Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Материалы и методы 15
1.1 Методы определения физико-химических свойств растворимых органических веществ метаболитов животных (РОВ)... 16
1.1.а) Получение, очистка от минеральных примесей и опреде ление содержания РОВ в метаболитах мидий и кайр 16
1.1.б) Определение химического состава органических веществ метаболитов животных 18
1.2. Методы определения скорости экскреции животными растворимых органических веществ 21
1.3. Методы изучения биологического действия РОВ метаболи тов животных 23
1.3.1. Эксперименты с бактериопланктоном 24
1.3.2. Эксперименты с фитопланктоном 24
1.3.2.а) Схема постановки однофакторных экспериментов 24
1.3.2.б) Схема постановки многофакторных экспериментов 25
1.4. Методы изучения влияния массовых видов животных на хи мический состав и продуктивность окружающей акватории 28
1.5. Статистическая обработка экспериментальных результатов 28
Глава 2. Метаболиты мидии и морских колониальных птиц в составе растворенного органического вещества морскойводы 30
2.1. Химический состав метаболитов мидий 38
2.2. Количественные закономерности экскреции мидиями растворимых органических веществ 452.
2.3. Химический состав растворимых органических веществ и количественные закономерности их экскреции кайрами 50
2.4. Влияние поселений мидий и морских птиц на химический состав воды окружающей акватории 56
Глава 3. Влияние растворимых органических веществ метаболи тов мидий и кайр на развитие бактерио- и фитопланк тона 64
3.1. Воздействие растворимых органических веществ метаболитов животных на продукционные характеристики бакте-риопланктона 69
3.2. Воздействие растворимых органических веществ метаболитов животных на продукционные характеристики фитопланктона 73
3.2.а) Изменение величин чистого и валового фотосинтеза природной популяции фитопланктона под влиянием РОВ метаболитов животных 73
3.2.б) Изменение величины фотосинтеза природной популяции фитопланктона под влиянием различных концентраций РОВ метаболитов мидий и кайр, различающихся по вели
чине молекулярной массы и химическому составу 80
3.2.в) Сравнение воздействия на фитопланктон РОВ метаболи тов животных и минеральных биогенных солей 90
3.2.г) Изменение численности клеток фитопланктона, их сум марной биомассы и видового состава под влиянием рас творимых органических веществ метаболитов животных 103
3.2.д) Изменение концентрации хлорофилла "а" и ассимиляци онной активности клеток фитопланктона под влиянием РОВ метаболитов животных 108
Глава 4. Роль метаболитов животных в формировании биологи ческой продукции прибрежных участков моря 116
Выводы
Список литературы 129
- Методы определения скорости экскреции животными растворимых органических веществ
- Методы изучения влияния массовых видов животных на хи мический состав и продуктивность окружающей акватории
- Химический состав растворимых органических веществ и количественные закономерности их экскреции кайрами
- Воздействие растворимых органических веществ метаболитов животных на продукционные характеристики фитопланктона
Введение к работе
Биологическая продуктивность, зависящая от интенсивности света и обеспеченности биогенными веществами первичного звена пищевой цепи, в значительной мере определяется скоростью круговорота органических веществ. В осуществлении круговорота большая роль принадлежит живым организмам, которые поглощают органические вещества и составляющие их биогенные элементы, заключенные в пище, и выделяют их в окружающую среду в трансформированном состоянии Существование в каждой экосистеме различных групп организмов - продуцентов, консументов, редуцентов - обусловливает многократное использование биогенных элементов.
Изучение закономерностей круговорота органических веществ невозможно без установления количественных соотношений и связей, лежащих в основе обмена и переноса биогенных веществ на организ-менном, популяционном и биоценотическом уровнях. Однако выявление межорганизменных связей методически сложно из-за трудностей обнаружения в воде растворенных продуктов жизнедеятельности гидроби-онтов, выделения этих веществ и установления их биологического действия на другие организмы. Именно по этим причинам подобные исследования все еще немногочисленны, хотя они являются важной составляющей работ, которые в дальнейшем должны стать основой учения об управлении и координации продукционных процессов в экосистемах. Это особенно важно на современном этапе эксплоатации водоемов, когда величина промысла приближается к предельно допустимой и возникает необходимость ведения культурных водных хозяйств. Изучение участия массовых видов животных в круговороте органических веществ и формировании биологической продуктивности водоемов определяется не только требованиями дальнейшего накопления знаний в этой области, но и необходимостью выработки теоретических положений и практических рекомендаций для ведения культурных аквахозяйств. Кроме того, установление метаболитических связей между организмами является важной составной частью системного подхода к изучению водоемов, рассматривающего экосистему как единое целое, формирующееся на основе тесного взаимодействия абиотических и биотических факторов среды, определяющих круговорот веществ и потоки энергии в ней (Винберг, 1965)«
Постановка проблемы, ее актуальность и цели исследования
Поступление биогенных соединений в круговорот органических веществ в море может происходить как за счет прижизненной экскреции, осуществляемой гидробионтами, так и за счет посмертного разложения последних. До сравнительно недавнего времени роль морских организмов в пополнении запасов биогенных веществ рассматривалась только как результат их посмертного разложения, когда под влиянием бактериальной и химической минерализации, лизиса и автолиза трупов, образуются растворенные соединения. Лишь в последние 10-15 лет появились работы, показывающие, что прижизненные выделения животных играют не меньшую, а в ряде случаев значительно большую роль в восстановлении запасов растворенных питательных веществ в море. В монографии К.М.Хайлова (1971), посвященной обмену веществ в морских сообществах, показано преобладающее значение прижизненной экскреции в поступлении в воду растворенных органических веществ, из которых состоят метаболиты живых организмов. В сводке Ю.Одума (1975), обобщающей результаты исследований многочисленных авторов, экскреция животных также называется главным путем возвращения различных соединений в круговорот веществ, осуществляющийся в море. Интерес к биогенным веществам, попадающим в растворимой форме в морскую среду, вызван тем, что именно с участия этих веществ, используемых в первичном звене пи - 6 щевои цепи, начинается осуществление межорганизменных связей и что именно эта форма связи остается наименее изученной. Поступление растворимых веществ из твердых экскретов связано обычно с длительным процессом разложения, в то время как растворимые продукты метаболизма включаются в круговорот и трофические цепи очень быстро (Одум, 1975; Хайлов, 1971).
При исследовании роли животных в процессе пополнения запасов питательных веществ за счет растворимых метаболитов основное внимание до сих пор уделялось зоопланктону. Как было установлено,с прижизненными выделениями зоопланктонных организмов в воду поступают органические и минеральные формы азота, фосфора и углерода, причем количества экскретируемых в течение жизни соединений значительно превышают содержание их в теле животных, что подтверждает преобладающее значение прижизненной экскреции над посмертным разложением ( Corner and Newel, 1967; Harris, 1959; Martin, 1968; Eigier, 1961; pomeray et ai., 1963).Подробными исследованиями установлена скорость поступления фосфорных соединений, выделяемых разными видами зоопланктона (І тельмахер, 1977, 1984) и отмечено ускорение оборота азота и фосфора, происходящее при участии зоо-планктеров ( Bownik-Dylinska, 1981; Corner and Newel, 1967; Harris, 1959; Johannes, 1964; Johannes and Webb, 1965; Webb and Johannes, 1969; Butler et al., 1970).
В то же время роль других видов животных в круговороте биогенных веществ в морской среде изучена к настоящему времени совершенно недостаточно. Эти данные ограничиваются лишь тем, что на примере некоторых видов акул, оболочников, головоногих моллюсков была показана возможность поступления в воду с метаболитами растворимых форм азота (Муравская, 1978). С появлением и развитием системного изучения продукционных процессов в море опубликованы работы, раскрывающие значение не только отдельных видов, но и не - 7 которых сообществ организмов в пополнении запасов биогенных веществ. Так Кюнцлер (Kuenzier, 1961), изучая бюджет фосфора в соленых маршах, показал, ЧТО ПОПУЛЯЦИЯ МОЛЛЮСКОВ Modiolus demissus ускоряет время оборота растворенного и взвешенного фосфора в несколько раз. Это дало автору право сделать вывод о том, что роль моллюсков, как биогеохимического агента экосистемы, значительно превосходит их значение, как источника пищи для животных и человека. На примере литоральных донных сообществ мейо- и макробентоса В.Е.Стрельцов и И.Я.Агарова (1978) раскрыли большую роль литорали в снабжении неритических вод биогенными веществами. К аналогичному выводу, изучая метаболизм прибрежных сообществ, пришел М.В.Пропп (1982), по мнению которого, участие бентосных организмов в регенерации биогенных веществ, потребленных с пищей, можно рассматривать как главный механизм, вызывающий,по сравнению с пелагическими водными массами, повышенное плодородие прибрежных вод.
В решении вопроса об участии животных в круговороте различных веществ, в том числе и органических соединений, определенное значение имеют данные об энергетическом балансе различных групп животных. Так, расчет энергетических трат морского ежа показал, что эти животные в виде растворимых органических веществ выделяют до 60$ Потребленной ПИЩИ (Muller and Mann, 1973). БЛИЗКИЄ К этим величинам получены и другими исследователями (Пропп, 1973: Холодов, 1981). Энергетический бюджет популяции моллюска Patella vulgata свидетельствует о том, что на экскрецию растворимых метаболитов моллюски тратят 59% использованной энергии ( Wrigt, Hartnoll, t981).
В круговороте органических веществ в экосистемах участвуют, естественно, все организмы, но главную роль в этом процессе играют, по-видимому, массовые формы, так как изъятие ими органических веществ в виде пищи и возвращение их в составе продуктов метаболизма отражается на круговороте наиболее существенным образом. Поэтому в качестве модельных объектов настоящей диссертации были выбраны массовые морские животные, занимающие разные экологические ниши: моллюски-мидии и морские колониальные птицы-кайры.
Мидии (иу-fcilus edulis L.) относятся к числу одних из самых распространенных моллюсков, образующих обширные поселения высокой плотности. Анатомическое строение, особенности физиологии и экологии мидий изучены сравнительно хорошо. В связи с развитием культурных морских хозяйств мидии стали в нашей Стране главным объектом марикультуры. Однако успешная разработка методов их культивирования невозможна без подробного изучения особенностей взаимоотношений мидий со средой и другими организмами биоценозов. До настоящего времени подобные исследования практически не проводились, за исключением работ, выполненных при участии автора сотрудниками лаборатории гидрологии и гидрохимии Мурманского морского биологического института АН СССР (ШЕИ) под руководством А.Н.Головкина. В этих исследованиях установлено влияние поселений мидий на динамику биогенных элементов в некоторых губах Баренцева и Белого морей (Головкин и др., 1976). Помимо этого, сотрудниками Полярного научно-исследовательского института морского рыбного хозяйства и океанографии (ПИНРО) проведена попытка показать влияние мидий на продукционные возможности губ Баренцева моря (Возная, Рыжов, 1979).
Изучение закономерностей взаимоотношений мидий с другими организмами и значения их влияния на окружающую среду необходимо для регулирования плотности поселения мидий в культуре, количественной оценки обеспеченности их пищей и т.д. Кроме того, познание роли мидий в круговороте органических веществ может служить ориентировочным показателем степени участия в этом процессе других организмов бентоса. А это в свою очередь, будет способствовать пониманию значения отдельных организмов в биоценозах и выяснению закономерностей формирования последних.
Морские колониальные птицы представляют собой промежуточное звено между сушей и морем, поскольку на суше они лишь гнездятся и выводят потомство, а все остальные их связи, в первую очередь трофические, определяются морем. Это обстоятельство дало основание причислить морских колониальных птиц к типичным морским организмам (Кафтановский, 1951; Щунтов, 1972). Подобно многим морским организмам колониальные птицы образуют поселения огромной численности. По данным С.М.Успенского (1959) на побережье Баренцева моря гнездится в общей сложности около 3 млн. морских птиц, главным образом кайр, причем численность, например, птичьих базаров Новой Земли достигает 2 млн. особей (Головкин, 1972; Успенский, 1956). По Л.А.Зенкевичу (1963) морские птицы входят в число десяти основных групп живых организмов, значение которых должно обязательно учитываться при изучении морских экосистем. Анализируя биогеохимические круговороты азота и фосфора в море, Ю.Одум (1975) наряду с другими морскими организмами рассматривает и морских птиц. Такой подход оправдан, так как органические вещества, изымаемые из моря птицами, питающимися рыбой и беспозвоночными, не исчезают бесследно, а частично или полностью возварщаются вновь в морскую среду. Птицы, гнездящиеся на крутых скалах северных морей, не создают залежей гуано, как это происходит на птичьих базарах Южного полушария, и их экскременты практически полностью попадают в море (Головкин, 1972; ELekowski, Opalinski, 1984)і
Воздействие морских птиц на среду обитания, т.е. акваторию прилежащую к их поселениям, нашло свое отражение в литературе. Главная заслуга в этом принадлежит сотрудникам ИМЕЙ, которые под руководством А.Н.Головкина с 1963 по 1975 гг. изучали роль массовых видов организмов в морских прибрежных экосистемах. Работами А.Н.Головкина и других сотрудников показано распределение биоген - 10 -ных элементов в районах птичьих базаров Восточного Мурмана и Новой Земли, определено влияние массовых поселений птиц на режим биогенных элементов в этих районах, установлена степень удобрения вод в зависимости от типа колоний, проведена попытка экспериментально показать воздействие экскрементов птиц на рост микроводорослей (Головкин, Позднякова, 1963; Головкин, 1963; Головкин, Гаркавая, 1975; Головкин и др., 1972). Эти исследования показали, что изучение роли морских колониальных птиц в круговороте биогенных веществ имеет важное значение для установления биоценотических связей между организмами, так как дает представление об участии этих организмов в формировании биологической продуктивности вод, находящихся вблизи поселений.
Однако во всех этих работах отсутствуют количественные данные по экскреции животными растворимых веществ и зависимости этого процесса от величины потребленной пищи. В них не приводятся также сведения о химическом составе выделяемых мидиями и птицами веществ и не определяются возможности и пути использования этих соединений бактерио- и фитопланктоном. Кроме того, практически во всех исследованиях об участии животных в круговороте веществ рассматривается лишь роль минеральных биогенных солей и совершенно недостаточно изучено значение растворимых органических веществ (РОВ), входящих в метаболиты гидробионтов.
Основываясь на сказанном выше, можно следующим образом сформулировать цель диссертации и те задачи, которые необходимо решить.
Интенсивность экскреции животными растворимых органических веществ устанавливали экспериментально. Опыты на мидиях, во время которых изучали зависимость экскреции от массы моллюсков, сезона года и конкретных условий обитания, ставили в аквариумах. При этом, собранных моллюсков длиной 1,0-5,0 см выдерживали в течение 5-7 дней в проточных аквариумах, затем, предварительно обмыв их водой, помещали в аэрируемые непроточные сосуды по 3-10 экз./л. Сосуды охлаждали проточной водой для поддержания температуры близкой к естественным условиям морской среды. Опыты продолжали 3-6 часов, поскольку этот срок оказался достаточным, чтобы отметить влияние моллюсков на среду обитания, и кроме того, свести к минимуму влияние замкнутых сосудов на жизнедеятельность мидий. Одновременно ставили три повторности опыта и два контроля, первым из которых служила вода, которой заливали животных, взятая из мест их обитания и освобожденная от взвешенных веществ, вторым - вода, которой промывали животных.
При исследовании зависимости интенсивности экскреции от массы тела моллюсков в каждый сосуд размещали животных, имеющих массу тела от 0,5 до 30,0 г сырой массы моллюска с раковиной. Эту серию опытов проводили на Белом море при температуре воды в местах обитания животных и эксперимента равной 16-18. Для опытов использовали моллюсков, собранных на литорали. Выяснение сезонной зависимости экскреции проводили в экспериментах на Баренцевом море весной (март-май), летом (июнь-август), осенью (октябрь-ноябрь) и зимой (декабрь-февраль). При этом температура воды в море и эксперименте изменялась от 1,2 до Щ2 в зависимости от сезона. При проведении этой серии экспериментов в каждый сосуд помещали животных разных размеров и дальнейшие расчеты вели на единицу средней массы моллюсков со створками.
Для установления зависимости интенсивности экскреции моллюсками растворимых органических веществ от условий обитания использовали одновозрастных культивируемых моллюсков и их ровесников из естественных популяций, причем эти опыты проводили с1и 4-5-летними особями.
В момент постановки опыта и после 3-6 часовой экспозиции в воде сосудов с животными и в контрольных сосудах методами мокрого сжигания, ультрафиолетового окисления и прямой фотометрии с использованием выведенной зависимости (I) определяли количество растворенного органического вещества. Кроме того, в этих же сосудах определяли содержание органических форм азота и фосфора, кремния и растворенных углеводов (Руководство, 1977). Количеством экскретированного мидиями компонента метаболитов считали разность между концентрацией его в сосуде с животншли и контрольными величинами. Полученные значения пересчитывали на I г сырой и сухой массы мидий в час. Для выполнения этих расчетов предварительно на 100 экземплярах было показано, что сырая масса мидий с раковиной в 21+4,4 раза выше массы их мягких тканей (табл. 2).
Интенсивность экскреции растворимых органических веществ кайрами устанавливали на основании экспериментальных данных по суточному количеству их экскрементов (Галкина, 1974; Головкин, 1963), а также по количеству растворимых веществ, в том числе и органических, содержащихся в экскрементах птиц. Методы выделения растворимых веществ из экскрементов птиц и определение в них количества органических соединений приводены выше ,Биологическое действие органических веществ метаболитов оценивали экспериментально и по наблюдениям в естественных условиях. Опыты проводили с природными популяциями бактерио- и фитопланктона Баренцева и Белого морей, используя в качестве добавок полные комплексы РОВ метаболитов, выделенные из экскрементов животных, а также отдельные фракции этих веществ, отличающиеся по величине молекулярных масс. При этом устанавливали изменение величины продукции бактериопланктона, численности и биомассы его клеток, а также изменение скорости фотосинтеза, темнового дыхания, видового состава, численности, биомассы, концентрации хлорофилла "а" и ассимиляционной активности клеток фитопланктона. Эксперименты с бактериопланктоном
Опыты с бактериопланктоном проводили на Белом море в июле-августе 1980-1982 гг. при температуре воды П-15С. Продукцию определяли радиоуглеродным методом по величине темновой ассимиляции углекислоты клетками бактерий (Руководство, 1980).
Общую численность бактерий определяли методом прямого счета, а их суммарную биомассу рассчитывали, исходя из общей численности и среднего объема клеток (Руководство, 1980).
Опыты с фитопланктоном проводили в однофакторном и многофакторном вариантах, каждый из которых выполняли при краткосрочных и долгосрочных экспозициях.а) Схема постановки однофакторных экспериментовВ этом варианте опыты проводили для исследования влияния различных концентраций полного комплекса РОВ метаболитов и отдельных его фракций, отличающихся по величине молекулярных масс. В краткосрочных экспериментах, при которых экспозиция составляла 24 часа, устанавливали изменение скорости фотосинтеза и тем-нового дыхания. В долгосрочных опытах с экспозицией в восемь суток устанавливали изменение и других продукционных характеристик. Воду для опытов брали в удалении от берега, освобождали от зоопланктона и разливали в склянки объемом 250 мл, в которые вносили добавки органических веществ в концентрациях 0,25; 0,5; 1,0; 2,5; 5,0; 10,0 мгРОВ/л. Влияние каждой концентрации измеряли в 3-16 кратной повторности. Контролем служили склянки без добавок РОВ метаболитов животных. Склянки экспонировали на глубине 0,5 м подвешенными на специальных плотиках. Пеед началом опыта в воде измеряли величину фотосинтеза, Рн, соленость, кислорода, нитратов, аммиака, растворенных форм азота и фосфора, качественный и количественный состав фитопланктона и содержание в нем хлорофилла общепринятыми методами (Винберг и др., I960; Кольцова, 1970; Методические указания, 1966; Руководство, 1977; Соловьева, 1976; Усачев, 1961). Опыты проводили на Баренцевом и Белом морях в различные сроки вегетационного периода с апреля по ноябрь при температуре воды 1,9-15С с разным видовым и количественным составом популяций фитопланктона и различной обеспеченностью их биогенными минеральными солями,
Методы изучения влияния массовых видов животных на хи мический состав и продуктивность окружающей акватории
Влияние морских птиц и мидий на прилежащие к их поселениям воды оценивали по изменению концентрации растворенных органических веществ, углеводов и кремния, определяемых методами, изложенными выше. Контролем служили участки моря, находящиеся вне влияния поселений. Кроме того, использовали литературные данные, относящиеся к этому вопросу. Характеристикой влияния массовых видов животных на первичное звено пищевых цепей служило изменение численности, биомассы и продукции клеток бактерий и фитопланктона, определяемых теми же методами, что и при проведении экспериментов.V. Статистическая обработка экспериментальных результатов
Статистическую обработку полученных результатов проводили с помощью общеизвестных математических методов. Метод наименьших квадратов применяли для расчета параметров степенных уравнений вида: У = ах8. Рассчитанная по методу кривая аппроксимирует экс периментальные данные таким образом, что сумма квадратов отклонений экспериментальных точек от этой кривой является минимальной. Кроме параметров степенных уравнений, рассчитывали ошибки этих параметров и дисперсию, характеризующую отклонение экспериментальных точек от соответствующих расчетных. Расчет частично выполнен вручную, частично на ЭВМ ИнБюма.
Статистическую обработку результатов многофакторных экспериментов осуществляли согласно рекомендациям И.П.Апмарина с соавторами (1975) и В.Н.Максимова (1982). Растворенное органическое вещество (РОВ) морской воды представляет собой наибольший фонд углеродистых соединений в море, который на два порядка превосходит запасы органических веществ, заключенные в гидробионтах (Wangersky, 1965). В последние годы все чаще отмечается огромная роль этих веществ в биохимических, эколого-физиологических и трофодинамических процессах в морских экосистемах (Одум, 1975; Хайлов, 1971).
К категории растворенных органических веществ принято относить все органические молекулы, размеры которых не превышают 0,5 мкм (Хайлов, 1971). По степени вовлечения РОВ в круговорот углерода органическое вещество морской воды можно разделить на лабильную, трофически ценную часть, состоящую главным образом из высвобождаемых в воду экзаметаболитов морских организмов, и трансформированную в воде часть РОВ, или водный гумус, образованный веществами, обладающими чрезвычайно высокой биологической стойкостью и практически не участвующий в круговороте (Скопинцев, 1979).
Трофическая ценность лабильной части РОВ морской воды определяется его химическим составом, изучение которого ведется в направлении исследования как элементарного, так и молекулярного разнообразия. Данные об элементарном составе РОВ дают первые представления о его качестве, особенно если рассчитать соотношение углерода к азоту, углерода к фосфору, азота к фосфору, углерода к кислороду и т.д. В первом приближении оценить качество РОВ можно на основании данных по биохимическому окислению (Скопинцев, 1950).
Более полное представление о свойствах и трофической ценное ти РОВ, например, для первичного звена пищевых цепей, дают результаты анализа его молекулярного разнообразия. Одной из важных характеристик органического вещества считается величина его молекулярной массы. Известно, например, что вещества имеющие молекулярную массу более 10000 сравнительно слабо разрушаются бактериями, скорость химической деструкции их также невелика ( Ogura, 1974, 1975). Но эти соединения способны сорбироваться на взвешенном материале, повышая пищевую ценность последнего, или образовывать аггрегированные молекулы и, таким образом, служить заменой взвешенной пищи для многих гидробионтов (Хайлов, 1971). Соединения с молекулярной массой менее 10000, и особенно низкомолекулярные, значительно быстрее подвергаются как бактериальной, так и химической деструкции ( Ogura, 1975), в результате которой образуются вещества с промежуточным, более низким молекулярным весом, или минеральные соединения. Среди веществ, имеющих низкий молекулярный вес, есть соединения склонные также к сорбции на твердых частицах. Но самое главное их свойство состоит в том, что они могут иметь самостоятельное пищевое значение, для гидробионтов, относящихся в первую очередь к первичному звену пищевых цепей, в биосинтез которых они непосредственно включаются.
Важное значение в составе РОВ имеют вещества, обладающие способностью снижать поверхностное натяжение воды и концентрироваться на границах раздела фаз: вода - воздух, вода - твердое тело и т.д. Среди них могут быть соединения любой молекулярной массы, но чаще всего это высокомолекулярные вещества или гидрофильные и гидрофобные комплексы веществ (Хайлов, 1971). Эта группа так называемых поверхностно-активных веществ, которые, сорбируясь на границах раздела различных фаз, в том числе и на живых организмах, становятся более доступными для них ( MaestrjUii, B.onin, 1981).Максимальное количество информации о трофической ценности и
Химический состав растворимых органических веществ и количественные закономерности их экскреции кайрами
Анализ растворимых веществ экскрементов кайр показал, что растворимая фракция экскрементов птиц составляет 17% от массы сухих экскрементов и что 85% в ней представляют органические вещества. В составе РОВ обнаружено 50% органического углерода, 16% азота, 5,0% фосфора и 0,5% железа. Соотношение этих элементовравно С:Л:Р»10:3:1, ЧТО ПО ЧИСЛу атОМОВ Составляет С:ТТ:Р в30:7:1. Количество С/Ре в весовых единицах составляет 100, а по числу атомов - 400. Сопоставляя данные по содержанию биогенных элементов в пище и РОВ экскрементов, можно рассчитать восстановление их и возвращение в растворимой форме в морскую воду (Галкина, 1974, 1984) (табл.10).
Морские птицы, как и прочие высокоорганизованные животные, характеризуются азотным и фосфорным равновесием, которое выражается в том, что азот и фосфор, потребленные с пищей, полностью выводятся из организма (Фердман, 1966). По всей вероятности, аналогичное состояние проявляется и в отношении железа. Исходя из этого, в наших экспериментах следовало бы иметь более высокий процент восстановления биогенных веществ, потребленных птицей с пищей. И не вызывает сомнения, что количества растворимых форм азота и фосфора, обнаруженные в опытах, когда уровень их восстановления не превышал 9-ЗС$, представляет собой лишь часть тех веществ, которые птицы возвращают в море. Связано это с несколькими причинами. Прежде всего не все биогенные вещества возвращаются в составе растворимой в воде фракции, так как часть из них попадает и в нерастворимую фракцию. К числу таких соединений следует в первую очередь отнести мочевую кислоту, являющуюся основным продуктом азотного обмена птиц и имеющую чрезвычайно низкую растворимость в воде, особенно дистиллированной, которая в наших опытах служила растворителем. Кроме того, нами учитывался только азот и фосфор, входящие в состав органических веществ, тогда как их минеральные производные в расчеты не входили, хотя количество мине рального фосфора, выделяемого птицами, в полтора раза выше, чем органического, как это установлено в наших исследованиях (Галкина, 1974) и в работах других авторов (Головкин, 1972; Hutchinson, 1950). Следует отметить также, что обессоливая органические вещества методом гель-фильтрации, мы теряли вместе с солями часть низкомолекулярных органических веществ, в состав которых, возможно, входят и изучаемые биогенные элементы. Все эти обстоятельства заставляют рассматривать полученный в наших экспериментах уровень восстановления биогенных элементов как нижний показатель возможного возвращения этих веществ морскими птицами. В природных же условиях при отсутствии всех перечисленных причин, в круговорот экосистем включаются, по всей вероятности, все соединения азота, фосфора и железа, потребленные птицами с пищей и выделенные в составе экскрементов.
Разделение водорастворимой фракции экскрементов птиц на се-фадексах разных номеров показало, что продукты метаболизма этих животных неоднородны по своему молекулярному составу. Фракционирование на сефадексе Г-75 позволило выделить высокомолекулярную группу веществ с молекулярной массой равной 50000 и более. Количество этих веществ невелико и составляет всего 6% от суммы всех РОВ экскрементов (рис.4а,б). Подавляющая часть растворимых веществ представлена соединениями с молекулярной массой менее 10000, которые на сефадексах 7-25, Г-І5, Г-10 удалось разделить на более дробные группы. При этом оказалось, что в состав этих групп входят соединения с М 5000 и более, количество которых равно 12%, с М, равной 1500 - 17% и низкомолекулярные вещества с М равной , примерно 100 - 65% (рис.46). В последнюю группу вошли также и вещества, склонные к сорбции на нейтральных сефадексах, хотя молекулярная масса их может быть и более высокой. К ним относятся поверхностно-активные вещества, сорбирующиеся на сефадексе и об наруживаемые затем в составе низкомолекулярных соединений.
При анализе растворимой органической фракции экскрементов кайр выяснилось, что в виде РОВ птицы выделяют разнообразные органические вещества, в числе которых обнаружены азотсодержащие соединения, составляющие 46% от суммы всех растворимых органических веществ, фосфорсодержащие - 15,5%, углеводы - 5,Q%, свободные аминокислоты - 0,56% (последние показаны в табл.II). Кроме того, в составе растворимых органических веществ экскрементов кайр обнаружен витамин Bj2«
Анализ разномолекулярных фракций растворимых органических веществ экскрементов установил, что группа высокомолекулярных соединений (М = 50000) содержит 43% углеводов, 2Q% азотсодержащих и 2% фосфорсодержащих веществ от суммы всех РОВ. Соотношения углерода К азоту И фосфору В ЭТОЙ группе СОСТавЛЯЮТ С:И:Р=:125:7:1.
Соединения, включающие азот, имеют небелковое происхождение, так как реакция Фолина-Іоури у них отрицательная. Водный раствор этих веществ бесцветен, но опалесцирует и их абсорбционный спектр имеет максимум поглощения при длине волны 440 ммк. Это дает возможность предположить, что эта часть РОВ экскрементов представлена углеводно-нуклеопротеидным комплексом.
Группа веществ со средней М 5000 содержит 56% суммарного растворимого фосфора, 10% - соединений азота, все соединения железа и витамин Bj. В эту же группу включены все окрашенные вещества экскрементов. Соотношение углерода к азоту и фосфору в этой группе равно СШ:Р=14:0,3:1.
Наибольшее количество азота - 70% от его общего количества -находится в низкомолекулярных и поверхностно-активных соединениях. Эта группа содержит 57% углеводов и 42% фосфорных веществ, причем соотношение в ней главных биогенных элементов составляетС:1Т:Р=30:б:1, В СОСТав ЭТОЙ ГруШШ ВХОДЯТ, ПО ВСЄЙ ВерОЯТНОСТИ,
Воздействие растворимых органических веществ метаболитов животных на продукционные характеристики фитопланктона
Влияние растворимых органических веществ метаболитов животных исследовали экспериментально на природных популяциях фитопланктона Белого и Баренцева морей. Опыты ставили в однофактор-ном и многофакторном вариантах, краткосрочной и долгосрочной экспозициях. При этом изучались следующие процессы:а) Изменение величин чистого и валового фотосинтеза природной популяции фитопланктона под влиянием РОВ метаболитов животных
В этой серии опытов величина фотосинтеза измерена скляночным методом в кислородной модификации. Применение этого метода в условиях северных морей возможно лишь во время активного развития фитопланктона, так как в другие периоды из-за низких, сравнительно мало различающихся температур не удается получить достоверного различия в накоплении и потреблении кислорода в склянках. Поэтому проводимые нами опыты были поставлены в Баренцевом море весной, при температуре воды 2,9-3,2, во время весеннего пика «цветения" микроводорослей, когда доминировали диатомовые водоросли. Результаты этих опытов показали, что добавка растворимых органических веществ метаболитов животных всегда стимулирует деятельность микроводорослей, причем максимальный эффект проявля-ется при концентрации этих веществ, равной 0,5-1,0 мгРОВ.л х (рис;5а,б). Сравнение воздействия разных комплексов растворимых органических веществ метаболитов мидий и морских птиц показало, ществ исследуемых животных вызывает у природной популяции фитопланктона практически одинаковое повышение чистого фотосинтеза. В то же время величина валового фотосинтеза под влиянием РОВ метаболитов кайр оказывается в два раза выше, чем в присутствии РОВ метаболитов мидий и в контроле, что связано с высокой деструкцией, вызванной добавкой РОВ экскрементов кайр (Галкина, 1976),
На основании этих однофакторных экспериментов для сравнения действия РОВ и минеральных биогенных солей на деструкционно-про-дукционные процессы были поставлены опыты, проводившиеся по схеме ПФЭ-2 . Результаты этой серии опытов свидетельствуют о том, что добавка метаболитов животных стимулирует фотосинтетическую деятельность микроводорослей, причем эффект от воздействия раст воримых органических веществ метаболитов мидий и кайр полностью совпадает с даннши, полученными в однофакторных экспериментах (табл.18). Сравнение действия отдельных добавок РОВ метаболитов животных и минеральных биогенных солей показывает, что величина чистого фотосинтеза максимально возрастает от добавки нитратов, тогда как фосфаты стимулируют фотосинтез намного меньше, чем нитраты и РОВ метаболитов животных. Такое действие минеральных биогенных солей объясняется тем, что для вод Баренцева моря биогенным элементом, лимитирующим развитие водорослей, является азот, а не фосфор, количество которого в прибрежных водах практически никогда не опускается ниже 5-Ю мг.л , вследствие чего клетки фитопланктона не испытывают недостатка в этом элементе. В то же время зимний запас нитратов исчерпывается при весенней вспышке развития микроводорослей, и в течение оставшегося периода вегетации, вплоть до осеннего подъема его концентраций, эти соли практически отсутствуют.
Заслуживает особого внимания, что отмечены самые высокие значения чистого фотосинтеза при совместной добавке растворимых органических веществ и минеральных биогенных солей. Наиболее заметное влияние оказывает добавка РОВ метаболитов мидий вместе с азотом и фосфатами, в результате которой величина фотосинтеза, по сравнению с контролем, возрастает более, чем в два раза (табл. 18, строки 1,8). При добавлении же нитратов или фосфатов, или обоих соединений вместе, уровень фотосинтеза возрастает соответственно лишь на 15, 52 и 24% (табл.18, строки І-4У. Это дает возможность предположить, что органические вещества метаболитов не только самостоятельно стимулируют фотосинтетическую деятельность микроводорослей, но и усиливают действие минеральных биогенных солей.
Многофакторные эксперименты позволяют более детально проана лизировать действие добавок не только на процессы продукцирова-ния и деструкции, но и на соотношение этих процессов. Эксперименты показали, что внесение биогенных минеральных солей в той или иной комбинации не приводит к сколько-нибудь заметным изменениям трат на дыхание (табл.18, строки 1,2,3,4). Аналогичным образом действовали и органические вещества метаболитов мидий, как это уже было показано постановкой однофакторных экспериментов (табл.17). Добавление же РОВ экскрементов птиц, вносимых отдельно или в сочетании с минеральными биогенными солями, приводит к резкому возрастанию интенсивности дыхания, превышающее ве тличину в контроле в среднем в шесть раз (табл.18, строки 1,5 , 6і,7і,8і).
Отсутствие изменений в интенсивности потребления кислорода при добавлении в склянки РОВ метаболитов мидий и биогенных минеральных солей, несомненно, связано со стимулированием ими фотосинтетической деятельности автотрофних микроводорослей и подавлением метаболитами мидий. В то же время полученные в этой серии опытов результаты позволяют предположить, что органические вещества усиливают фотосинтетическую деятельность фитопланктона в нативной форме, так как их окисление и дальнейшие изменения также потребовали бы дополнительных затрат кислорода. При этом РОВ метаболитов мидий, по-видимому, не служит источником питательных веществ, используемых клетками фитопланктона, способного к гетеротрофному потреблению органических веществ, так как этот тип питания также сопровождается дополнительными затратами кислорода в темноте. Поэтому можно предположить, что эти вещества не включаются непосредственно в биосинтез микроводорослей, а влияние их протекает по типу воздействия биологически активных веществ (ау-ксотрофии). Подтверждением этого предположения служат результаты опытов, показывающих усиление действия минеральных биогенных со
