот (СЖК) поверхностной пленки природного водоема как природных интеграторов информации об экологических процессах, происходящих в толще воды, а также воздействия пленок СЖК на, теплообмен вода-воздух. Были поставлены следующие ЗАДАЧИ:

1. Изучить состав СЖК поверхностной пленки природного водоема и рассмотреть потенциальную возможность использовать состав этих кислот как биомаркер экологических процессов, происходящих в толще воды.

2. Исследовать состав внеклеточных (Ж в лабораторных культурах водорослей на разных стадиях роста культуры и при лимитировании роста ее биогенными элементами.

3. Экспериментально исследовать воздействие пленок СЖК на температурный режим поверхностного микрослоя воды и оценить потенциальную возможность регистрации наличия поверхностно-активных веществ (ПАВ) на поверхности воды на основании измерений температуры поверхностной пленки.

На защиту выносятся следующие ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ.

Состав свободных жирных кислот поверхностной пленки природных водоемов определяется состоянием биоты нижележащего слоя воды, в частности, фазами сезонной динамики фитопланктона.

Состав внеклеточных СЖК лабораторных культур водорослей отражает их состояние, а именно фазу роста культуры и наличие или отсутствие лимитирования роста недостатком биогенных элементов.

— Монослой СЖК-влияет на температуру поверхности воды двойственным образом, уменьшая температуру холодной пленки и увеличивая температуру теплой пленки, что накладывает физическое ограничение на создание методов дистанционного от^еделения ПАВ по измерению разности температур поверхностной пленки и толщи воды.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА И ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ РАБОТЫ. Установлена зависимость состава СЖК поверхностной пленки природного водоема от фазы сезонной динамики фитопланктона. Показана возможность решения обратной задачи. Сформулировано представление о поверхностной плен-

ко ПАВ как интеграторе информации о. функционировании экосистемы всей толщи воды. На основании анализа состава различных групп СЖК поверхностной пленки и данных лабораторного эксперимента показано, что в основе идентификаторных признаков СЖК лежат физиолого-биохимические механизмы. В лабораторных опытах продемонстрирована потенциальная возможность определения лимита роста фитопланктона по составу внеклеточных СЖК. Предложена гипотеза о механизмах выделения СЖК клетками водорослей.

Доказано и объяснено двойственное влияние мономолекулярного слоя СЖК на температуру поверхностной пленки воды, а именно увеличение температуры теплой пленки и снижение температуры холодной пленки.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ. Предлагаемое в работе использование СЖК-идентификаторов для определения интегральных функциональных характеристик водных экосистем может оказаться весьма перспективным направлением экологического мониторинга. Обнаруженная неоднозначность влияния плбнок ПАВ на температуру поверхностной пленки свидетельствует о^'малоперспективности попыток создания дистанционных методов оценки ПАВ на поверхности водоемов на основе измерения температуры. Найдена частотно-амплитудная характеристика колебаний температуры холодной поверхностной пленки воды, которая может использоваться при проведении полевых экспериментов, направленных на создание методов дистанционного определения ПАВ. Разработан метод определения состава и концентраций СЖК в полевых условиях на базе отечественного высокоэффективного жидкостного хроматографа "Миллихром".

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Материалы диссертации докладывались на XVIII Международном симпозиуме по колоночной жидкостной хроматографии (Миннеаполис, США, 1994), семинарах Института биофизики СО РАН (Красноярск, 1991-94).

ПУБЛИКАЦИИ. По теме диссертации опубликовано 5 работ.

СТРУКТУРА И ОБЪЕМ РАБОТЫ. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, выводов, списка литературы и приложений. Работа изложена на 165 страницах машинописного текста, содержит 26 рисунков и 14 таблиц. Список литературы включает 157 источников, из них 110 - на английском языке.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во ВВЕДЕНИИ дано обоснование теш диссертации, ее научная новизна, сформулированы цель и задачи исследования.

ГЛАВА 1. ХАРАКТЕРИСТИКА СВОБОДНЫХ ЖИРНЫХ КИСЛОТ ПРИРОДНЫХ ВОД: ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ.

Состав растворенного органического вещества (РОВ) природных вод формируется в результате многих процессов, премущественно - жизнедеятельности водных организмов, особенно, фитопланктона (Хайлов, 1971). Прижизненное выделение РОВ водорослями, хотя и на является доминирующим источником РОВ, тем не менее имеет немаловажное экологическое значение для водоема (Fogg, 1983).

Растворенные СЖК, являющиеся одной из самых хорошо изученных фракций РОВ, присутствуют во всех исследованных природных водах, а также в лабораторных культурах водорослей (Сакевич, 1985; Kattner & Brockmann, 1990). Жирные кислоты живых клеток, как известно, являются таксономическими маркерами и используются для оценки величины вклада тех.или иных организмов в РОВ или BOB (Vestal, White, 1989). Состав жирных кислот водных организмов быстро меняется в ответ на изменение факторов внешней среда, поэтому некоторые исследователи предлагают использовать состав ЖК клеток как индикатор ряда физиологических процессов, связанных с адаптацией организма к среде обитания (Parrish, 1987). Предполагается, что о'ольшая часть растворенных СЖК является прижизненными выделениями водорослей (Soderg-геп, 1987). По-видимому, состав и количество выделяемых СЖК отражают физиологическое состояние и условия обитания фитопланктона. Таким образом,, растворенные СЖК могут заключать в себе экологическую информацию о жизнедеятельности бйоты Г

СЖК и другие лилиды являются природными сурфактантами к вследствие своих амфифильных свойств аккумулируются на поверхности раздела вода-воздух. Физические свойства"'ламинарного поверхностного микрослоя вода в значительной мере определяют интенсивность тепло- и мас-сообмена между водоемом и атмосферой (Лебедев, 1986). Пленки ПАВ оказывают воздействие на характеристики поверхностного микрослоя воды, меняя тем самым интенсивность тепло- и массообмена между водоемом и атмосферой (Иванов и др., 1989). Возмущения, вносимые пленками ПАВ, в физические параметры поверхностного микрослоя могут

i г

быть использованы как основа для создания дистанционных методов непрерывной регистрации ПАВ на поверхности водоемов.

В большинстве случаев, СЖК составляют незначительную часть органического вещества природных пленок на поверхности водоемов и поэтому не оказывают существенного влияния на тепло- и масообмен водоемов и атмосферы (Hunter & Lies, 1981). Несмотря на это, физико-химические свойства пленок СЖК исследованы достаточно подробно в лабораторных условиях. Кроме того, было показано, что некоторые физико-химические характеристики природных пленок схожи с таковыми для пленок СЖК (Jarvis et al, 1967; Dragcevlc & Pravdic, 1981). To есть, СЖК могут быть использованы как модельные вещества, имитирующие природные пленки в лабораторных экспериментах.

ГЛАВА 2. РАЙОН И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИИ.

Приводится гидроэкологическое описание Сыдинского залива Красноярского водохранилища, на котором выполнялись полевые исследования в 1990 г. Описывается лабораторная установка для экспериментального изучения температуры поверхностной пленки вода, методики создания мономолекулярных слоев СЖК на поверхности воды и измерения поверхностного давления. Приводится методика культивирования водоросли Splrullna platens Is в периодическом режиме. Излагаются методики определения состава и концентраций СЖК с помощью газовой и высокоэффективной жидкостной хроматографий. Описываются стандартные методы математической статистики, кластерного анализа, применявшиеся в работе, а также метод определения статистических различий мезду однократными пробами при предварительной калибровке (Глады-шев, 1985). Оценивается влияние фильтрования на состав и концентрации СЖК в пробах.

ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЕ ИНФОРМАЦИОННОГО ЗНАЧЕНИЯ СЖК ПОВЕРХНОСТНОГО

микрослоя вода.

Информационное значение состава свободных жирных кислот было изучено в полевых наблюдениях и в лабораторных экспериментах.

В течение летнего сезона пробы воды из поверхностной пленки брались одновременно с пробами фитопланктона водной толщи. Наблюдалось три обычных фазы сезонной динамики фитопланктона или сукцессии водной экосистемы: I - весеннее доминирование диатомей; II -"цветение" (экспоненциальный рост) сине-зеленых; III - осеннее

Л »

равновесие сине-зеленых и диатомей (рис.1). На дендрограмме , полученной в результате кластерного анализа проб СЖК по 23-м кислотам, выделяется три четких кластера проб, соответствующих по времени фазам динамики фитопланктона (рис*.2а). Из проб, равноудаленных от этих кластеров, неясно положение 12-й пробы, поскольку она является пограничной. Поэтому в дальнейших расчетах 12-ю пробу элиминировали. Проведенный затем дисперсионный анализ процентного содержания СЖК, где фазы динамики фитопланктона использовались в качестве градаций, показал, что содержание 11-ти СЖК достоверно различалось в эти три фазы (Табл.1), т.е. каждой фазе динамики фитопланктона соответствовал свой специфический спектр из этих кислот поверхностной пленки.

Для определения кислот-идентификаторов фаз произвели последовательный кластерный анализ нескольких комплексов. В результате был выделон комплекс с 9-тью кислотами с максимальными значениями т^, при кластерном анализе которого было получено три четких кластера проб, полностью совпадающих с фазами сезонной динамики фитопланктона (рис.26). Поскольку визуальный анализ дендрограмм является качественным, была проведена проверка неоднородности данной выборки по методу А.В.Лапко (1993). Анализ подтвердил неоднородность выборки при заданном коэффициенте доверия 0.95.

Матрица процентного содержания данных кислот (С 14:0,. С 15:1, С 16:0, iso-C 17:0, iso-C18:0, С 18:1, lso-C 19:0, С 18:2, С 20:0) от их общей суммы является 9-мерным идентификатором фаз. Для верификации полученного идентификатора к исходной матрице были добавлены значения содержания соответствующих кислот 12-й пробы, положение которой было неясным. Она попала в кластер проб второй фазы (рис.2в).

Таким образом, была доказана возможность решения обратной задачи, а именно определения фазы динамики.или знака производной динамики биомассы водорослей по единичной пробе СЖК из поверхностной пленки воды. Верификация идентификатора, реализуемого на ЭВМ, показала, что ошибка определения фа^ы не превышает ошибку метода определения СЖК - около ЮЖ.

В результате корреляционного анализа было выявлено три группы СЖК, динамика которых в течение изученного периода была сходной, но не совпадала с динамикой кислот других групп: группа изокислот, группа С-16 и с-18 кислот, группа короткоцепочечных кислот (рис.3). СЖК каждой группы происходили из одного источника и выделялись под воздействием одних и тех же факторов, поэтому их динамика была схо-

5 6 9 12

Рис.1. Сезонная динамика биомассы фитопланктона (ордината, мг/л) на станциях 1 (а) а 6 (б) в Сыдинском заливе Красноярского водохранилища, 1990. Абцисса: верхняя строка - даты, нижняя строка - номера проб. Сплошная линия - сине-зеленыо, пунктир - диатомовые.

• •

« « • • • 9 •

• •••••••

3 4 5 6 7 2 I 18 19 16 14 17 8 9 10 13 12 15 II

3 4 5 2 6 7 I 6 9 10 II 13 14 18 16 17 15 19

¿¿¿ФА дф6фф6©©©е®0е®

3 4 5 2 6 1 7 в 9 10 II 12 13 14 18 16 17 15 19

Рис.2. Дендрограммы кластерного анализа процентного содержания СЖК (% от общей суммы в пробе) йроб из поверхностного микрослоя воды Сыдинского залива Красноярского водохранилища, 1990 г. Номера проб соответствуют номерам и датам их взятия на рис.6. Вертикальная ось - уровни кластеризации.а - 23-мерное гиперпространство, 0-9-мерное гиперпространство (без 12-й пробы), в - 9-мерное гиперпространство .

з

Таблица 1

Результаты дисперсионного анализа относительного содержания свободных жирных кислот в поверхностной пленке воды в различные фазы развития фитопланктона. Сыдинский залив Красноярского водохранилища, июнь-август 1990г. (обозначения в тексте)

Название кислоты 4 Ч Р

1.Лауриновая 12:0 10.2 0.85 <0.95

2.Тридекановая 13:0 48.6 7.09 >0.99

З.Изомиристиновая 14:0 31.3 3.42 <0.95

4.Миристиновая 14:0 60.8 11.65 >0.99

5.Изопентадекановая 15:0 51.5 7.95 >0.99

б.Пентадекановая 15:0 13.5 1 .17 <0.95

7.Пентадеценовая 15:1 54.5 8.99 >0.99

в.Изопальмитиновая 16:0 26.9 2.76 <0.95

9.Пальмитиновая 16:0 70.0 17.52 >0.99

Ш.Гексадеценовая 16:1 25.7 2.59 <0.95

11.не идентиф. (изо 17:0?) 78.7 , 27.69 >0.99

12.Гексадекадиеновая 16:2 9.2 0.76 <0.95

13.Гептадеценовая 17:1 33.1 3.71 >0.95

14.Изостеариновая 18:0 85.8 45.74 >0.99

15.Стеариновая 18:0 43.7 5.82 >0.95

16.Олеиновая 18:1 64.8 13.81 >0.99

17.Изононадекановая 19:0 90.7 . 73.52 >0.99

18.Линолевая 18:2 93.2 103.36 >0.99

19.Нонадекановая 19:0 21.1 2.00 <0.95

20.Нонадеценовая 19:1 54.3 8.91 >0.99

21.Линоленовая 18:3 15.3 1.35 <0.95

22.Эйкозановая 20:0 80.8 31 .54 >0.99

23.Эйкозеновая 20:1 20.4 1.92 <0.95

Рис.3. Положительные корреляционные связи между относительным содержанием свободных жирных кислот в пробах из поверхностного микрослоя воды. Сыдинский залив Красноярского водохранилища, июнь-август 1990 г; г - коэффициент корреляции, а - группа изокислот, б > группа С-16, С-18 кислот, в - группа короткоцепочечных кислот.

дной. Это означает, что различия составов СЖК в фазах не случайны.

Предложенный способ идентификации фаз сезонной динамики фитопланктона по составу СЖК может оказаться полезным при гидроэкологических исследованиях, например, в ходе экспедиций по большим акваториям, когда нет возможности подробно изучать динамику фитопланктона, на каждой станции. Кроме того, фаза или производная динамики биомассы фитопланктона является информативным признаком интегральных функциональных характеристик водных экосистем, например, потенциальной кинетики самоочищения от загрязняющих веществ (С1а<1увЬеу ег а1., 1993).

Представление об эколого-физиологических механизмах формирования состава СЖК природных вод можно получить на основе исследований простых модельных объектов, например, лабораторных культур водорослей. Для этого был выполнен сравнительный анализ состава жирных кислот в клетках водорослей и состава СЖК культуральной среды Бр1П-Ипа р1^епз1з во время двух фаз роста накопительной культуры: линейного роста и стационарной фазы.

Внутриклеточный жирнокислотный состав липидов водорослей практически не реагировал на прекращение роста культуры и переход ее в стационарную фазу, хотя и наблюдались некоторые изменения, связанные с возрастом культуры. В то же время, состав внеклеточных СЖК послужил хорошим индикатором смены фазы роста культуры, или знака производной биомассы водорослей. Таким образом, полученные лабораторные данные подтверждают результаты полевых наблюдений.

Для выяснения других потенциальных возможностей применения СЖК-идентификаторов в лабораторных условиях было исследовано влияние на состава СЖК наличия или отсутствия лимита роста фитопланктона. Изучался состав внеклеточных СЖК водоросли БрЬтыНпа рТ&етшЬз, культивируемой на стандартной среде (контроль) и на средах с недостатком азота или фосфора (рис.4). Для выделения характерного набора СЖК, соответствующего различным фазам лимитирования роста культур недостатком элементов минерального питания, была проведена серия последовательных кластерных анализов нескольких комплексов. В результате выделили 6 кислот, в п-мерном пространстве которых разделение проб на два кластера являлось наиболее удачным (рис.5). Относительное содержание 5-ти кислот из этой группы во время фазы не-лимитированного роста (пробы за 2-4 сутки, 5к,6к,8к, 5а на рис.4) достоверно отличалось от их содержания во время стационарной фазы (ПР06" 5ф, 60, 6ф, 7а, 7ф, 8а, 8ф).

Следует отметить, что пробы, взятые из культур, лимитированных

1600 -1200 -

| 800 -о

ЕВ

ю

0 2 4 6 8

Время культивирования, сут

Рис.4. Динамика биомассы водорослей (мг/л) в накопительных культурах БрСгиИпа р1а1епз1з. Обозначения проб на графиках соответствуют обозначениям этих проа на рис.5. К - контрольная культура, -Ы - культура, лимитированная недостатком азота, -Р - культура, лимитированная недостатком фосфора.

8ф

, -. 6Ф 7ф

-8к

-6ф

-6а

__6 к

- 5ф

-7ф

__7а

г-8ф

-8а

—!-5к

-4ф

-5а

--Зф

-=-_3а

-4к

--2ф

-2а

-4а

--Зк

-2к

J_I_I_I_

2 1

Рис.5. Дендрограюла кластерного анализа содержания СЖК (% от суммы СЖК) в культуральной среде Бр1гиапа р1агепз1з на различных стадиях лимитирования ее роста недостатком элементов минерального питания. 6-мерное гиперпространство. Горизонтальная ось - евклидовы расстояния (уровни кластеризации).-Обозначения проб СЖК соответст-1/ют обозначениям на рис.4.

недостатком азота, образовали один общий кластер с пробами из куль тур, лимитированных недостатком фосфора (рис.4, 5). Вполне вероятно, что состав СТО, выделяемых водорослями в культуральную среду, определяется в первую очередь наличием или отсутствием лимита роста, независимо от элемента минерального питания, вызывающего этот лимит.

Таким образом, состав свободных жирных кислот в культуральной среде различен во время стадий нелимитированного и лимитированного роста водорослей, что свидетельствует о потенциальной возможности определения лимитирования роста водорослей с помощью СЖК-идентификаторов.

Из анализа литературы следует, что существуют три основных пути попадания органического вещества в воду из клеток водных организмов: 1) разложение отмерших клеток; 2) пассивная диффузия из живых клеток и 3) активное выделение живыми клетками фитопланктона. Наши данные, полученные как в ходе полевых наблюдений, так и в лабора- , торных эспериментах, косвенным образом свидетельствуют в пользу активного прижизненного выделения СЖК клетками водорослей.

Каков же механизм выделения СЖК в культуральную среду клетками водорослей? Из табл.2 видно, что состав СЖК среды совершенно не соответствует жирнокислотному составу липидов клеток. В составе СЖК среды присутствуют, главным образом, те кислоты, биосинтез которых заканчивается непосредственно на АПБ-синтетазном комплексе I. Возможно, что источником СЖК, выделяемых во внешнюю среду, служит именно этот комплекс.

Поскольку' СЖК с длиной цепи более 11 атомов углерода не могут свободно диффундировать через мембраны, то весьма вероятно, что в клетке присутствует какой-то белок-переносчик, который может "снимать" жирную кислоту с АПБ и переносить ее через мембрану, например, специфическая ацилтрансфераза. Как известно, ферменты этой группы способны переносить жирные кислоты с АПБ или ацил-СоА на глико- и фосфолипиды (Напгоой, 1988). Возможно, что некоторые ферменты этой группы транспортируют СЖК через клеточную мембрану водоросли.

Таким образом, проведенные исследования позволили выдвинуть рабочую гипотезу о возможных механизмах процесса выделения СЖК водорослями.

Табляця 2. Содержание свободных жирных кислот (СЖК, вес. %) в кулътуральнод среде в содержание гарных кислот лклмдов водорослей (ЖКЛ, вес. %) в накопительной культуре Зр»гиИпарШепзи*

Номера проб**

Жирные кислоты 1 2 3 4 7 8 9 10 11

СЖК ЖКЛ СЖК ЖКЛ ОКК СЖК СЖК ЖКЛ СЖК СЖК СЖК ЖКЛ СЖК

Лауриновая С12Ю 1.2 0.0 1.4 0.0 и 1.4 18 0.0 5.? 3.6. 1.9 0.0 4.6

Тридекановая С13:0 0.7 0.0 1.5 0.0 0.2 0.5 1.4 0.0 0.6 0.8 Об 0.0 0.9

Миристиновая СН:0 7.6 3.4 5.2 1.7 7.4 8.7 11.1 0.5 9.9 12.6 8.3 0.7 9.2

Тетрадеценовая С14.1 2.0 1.4 1.8 1.1 2.6 1.9 1.9 0.5 17 3.0 10 05 3.7

Пеитвдекановая С15Ю 4.9 1.6 3.6 1.4 4.5 5.5 5.8 0.0 53 6.2 ■4.8 0.0 45

Пектадеценовая С15.1 14 1.1 17 1.3 2.9 14 16 0.1 3.1 3.4 4.0 0.0 3.6

Иэопальшггшювал ил?-С16:0 2.6 1.4 9.4 0.8 XI 12 0.4 0.3 0.2 1.8 1.7 0.0 0.4

Пальмитиновая С16:0 4(5.8 «.б 42.8 36.3 48.5 47.8 43.2 435 47.5 47.6 54.4 23.4 523

Гегсадеценовая С1б:| 6.8 5.1 8.7 6.1 75 6.2 52 17 6.3 5.8 6.0 2.8 5.3

Гептадеценовая С17:1 0.7 0.5 1.1 12 и 12 1.8 0.2 3.0 17 1.9 0.2 16

Стеариновая С18:0 15.4 6.7 11.2 5.0 13.2 14.3 16.1 12 11.7 10.7 13.0 15 11.9

Олеиновая С18.1 6.9 4.7 9.2 5.9 8.5 5.1 3.6 6.9 35 1.6 1.3 14.6 0.1

Лпнолевая С18:2 0.0 1.5 0.2 4.0 0.0 05 0.4 11.8 0.0 0.0 0.0 125 0.0

у-Линолеиовая у-С18:3 2.1 13.0 1.1 29.4 0.0 12 14 26.3 0.0 0.0 0.0 318 0.0

* Приведенные данные являются средними з па чек няня для б колб. ** Номера проб соответствуют времени культя в!тровз ям, сут.

ГЛАВА 4. РАЗРАБОТКА МЕТОДА ОПРЕДЕЛЕНИЯ СОСТАВА СЖК В ПОЛЕВЫХ УСЛОВИЯХ.

В целях мониторинга больших акваторий осуществили разработку методики определения СЯК на портативном высокоэффективном жидкостном хроматографе "Миллихром", пригодном для использования в полевых условиях и на борту судна. На спектрофотометре хроматографа была подобрана оптимальная длина волны для детекции производных (Ж. С помощью подобранного градиента этанол-ацетонитрил-вода разделили 14 стандартов СЖК, в том числе критическую пару С 1610 и С 18:1 (рис.6). При данных условиях хроматографии время'удерживания производных СЖК увеличивалось с увеличением углеродной цепи молекулы и уменьшалось с увеличением количества двойных связей в молекуле. Закономерности элюирования, полученные для стандартов, были использованы для идентификации СЖК в природных пробах: облепихового масла и культуральной среды Splrulina platens{з. Разработанный метод может применяться как для качественной оценки состава СЖК, так и для количественных измерений. Для того, чтобы избежать погрешности количественных измерений, возникающей вследствие различий в поглощении разных СЖК, следует вводить в хроматографическую колонку количество вещества, не превышающее 5 нмолъ каждой кислоты. Разработанный'метод может быть применен для мониторинга природных вод.

ГЛАВА 5. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИЗУЧЕНИЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ ПЛЕНОК ПАВ НА ТЕМПЕРАТУРНЫЙ РЕЖИМ ПОВЕРХНОСТНОГО МИКРОСЛОЯ ВОДЫ.

Для выяснения закономерностей воздействия ПАВ на температуру поверхностной пленки воды был проведен лабораторный эксперимент, в котором, в качестве модельного биогенного сурфактанта использовалась стеариновая кислота. Полученные данные статистически достоверно аппроксимируются линейным уравнением

V ew = ° 9 J + Ь' <1)

где 6Q - температура поверхностной пленки, 6w - температура водной толщи,- е& - температура воздуха. Для чистой поверхности a = 0.235 ± 0.010, Ъ = -0.542 ± 0.067 °С; для воды, покрытой монослоем ПАВ a = 0.264 ± 0.010, Ъ = -0.531 ± 0.065 °С. Различия в величинах коэффициентов а статистически достоверны: значения критерия Стыоданта для

Рис.б. Хроматограмма нитрофенациловых производных 11 стандартов СЖК, разделенных градиентной системой: ацетонитрил-в'ода (70:30) 6 мин; этанол-вода (82:18) 6 мин, (83:17) б мин, (84:16) б шш, (84.5:15.5) б мин, (85:15) б мин. Скорость потока 50 мкл/мин, волна детектирования - 230 нм. Суммарное количество СЯК, введешюе в хроматограф, около 3 нмоль, вводимый объем - 10 мкл.

их разности г =я2.07, р < 0.05 при степени свободы V = 96. Коэффициенты Ь достоверно не отличаются друг от друга.

Монослой кислоты повышал температуру теплой пленки и понижал температуру холодной пленки вода (рис.7), что не могло происходить за счет блокирования испарения. В первую очередь эффект тонкого слоя ПАВ состоял в стабилизации ламинарного слоя и повышении его эфекти-вной толщины. При положительном конвективном потоке, направленном из воздуха в воду, увеличение толщины поверхностной пленки приводило к замедлению отвода тепла из теплой пленки в холодную толщу воды, и пленка становилась теплее. При отрицательном конвективном потоке; увеличение толщины ламинарного слоя вызывало замедление подвода тепла из теплой толщи в холодную пленку и температура пленки понижалась. Таким образом, был доказан и объяснен двойственный характер влияния тонких пленок ПАВ на температуру поверхностной пленки вода и тем самым выявлено существование физического запрета на регистрацию органических веществ на поверхности водоемов на основе измерения разности температур поверхностной пленки и толщи вода.

Было исследовано влияние мономолекулярного слоя биогенного сур-фактанта (пальмитиновой кслоты) на автоматически определяемые характеристики колебаний температуры холодной поверхностной пленки воды. Спектральный анализ данных выявил мультимодальный характер колебаний температуры, причем в присутствии монослоя СЖК мог наблюдаться какой угодно вариант смещения главного максимума спектра мощности по сравнению с чистой поверхностью (рис.8). Также не удалось обнаружить какой-либо зависимости между характеристиками, определяемыми при помощи спектрального анализа и величиной а9. По всей вероятности, спектральный анализ оказывается слишком чувствительным методом обработки данных.

Не было обнаружено достоверных различий меаду чистой поверхностью и поверхностью с монослоем ПАВ и при сравнении огрубленных характеристик колебаний температуры, таких как дисперсия временного ряда о передний период между терминами х. Поскольку эти характеристики все же обнаруживали в некоторой степени искомые тенденции, было исследовано их соотношение т/о. Аппроксимация экспериментальных точек зависимости 1/а от а6 (рис.9) гиперболическим уравнением, где к - эмпирический коэффициент, дала следующие результаты: для чистой поверхности к = -4.28 ± 0.29, для поверхности, покрытой монослоем к = - 5.19 ± 0.27, различия меаду коэффициентами статистически достоверны, г= 2.3 при степени свобода 46. Таким образом, обобщенная интегративная частотно-амплитудная характеристика колеба-

3.5 п

1.0 -

б ♦ л

уоУ

*

/у* о

-4.0

Рис.7. Зависимость разности температур поверхностной пленки и толщи воды (ордината, °С) от разности температур воздуха и воды (абсцисса, °С). Прямые линии — аппроксимация линейной регрессией. Пустые кружочки и сплошная линия чистая поверхность; звездочки и пунктир — ионослой стеариновой кислоты.

Рис.8. Спектры мощности колебаний температуры холодной поверхностной пленки вода в лабораторной ванне: а - чистая поверхность, б - поверхность, покрытая мономолекулярным слоем пальмитиновой кислоты; 1-3 - серии измерений, снятые при близких значениях разности температур а6(°С) поверхностной пленки и толщи воды: -1.98 и -2.18, -2.27 и -2.86, -1.68 и -1.80, соответственно. Абцисса - частота, Гц; ордината - мощность,- относительные единицы.

« ■>

т/сг

Рис.9. Зависпыость величины отношения времени жизни термиков (т, с) к дисперсии временного ряда колебаний температуры в холодной поверхностной пленке воды (ст. относительные единицы) от разности температур (ДО, X) поверхностной пленки и толщи воды в лабораторной ванне. Кривые — гиперболическая аппроксимация. Крузсочки и сплошная линия - чистая поверхность, звездочки и пунктир - по— веохность. покпытая мопослоем пальмитиновой кислоты.

к

ний температуры холодной поверхностной пленки достоверно различается для чистой поверхности и поверхности, покрытой монослоем ПАВ.

Данный результат может быть легко объяснен. Стабилизация пленки монослоем повышает ее гравитационную устойчивость и демпфирует образование терминов. Поэтому при одинаковом значении д8 для поверхности с ПАВ время жизни термика % оказывается больше, а дисперсия колебаний температуры о меньше, чем для чистой поверхности. Таким образом, огрубленная частотно-амплитудная характеристика флуктуаций температуры в холодной поверхностной пленке воды т/о позволила производить регистрацию ПАВ в лабораторных условиях. Имеются основания полагать, что данная характеристика может быть использована в качестве базовой при проведении экспериментов, направленных на создание методов регистрации ПАВ на поверхности водоемов в режиме непрерывного автоматического мониторинга.

ВЫВОДЫ

1. Каждой фазе сезонной динамики фитопланктона Сыдинского залива Красноярского водохранилища соответствовал специфический состав СЖК поверхностного микрослоя воды. В составе СЖК поверхностного микрослоя Сыдинского залива Красноярского водохранилища, были выделены три различных группы: С-16, С-18; изокислоты и короткоцепочечные. Концентрации кислот каждой группы имели схожую сезонную динамику, отличающуюся от динамики кислот других групп.

2. Для каждой фазы роста лабораторной культуры сине-зеленой водоросли 8р1ги11па р1а1епз1э был характерен специфический состав внеклеточных СЖК. Фазам нелимитированного роста и роста, лимитированного недостатком азота и фосфора, культуры Бр1гиИш р1сЛепз1з также соответствовал специфический состав СЖК культуральной среды.

лимита роста фитопланктона по составу СЖК.

3. Полученные данные о составе и динамике СЖК поверхностного микрослоя и культуральной среды водорослей свидетельствуют в пользу гипотезы об активном прижизненном выделении их фитопланктоном; изокислоты, вероятнее всего выделяются из погибших клеток бактерий.

4. Разработан метод определения состава и концентраций СЖК на портативном высокоэффективном жидкостном хроматографе "Миллихром", который потенциально может быть использован в полевых условиях и на борту судна.

«• -J

5. Монослоя СЖК оказывал двойственное влияние на температуру поверхностной пленки в лабораторной ячейке: повышал относительную температуру теплой пленки и понижал относительную температуру холодной. Наблюдавшийся эффект вызывался увеличением толщины поверхностного ламинарного микрослоя в присутствии монослоя СЖК и замедлением вследствии этого конвективного теплообмена ме-хду пленкой и толщей воды. Зарегистрированное двойственное воздействие ПАВ на температуру поверхностной пленки означает неперспективность разработки методов детекции ПАВ на поверхности водоемов по измерению разности температуры пленки и водной толщи.

6. Мономолекулярный слой СЖК влиял на характер колебаний температуры холодной поверхностной пленки воды, уменьшая их амплитуду и увеличивая период между термиками. Найдена эмпирическая интегратив-нйя характеристика, равная отношению периода между термиками к дисперсии колебаний, значения которой достоверно различались для чистой поверхности воды и поверхности покрытой монослоем СЖК.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ:

1. Гладышев М,И., Калачева Г.С., Сущик H.H. Свободные жирные кислоты поверхностной пленки воды как индикаторы фаз сезонной динамики фитопланктона в Сыдинском заливе Красноярского водохранилища // Докл. АН СССР. - 1991. - 318, N 4. - С.1017-1020.

2. Gladyshev M.I., Kalachova G.S., Sushchik N.N. Free fatty acids of surface film oi water In the Sydlnsky bay of the Krasnoyarsk reservoir // Int. Revue ges. Hydroblol. - 1993. - 78, N 4.- P. 575578.

3. Гладышев M.И., Сущик H.H., Калачева Г.С. Состав свободных жирных кислот в культуральной среде синезеленой водоросли Splrullna platensta при лимитировании роста // Докл. АН. - 1993. - 329, N 4.-С.521-523.

4. Гладышев М.И., Сущик H.H. Влияние мономолекулярного слоя жирной кислоты на температуру поверхностной пленки воды // Изв. РАН. Физика атмосферы и океана. - 1994. - 30, N 1. - С.74-88.

5. Калачева Г.С., Сущик H.H. Состав жирных кислот Splmllna pla-tensis в зависимости от возраста и минерального питания культуры // Физиол.раст. - 1994. -41, N 2. - С. 275-282.