Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Теоретические и экспериментальные основы защиты от морского биообрастания

ВАК РФ 03.00.08, Зоология

Текст научной работыДиссертация по биологии, доктора биологических наук, Раилкин, Александр Иванович, Санкт-Петербург

%Ь 99-3/¿54- х

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи УДК 574.636

РАИЛКИН Александр Иванович

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ОСНОВЫ ЗАЩИТЫ ОТ МОРСКОГО БИООБРАСТАНИЯ

03.00.08 - Зоология 03.00.18 - Гидробиология

Диссертация — на соискание ученой степени доктора биологических наук в виде научного доклада

•ИХ

:т<энь

Г-1! ~

Работа выполнена в лаборатории зоологии беспозвоночных Биологического научно-исследовательского института Санкт-Петербургского государственного униве^щз^гаи^

Б И Б/

99

Официальные оппоненты:

доктор биологических наук, проф. К. М. Суханова доктор биологических наук, проф. В. Я. Бергер доктор биологических наук В. Б. Погребов

Ведущее учреждение: Московский государственный университет имени М. В. Ломоносова

Защита состоится 199^_г. в 16 ч. на

заседании диссертационного совета Д 063.57.22 по защите диссертаций на соискание ученой степени доктора биологических ■наук в Санкт-Петербургском государственном университете по адресу: 199034, Санкт-Петербург, Университетская наб., 7/9, биолого-почвенный факультет, ауд. 133.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского государственного университета

Автореферат разослан

•Ученый секретарь диссертационного совета кандидат биологических наук Д. К. Обухов

Общая характеристика работы

Актуальность проблемы и состояние вопроса. Под биологическим обрастанием обычно понимают сообщества, развивающиеся на искусственных (и естественных) твердых субстратах в гидросфере. С полным основанием биообрастанием справедливо называть и сам процесс колонизации (обрастания) гидробионтами твердых субстратов, приводящий к формированию таких сообществ (Wahl, 1989). Как будет показано в настоящей работе, акцентирование внимания на биообрастании как на процессе позволяет выделить и проанализировать его составляющие, определить среди них ведущие и предложить новые подходы к защите от биообрастания путем подавления ключевых процессов.

Сообщества обрастания играют важную роль в экологии морей и океанов, а также в хозяйственной деятельности человека при эксплуатации технических объектов в водной среде и при выращивании моллюсков и макроводорослей в марикультуре (Зевина, 1994). Морское биообрастание и непосредственно с ним связанное биоповреждение причиняют большой материальный ущерб судам, гидротехническим сооружениям, теплообменникам, трубопроводам, кабелям, рыболовецким сетям и другим объектам, который в мировом масштабе оценивается суммой более 50 млрд долларов США в год.

Современная химическая защита от биообрастания основана на применении токсичных для гидробионтов веществ. Это приводит не только к уничтожению обрастателей. Токсическому воздействию подвергаются многие гидробионты, находящиеся далеко от защищаемых технических объектов. В результате наблюдается появление уродливых форм развития, снижается устойчивость и видовое разнообразие сообществ. Развитие альтернативного подхода, так на- заемых "нетоксичных покрытий", происходит стихийно, вслепую. - образом, существует необходимость в разработке теорети-ушх и практических основ экологически безопасной защиты от морского биообрастания.

Создание противообрастательных .покрытий - трудоемкий и ^ е-ьный процесс, включающий биологические испытания. До нас-:го исследования теоретические подходы к их ускорению и того точности, к сожалению, не были разработаны.

Для прогресса в области защиты от биообрастания необходимо дальнейшее развитие представлений об общих закономерностях, причинах и механизмах колонизации твердых тел, выделение и анализ ключевых процессов. Для защиты на более ранних этапах колонизации, а также для разработки подходов к ускоренным биологическим испытаниям противообрастательных покрытий важны исследования сообществ микрообрастания как стадии сукцессии, предшествующей макрообрастанию. Для выработки адекватных количественных оценок обилия биообрастания на обтекаемых поверхностях необходимо изучение его пространственного распределения. Акцентирование внимания на всех этих вопросах поможет изучить не только фундаментальные биологические основы обрастания, но и пути его предотвращения.

Цель и задачи. Цель диссертационного исследования состояла в том, чтобы на основе анализа процессов колонизации гидробион-тами твердых субстратов развить теоретические и экспериментальные подходы к экологически безопасной защите от биообрастания.

В соответствии с этим были поставлены следующие задачи:

1. Проанализировать и обобщить литературные и собственные данные по процессам колонизации гидробионтами твердых субстратов.

2. Построить математические модели процессов колонизации.

3. Изучить закономерности распределения биообрастания на продольно обтекаемых поверхностях.

4. Изучить развитие сообществ микрообрастания в морских и лабораторных условиях.

5. Развить теоретические и экспериментальные подходы к ускорению биологических испытаний противообрастательных покрытий.

6. Построить и проанализировать математическую модель защиты от биообрастания.

7. Предложить подходы к химической защите от морского биообрастания, безопасные для окружающей среды.

Защищаемые положения. В диссертации обосновывается концепция биообрастания, которая включает:

- математические модели колонизации гидробионтами твердых субстратов,

- закон градиентного распределения обилия биообрастания на

продольно обтекаемых поверхностях,

- представления о самосборке сообществ микрообрастания,

- математическую модель защиты от биообрастания,

- теоретические положения и экспериментальные подходы, обосновывающие хемобиологическую защиту от биообрастания.

Концепция основана на экспериментальных данных, полученных в естественных и лабораторных условиях.

Научная новизна и теоретическая значимость работы. В диссертации применен новый подход к разработке биологических основ защиты от морского биообрастания, базирующийся на последовательном анализе процессов колонизации гидробионтами твердых субстратов. Теоретическая и экспериментальная разработка этого подхода позволила сформулировать концепцию биообрастания.

Впервые изучен видовой состав гетеротрофных жгутиконосцев и инфузорий в микрообрастании Белого моря.

Обнаружено новое свойство сообществ микрообрастания - их способность к самосборке, т. е. к полному и быстрому восстановлению разрушенных сообществ на твердом субстрате из суспензии микрообрастателей.

Впервые в параметрах, измеримых на практике, построены математические модели оседания, прикрепления и роста обрастателей и показано их соответствие известным и вновь обнаруженным закономерностям.

Установлен количественный закон градиентного распределения биообрастания на продольно1 обтекаемых поверхностях.

Развита концепция хемобиологической защиты.

Предложены принципы подобия как теоретическая основа биологических испытаний противообрастательных покрытий.

Основные положения, выводы и экспериментальный материал работы используются в лекционном спецкурсе "Морское биообрастание", читаемом на биолого-почвенном факультете Санкт-Петербургского государственного университета.

Практическое значение. Впервые построена и исследована математическая модель предотвращения биообрастания, включающая в общей сложности 15 стратегических направлений его профилактики и защиты, а также борьбы с уже возникшим биообрастанием. На ее основе возможен прогноз биообрастания и целенаправленная разра-

ботка новых способов его предотвращения.

Получены экспериментальные подтверждения справедливости общих положений концепции хемобиологической защиты. Найдены •универсально действующие на микроорганизмы (бактерий, водорослей) и личинок макрообрастателей (гидроидных полипов, моллюсков) репелленты и противоадгезионные вещества, которые в нетоксичных концентрациях подавляли развитие микро- и макрообрастания в морских условиях. Впервые показана возможность экологически безопасной защиты от биообрастания высокотоксичным активным кислородом.

Разработаны устройства и способы для проведения биоиспытаний, значительно повышающие их точность и скорость. Предложен новый более точный способ определения обилия биообрастания. На основе свойства самосборки сообществ микрообрастания разработаны лабораторные и морские тесты для испытания противообраста-• тельных веществ и покрытий.

По материалам исследования, получено 5 патентов Российской Федерации. Устройства для экспонирования пластин обрастания внедрены в С.-Петербургском государственном университете и в Институте биологии внутренних вод РАН. Методические разработки настоящей работы используются в учебном процессе на биологических факультетах Московского и Санкт-Петербургского государственных университетов.

Апробация работы. Материалы диссертации докладывались на заседаниях Центрального научно-технического совета по проблемам биоповреждений (г. Москва), Всесоюзных конференциях и совещаниях по проблемам биообрастания и биоповреждения материалов, изделий и сооружений. (Ленинград, 1984; Калининград, 1986; Донецк, 1988; Владивосток, 1989; Севастополь, 1990), на Всесоюзном симпозиуме "Поведение водных беспозвоночных" (Андропов, 1985), на региональных конференциях "Проблемы изучения, рационального использования и охраны природных ресурсов Белого моря" (Архангельск, 1985, 1998), на конференции "Биоповреждения в промышленности" (Пенза, 1993), на 9-ом Международном конгрессе прото-зоологов (Berlin, 1993), 29-ом и 31-ом Морском Европейском биологическом симпозиуме (Vienna, 1994; С.-Петербург, 1996), 2-ом Международном симпозиуме по свободноживущим гетеротрофным жгу-

тиконосцам (С.-Петербург, 1994), Международной конференции "Экологические исследования беломорских организмов" (С.-Петербург, 1997), Международной заочной научно-практической конференции "Инфузории в биотестировании" (С.-Петербург, 1997), на научных семинарах кафедры и лаборатории зоологии беспозвоночных С.-Петербургского государственного университета.

Глава 1. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ЛАБОРАТОРНЫХ И МОРСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ

Экспериментальные исследования, положенные в основу настоящей работы, проводились в летне-осеннее время на Морской биологической станции Санкт-Петербургского государственного университета (СПбГУ), Беломорской биологической станции Зоологического интитута РАН в губе Чупа и Керетском Архипелаге Кандалакшского залива Белого моря в 1982-1995 гг.,' а также в Биологическом НИИ СПбГУ. Было выполнено около 350 лабораторных опытов, из них 174 - на макрообрастателях; в морских условиях про-.ведено около 250 опытов более чем на 1200 твердых субстратах, главным образом искусственных (табл. 1, 2).

В лабораторных экспериментах по самосборке микрообрастания из суспензии клеток использовали природные донорные сообщества, находящиеся на той или иной стадии развития. Опыты проводили в стерильных чашках Петри на рассеянном свету при освещенности 100-150 лк и температуре 5-10 °С в течение 1-43 сут. Численность микроорганизмов (бактерий, диатомовых водорослей, жгутиконосцев, саркодовых) и частиц детрита определяли с использованием микроскопа Биолам Л-211 с водно-иммерсионным объективом х40 при увеличениях Х420-900 , а инфузорий - микроскопа МБС-9 при увеличениях Х70-Ю0, просчитывая по 30-100 полей зрения на .дне чашек Петри (или на предметных стеклах) при каждой регистрации результатов опытов. В некоторых случаях обилие микроорганизмов оценивали в баллах в расчете на 1 поле зрения микроскопа (площадь поля 0,04 мм2): 1 - не более 1 клетки в 30-90 полях, 2 - 1 клетка в 10-30 полях, 3-1 клетка в 3-10 полях, 4 - 1-5 клеток в каждом поле, 6 - 20-100 и более клеток в каждом поле.

Таблица 1. Общая характеристика лабораторных экспериментов.

N Название серии Кол-во Общее Кол-во

п/п экспериментов повтор. кол-во макрообра-

опытов опытов стателей

в 1 опыте

1. Влияние микрообрастания на 5 80 20-30

оседание макрообрастателей

2. Опыты с репеллентами:

- с капиллярами 30 26 . 10-20

- с хемотаксическими камерами 3-5 48 20-30

3. Опыты с антиадгезивами 5 20 10-20

4. Восстановление разрушенных 3-5 >100

сообществ микрообрастания

5. Ускоренные лабораторные 5 20

испытания

6. Супероксидная защита 5-7 >50

Итого: опытов особей

350 3890

При постановке лабораторных опытов по влиянию микрообрастания на оседание личинок использовали сообщества микроорганизмов, развившиеся в море на глубине 1-3 м в течение 3-4 недель на искусственных химически нейтральных материалах: поролоновых губках, рыбацкой дели, изделиях из винипласта и полиэтилена. Природное микрообрастание использовали для самосборки сообществ на лабораторных субстратах (Раилкин, 19946). На основе сборов макроводорослей с населяющими их эпибионтами в лаборатории получали следующие расселительные формы макрообрастателей: плану-лы гидроидных полипов Gonothyraea loveni и Dynamena pumila (Чи-.кадзе, Раилкин, 1992), хвостатые личинки асцидии Molgula citrina (Раилкин, Дысина, 1997) и зооспоры бурой водоросли Laminaria

РОССИЙСКАЯ

государственная

БИБЛЙОТЬКД

Таблица 2. Общая характеристика морских экспериментов.

N Название серии Кол-во Общее Продолжи-

п/п экспериментов повтор. кол-во тельность

опытов субстратов опытов, сут.

1. Оседание массовых видов макрообрастателей 5-10 >400 7-30

2. Оседание массовых видов микрообрастателей 5-7 >300 1-45

3. Градиентное распределение обилия биообрастания:

- собственные опыты 5-7 124 2-57

- опыты других авторов 5-7 70-75 30. 365

4. Сукцессия микрообрастания 5 >100 1-60

5. Получение донорных сообществ >25 >100 1-60

6. Ускоренные стендовые испытания 5 40 45

7. Репеллентная защита 5 30 70

8. Противоадгезионная защита 5 30 70

9. Супероксидная защита 5 50 30

Итого: опытов субстратов

248 > 1200

зассйагша (Раилкин и др., 1985). Наблюдения за оседанием, прикреплением и развитием личинок и спор на лабораторные субстраты с микрообрастанием и контрольные к ним (без микрообрастания) проводили в течение времени, необходимого для завершения оседания и прикрепления и начала метаморфоза (развития).

Репеллентное действие веществ на личинок и молодь обраста-телей изучали с использованием капилляров и хемотаксической камеры оригинальной конструкции, наполненных растворами предпола-

гаемых репеллентов, а в контроле - морской водой (Раилкин, 1994а). В опытах регистрировали изменение направления движения животного, оказавшегося на расстояние 1-3 мм от капилляра. Угол поворота определяли с точностью до 45° с помощью перекрестия окуляр-микрометра. На основании полученных данных рассчитывали среднее расстояние, на котором животное начинало реагировать на испытываемое вещество, а также средний угол поворота. Дополнительно рассчитывали процент случаев, когда угол поворота составлял 90-180°. В хемотаксической камере, разделенной на три отсека нуклеопоровыми фильтрами (диаметр пор 0,1 мкм) через определенные интервалы времени обычно в течение 1 ч регистрировали распределение личинок, находящихся в среднем отсеке, относительно отсека с тестируемым раствором (в другом боковом отсеке находилась стерильная морская вода).

При изучении предполагаемого антиадгезионного действия ряда веществ молодь М. edulis (длина раковины около 1 мм) помещали в растворы этих веществ и наблюдали за их поведением: локо-моцией, прикреплением ноги ко дну чашки Петри, сокращением ноги и закрыванием створок в ответ на механическое раздражение иглой. После того как указанные реакции полностью подавлялись, моллюсков переносили в чистую отфильтрованную морскую воду для проверки их жизнеспособности.

Возможное токсическое действие веществ, использованных в морских экспериментах по защите от биообрастания, испытывали в лабораторных условиях. Их биоцидность оценивали по проценту смертности педивелигеров моллюска Mytilus edulis в растворах веществ спустя сутки на 20-30 личинках в 5 повторностях.

Ускоренные лабораторные испытания противообрастательных покрытий проводили, как описано выше, на основе процесса самосборки сообществ микрообрастания на поверхности пластин, окрашенных судовыми эмалями или винилканифольным лаком в контроле. После окончания суточных опытов определяли обилие основных 'групп микрообрастателей.

В модельных лабораторных опытах по разработке супероксидной защиты от биообрастания была использована инфузория Paramecium caudatum. В качестве источника электронов для активации растворенного в воде кислорода применяли кобальтовые комплексы

- и -

■порфиринов (Ениколопян и др., 1983). Наличие электронов в среде с инфузориями контролировали с помощью чувствительной тестовой реакции восстановления нитросинего тетразолия в формазан на спектрофотометре СФ-26.

Лабораторные опыты проводили на рассеяном свету при следующей температуре: 5-10 °С - с микрообрастанием. 10 °С - с зооспорами ламинарии, 12-16 °С - с бес