Введение к работе
Актуальность темы. Принято считать, что устойчивость гидроэкосистем обеспечивается видовым разнообразием входящих в них сообществ гидробиснтов. особенно, микроорганизмов. Одним из главных призйа-ков стабилизированной экосистемы является наличие максимальной биомассы на единицу проходящей через систему энергии и максимальное количество сшбистических связей /период климакса/'. Однако показано, что именно в этот период развития водных экосистем видовое разнообразие в них уменьшается, отмечается выравненность слагающих его видов и их стратификация. Особенно это характерно для замкнутых гидроэкосистем. Трудно, однако, допустить, что устойчивость экосистема в этом случае зависит только от пространственной ориентации слагавших ее видов - стратификации последних. Многолетние наблюдения за природными и модельными гидроэкосистемами показали, что в результате кратковременного мощного антропогенного воздействия, приводящего к метаболическому шоку, гидроэкосистемы в течение 24-48 ч по многим параметрам достигают исходного функционального состояния я при этом увеличения видового разнообразия не происходит. Несостоятельность представлений об обязательном увеличении разнообразия микроорганизмов в климаксной экосистеме подтверждена экспериментами на орбитальных станциях в гермосистемах.
Все эти данные приводили исследователей к мысли о том. что в период климакса устойчивость экосистем достигается каким-то иным путем, ь частности, увеличением разнообразия эндо- и экзометаболи-тов и. как следствие, структурной организацией ключевых олигомер-ных ферментов метаболизма. Первое предположение уже находит экспериментальное подтверждение. Рядом авторов показано существование прямой зависимости мекду темпами прироста биомассы водорослей и
2 концентрацией внеклеточных органических соединений. Телитчен-
ко М.М., Остроумов С.А. и др. весьма много внимания уделяли роли экзометаболитов в кизни морских и пресноводных сообществ. Ыаргалеф свидетельствует об увеличении разнообразия растительных пигментов вдоль сукцессионного градиента водной экосистемы. Установлено, что выделяемые гидробионтами токоферолы, способны активно регулировать интенсивность процессов свободнорадикального и ферментативного переокисления растворенных органических веществ - энергетической основы гомеостаза водных экосистем.
Второе же предположение остается совершенно неизученным и открытым. Бесспорно, что взаимодействие многочисленных факторов при формировании гидроэкосистем связано с огромным числом биохимических метаболических реакций, во "многом более сложных и разнообразных, чем внутриклеточный метаболизм. На каком-то этапе дальнейший прогресс биохимической экологии будет лимитирован уровнем знания данного вопроса.
В связи с этим особое значение приобретают исследования, направленные на изучение структурной организации ключевых ферментов метаболизма в гидрозкосистемах и их роль в стабилизации и реанимации последних при техногенных, особенно экстремальных воздействиях. Неизвестны субмолекулярные механизмы, ограничивающие влияние мощного антропогенного пресса на водные экосистемы. До сих пор остается "тайной", какими путями гидроэкосистемы в короткие сроки "выбираются" из глубочайших стрессовых ситуаций. Достигается ли ими при этом исходный функциональный статус или экосистемам наносится какой-то "биохимический ущерб". Нам представляется, что на это можно ответить только при условии более тонкого методического подхода.
Цель и задачи. Наши исследования были направлены на определение динамики молекулярных форм /№/ некоторых ключевых ферментов мета-
болизма микросообществ в техногенных и природных гидроэкосистемах с целью определения способности последних к адаптации, реанимации, стабилизации после антропогенного воздействия и роли в этих процессах Ш ферментов окислительного метаболиама. Результаты исследований дозволшт пересмотреть существующие,, представления о путях стабилизации гидроэкосистем и показать, что наряду с известными существует альтернативный путь достижения устойчивости, заключающийся з индукции низкомолекулярных форм ключевых оксидоредуктаз в ответ на увеличение разнообразия эндо- и экзометаболитов в микросообществах развивающихся гидроэкосистем. Расшифровка субмолекулярных механизмов реанимации, адаптации и стабилизации откроет новые возможности в области биомониторинга гидроэкосистем, поиска путей выхода последних из крайне неблагоприятной ситуации, сложившейся в последние годы. В связи с поставленной задачей решали следующие конкретные вопросы:
исследовали динамику активности и гетерогенность МФ некоторых ферментов в моделях экосистемы активного ила по фазам развития, а именно: одного из ключевых ферментов гликолиза - ЛИГ, связующего липидний и углеводный обмены ос-ГФД, пускового фермента пен-тозофосфатного цикла - Гл-6-ФД, одного из ключевых, ферментов цикла трикарбоиовых кислот - МДТ, ключевого фермента белкового и амино-кислотного обмена - ГДГ, а также каталазы - детоксиканта пероксида водорода - одного из метаболитов живых систем;
устанавливали наличие Ш вышеназванных ферментов в водной среде модельных экосистем активного ила, их структурные особенности на разных фазах развивавшихся экосистем и роль их в стабилизации последних;
разрабатывали способы технологического контроля процессов биологической очистки промышленных и бытовых сточных вод по динамике активности и гетерогенности МФ исследуемых ферментов активных
4 плов;
исследовали влияние залповых сбросов промышленных сточных вод и их компонентов на активность и структурную организацию К ферментов активных илов в моделях и на действующих сооружениях биологической ОЧИСТКИ;
выясняли роль Ш ферментов окислительного метаболизма в реанимации и стабилизации экосистем, подвергшихся антропогенному влиянию;
определяли фракционный состав белков в сообществах водных экосистем в процессе их развития, выявляли изменения в структурной организации белка под влиянием сточных вод и их компонентов, разрабатывали способы биотестирования токсичности промышленных выбросов по изменению структурной организации упомянутых белков;
исследовали гетерогенность МФ ферментов и фракционный состав белков-в микросообществах в грунтах водохранилищ Волжского каскада и малых рек Самарской области; устанавливали наличие зависимости между гетерогенностью Ш и белков и техногенными нагрузками на водоемы, поступающими от городов Самары и Саратова, выясняли роль Ш ферментов в поддержании экологического равновесия в гидроэкосистемах;
разработали систему способов биомониторинга водных экосистем на основе изменения активности и структурной организации Ш ключевых ферментов окислительного метаболизма активных илов, микросообществ грунтов водохранилищ и малых рек.
Научная новизна. Результаты исследований позволили значительно дополнить общепринятую систему биохимической адаптации водных экосистем, предложенную Хочачкои и Сомеро. Получены ранее неизвестные данные о составе, динамике активности и структурной организации МФ ферментов энергетического метаболизма ценозов активного ила и мик-
росообществ грунтов водохранилищ и малых рек. Определены некоторые механивмы стабилизации гидроэкосистем и роль зндо- и экзоферментов в механизмах поддержания экологического равновесия в них. Установлено ранее неизвестное яелєниє индукции низкомолекулярных форм де-гидрогенаэ в клетках ила при переходе в стабильное состояние. Открыто ранее неизвестное явление индукции и экспресс-биосинтеза множества низкомолекулярных форм оксидоредуктаз - "реаниматоров" при выходе гидроэкосистем из состояния метаболического шока, их реанимации и стабилизации. Обнаружено увеличение гетерогенности низкомолекулярных форм ферментов окислительного обмена микросообществ грунтов водохранилищ и малых рек с неблагоприятным гидрохимическим статусом.
Практическая значимость. Разработаны способы биотестирования токсичности сточных вод и их компонентов, а также способ технологического тонтроля за работой сооружений биологической очистки, которые могут быть использованы в практике лабораторий охраны окружающей среды, служб биомониторинга Госкомприроды и отраслевых НИИ.
Апробация работы. Материалы диссертации доложены на Всесоюзной /Одесса, 1989 г./, республиканских /Одесса, 1990 г., Саратов, 1992 г., Самара, 1993 г./, региональных /Саратов,1989 г., Самара, 1991 г./ и других конференциях, посвященных проблемам охраны поверхностных вод.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 23 работы, получено 3 авторских свидетельства /N 1622400, N 1684664, N 1751670, на 2 из них получены патенты/, патент РФ N2014596,4 рационализаторских предложения /Самарский медицинский институт, N 98/83. N 61/89. N 62/89. N 53/89/.
литературы, экспериментальной части, обсуждения результатов и выводов. Содержит 317 страниц машинописного текста, в том числе 70 рисунков, 41 таблицу, список литературы из 537 наименований /из них 333 иностранные/ и приложения.