ОКЕАНОЛОГИЯ, 2004, том 44, № 5, с. 697-708
= ХИМИЯ МОРЯ
УДК 551.465
ФЕРМЕНТАТИВНЫЕ ПРОЦЕССЫ ТРАНСФОРМАЦИИ ОРГАНИЧЕСКОГО ВЕЩЕСТВА И РЕГЕНЕРАЦИЯ БИОГЕННЫХ ЭЛЕМЕНТОВ В ЭКОСИСТЕМЕ БЕЛОГО МОРЯ
© 2004 г. А. И. Агатова, Н. М. Лапина
Всероссийский научно-исследовательский институт рыбного хозяйства и океанографии, Москва
Поступила в редакцию 12.03.2003 г.
Оценены скорости трансформации органического вещества (ОВ) в продукционно-деструкционном цикле Белого моря исходя из измеренных активностей окислительно-восстановительных ферментов электрон-транспортной системы (ЭТС) и гидролитических ферментов (фосфатазы и протеазы). Установлено, что наиболее интенсивны процессы окисления ОВ в Кандалакшском заливе, а минимальные скорости окисления характерны для центральных частей Двинского и Онежского заливов. Выявлено, что самые высокие скорости минерализации фосфатов характерны для центральной части моря и устьевых частей Онежского и Кандалакшского заливов, а самые низкие - для Двинского залива. Во время интенсивного первичного продуцирования, когда запас неорганического фосфора уже практически выбран, наблюдаются высокие скорости регенерации фосфатов. Показано, что популяции микро- и зоопланктона Белого моря обладают низкими энергиями активаций основных реакций метаболизма (3-6 ккал/М), что позволяет им поддерживать во все сезоны интенсивность обмена, сопоставимую с интенсивностью обмена обитателей теплых вод.
ВВЕДЕНИЕ
Преобразование растворенного и взвешенного органического вещества (РОВ и ВОВ) осуществляется главным образом с помощью ферментов, катализирующих специфические реакции, идущие в популяциях планктона и во фракции взвеси (микропланктон и ферменты, сорбированные на детрите).
На основе измерения ферментативной активности различных гидролитических и окислительно-восстановительных ферментов во взвеси можно оценить скорости и пути преобразования ОВ, скорости регенерации биогенных элементов и их оборачиваемость в продукционно-деструкционном цикле данной экосистемы [2, 11, 22].
Для оценки скоростей преобразования ОВ в продукционно-деструкционном цикле экосистемы Белого моря измеряли активности: окислительно-восстановительных ферментов электрон-транспортной системы (ЭТС), катализирующих окисление ОВ кислородом до простых окислов; а также гидролитических ферментов, таких как щелочная фосфатаза, катализирующая реакцию отщепления минерального фосфата от фосфоор-ганических соединений и протеаза, которая катализирует расщепление белка до аминокислот.
Измеренные активности ферментов ЭТС позволяют судить о скоростях потребления кислорода, т.е. о гетеротрофной активности микропланктона [17], измереные активности щелочной фосфатазы - о скоростях регенерации фосфатов и
степени лимитирования им продукционных процессов [1, 7, 16], а активности протеазы - о скоростях регенерации азота [23].
Сопоставление скоростей реакций, катализируемых вышеуказанными гидролазами со скоростями реакций, катализируемых ферментами ЭТС и времен оборота фосфора, азота и углерода дает возможность оценить полноту использования ОВ в синтрофии беломорской экосистемы.
Также особое значение приобретали исследования скоростей преобразования ОВ в экосистемах Белого моря в различные сезоны.
В статье представлен анализ данных по измеренным активностям вышеперечисленных ферментов, полученных в разные сезоны для экосистемы Белого моря.
МАТЕРИАЛ И МЕТОДЫ
В разные сезоны (весна 1999 г., лето 1991 и 1998 г., осень 1999 г.) в различных экосистемах Белого моря (заливах, кутах, Бассейне) (рис. 1) проведены измерения активностей ферментов электрон-транспортной системы (ЭТС), щелочной фосфатазы и протеазы. Наиболее подробная съемка интенсивности гидролитических и окислительно-восстановительных процессов в Белом море была сделана в июне-июле 1991 г.
Отбор проб воды для анализов проводили с помощью 5-литровых батометров Нискина. Взвесь собирали на стекловолокнистые фильтры вР/Р,
66
64°
iffifc_I ¿C^Ci I
J_I_I_I_I_L_
35° 37° 39° 41°
Рис. 1. Схема расположения станций в Белом море.
прокаленные при 480°С. Из собранной взвеси вместе с фильтром готовили гомогенаты (суспензии взвеси) в ручном стеклянном гомогенизаторе. Сначала в суспензии взвеси определяли по методу Лоури белок [10]. Затем к суспензии взвеси добавляли 0.1 М глициновый буфер (рН 8.3) с тритоном Х-100 (до конечной концентрации его в растворе 0.03 объем. %) для более полного высвобождения внутриклеточных ферментов. Определение активностей соответсвующих ферментов проводили в пределах 3-10 ч после отбора проб, т.к. для полного высвобождения внутриклеточных ферментов требуется не менее 2 ч.
Активность щелочной фосфатазы определяли с ияря-нитрофенилфосфатом (и-НФФ) в качестве субстрата. Концентрации и-нитрофенола, образовавшегося при отщеплении фосфатного радикала от и-НФФ, измеряли спектрофотометричес-ки (к = 420 нм). Фосфатазную активность измеряли в условиях максимальной скорости [1]. Значения удельной (Фуд.) и общей активности Фобщ. использовались для характеристики щелочной фосфатазы. Фуд показывает количество фосфора, мкМ, которое отщепляется за 1 ч в расчете на 1 мг белка взвеси. Фобщ определяет количество фосфора, мкМ, минерализованного фракцией взвеси в 1 л морской воды.
В основе метода определения активностей ферментов электрон-транспортной системы (ЭТС) лежит принцип передачи электронов от органических субстратов на производные хлорида фенилтетра-
золия. В результате восстановления этих производных образуются формазаны с максимумом поглощения при X = 490 нм [13]. Значения удельной (Ауд) и общей активности (Аобщ) использовались для характеристики активности ферментов ЭТС. Ауд показывает количество 02, мкл, поглощаемого за 1 ч на 1 мг белка, а Аобщ - количество 02, мкл, потребляемого за 1 ч или количество ОВ, окисляемого за 1 ч в 1 л морской воды.
Протеолитическую активность определяли с азо-казеином в качестве субстрата и характеризовали удельной и общей активностью. Удельная активность (Пуд.) показывает, какое количество белка в мг расщепляется в час на 1 мг белка во взвеси, а общая активность (Подщ.) показывает, какое количество белка в мг расщепляется за час в 1 л морской воды. Концентрацию красителя, высвобождающегося в результате гидролиза, измеряли по интенсивности поглощения при 340 нм [23].
Измерения скоростей реакций, катализируемых соответствующими ферментами проводили при температурах, приближенных к значениям температур in situ.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
Величины общей активности исследованных ферментов зависят от количества данного фермента и от его удельной активности, поэтому изменение этих величин в морской экосистеме происходит
~1-1—^-1-1-1-1-1-1-г
Рис. 2. Распределение общей активности ферментов ЭТС, мкл О2/(л час), в поверхностном (а) и придонном (б) слоях Белого моря в летний период.
как за счет изменений биомассы микропланктона, так и собственно активности ферментов.
Активность ферментов ЭТС. Экосистема Белого моря характеризуется значительными сезонными колебаниями и пространственной изменчивостью величин общей и удельной активностей фер-
ментов ЭТС. Общая активность ферментов ЭТС на поверхности Белого моря изменялась летом в диапазоне от 0 до 13.6 мкл О2/(л час), а удельная активность ферментов ЭТС - от 0 до 40.3 мкл О2/(час мг белка). На большей части моря эти показатели не превышают 0.5-1 мкл О2/(л час) и 5-
66'
64°
33° 35° 37° 39° 41° 43°
66
64°
33° 35° 37° 39° 41° 43°
Рис. 3. Распределение удельной активности ферментов ЭТС, мкл О2/(час мг белка), в поверхностном (а) и придонном (б) слоях Белого моря в летний период.
10 мкл О2/(час мг белка) соответственно (рис. 2, 3). На порядок возрастает общая активность ЭТС в приустьевой части Двинского залива, достигая 13.6 мкл О2/(л час), но при этом удельная активность ЭТС не превышает 14.9 мкл О2/(час мг белка). Высокие значения и общей и удельной активностей ЭТС (3-5 мкл О2/(л час) и 20-40 мкл О^час мг бел-
ка) соответственно) наблюдали в водах Кандалакшского залива и на границе его с Бассейном. Самые низкие величины активностей ЭТС (00.1 мкл Ог/(л час) и 0-2 мкл О2/(час мг белка) соответственно) отмечали в водах Онежского залива.
Большие различия в ферментативной активности указывают на большое разнообразие в по-
пуляциях микропланктона, заселяющих экосистему Белого моря. Высоким общим активностям не всегда соответствуют высокие удельные активности, что связано с долей в популяции микропланктона организмов, способных к окислению ОВ через ферментативную систему ЭТС. Отмеченные максимальные величины общей активности ЭТС в Двинском заливе вдоль Зимнего берега связаны с влиянием стокового течения Северной Двины, которое обуславливает развитие высокой биомассы гетеротрофного микропланктона, что подтверждается большими концентрациями взвешенного белка (около 1 мг/л), а не с интенсификацией процессов потребления кислорода, о чем свидетельствуют небольшие величины удельной активности ЭТС (рис. 3).
Зафиксированные же более высокие скорости потребления кислорода в фотическом слое Кандалакшского залива по сравнению с этими скоростями в этом же слое других районов Белого моря, можно объяснить именно более высокой окислительно-восстановительной способностью популяции микропланктона, заселяющего эту самую глубоководную часть моря. На это указывает тот факт, что увеличение общей активности ферментов ЭТС здесь происходит за счет повышения их удельной активности (рис. 2, 3).
Интересно, что в самых чистых водах Кандалакшского залива и Горла скорости потребления кислорода, рассчитанные по активности ЭТС, в 2-4 раза выше скоростей, полученных по БПК. В то же время в Онежском и Двинском заливах (исключая приустьевую часть) скорости, рассчитанные по БПК, в 1.5-2 раза выше, чем по ЭТС [9]. Как правило, скорости потребления кислорода, полученные по активности ЭТС, должны превышать скорости, полученные по БПК [17]. Превышение же этих величин по БПК указывает на большой вклад в их значения (при измерении потребления кислорода скляночным методом) величин химического потребления кислорода (окисление без участия микроорганизм
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.