БИОЛОГИЯМОРЯ, 2013, том 39, № 4, с. 294-299
^= Методы исследований
УДК551.464.1
ИЗМЕРЕНИЕ МЕТАБОЛИЗМА ГИДРОБИОНТОВ В НЕПРЕРЫВНЫХ ПРОТОЧНЫХ СИСТЕМАХ: МАТЕМАТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ И ПРАКТИЧЕСКАЯ
РЕАЛИЗАЦИЯ МЕТОДА1
© 2013 г. И. И. Чербаджи1, В. И. Звалинский2
1Институт биологии моря им.А.В.ЖирмунскогоДВО РАН, Владивосток 690059;
Тихоокеанский институт океанологии им. ИльичеваДВО РАН, Владивосток 690059
e-mail: icherbadgy@mail.ru
Статья принята к печати 22.11.2012 г.
Разработан метод измерения метаболизма макрофитов, микрофитобентоса, перифитона, кораллов и других бентосных гидробионтов в непрерывной проточной системе в нестационарном и стационарном состояниях; дано его математическое обоснование. Создана экспериментальная установка, которая дает возможность в течение суток многократно измерять скорость обмена (02, С02, NH4, N02, N03, Р04, РОВ и др.) между гидробионтами и средой в естественных и лабораторных условиях. Проведенные измерения позволили определить продукционные параметры (фотосинтез, дыхание) бентосных гидробионтов и сравнить скорость их метаболизма в зависимости от экологических факторов среды.
Ключевые слова: методы исследования, непрерывная проточная система, измерение метаболизма, бентос-ные гидробионты.
Measuring the metabolism of marine organisms in continuous flow-through systems: a mathematical justification and practical implementation of method. I. I. Cherbadgy1, VI. Zvalinsky2(1A.V. Zhirmunsky Institute of Marine Biology, Far East Branch, Russian Academy of Sciences, Vladivostok 690059; 2Ilyichev Pacific Oceanological Institute, Far East Branch, Russian Academy of Sciences, Vladivostok 690059)
This paper presents a method for measuring the metabolism of macrophytes, microphytobenthos, periphyton, corals, and other benthic organisms in a continuous flow-through system in nonstationary and stationary states, as well as a mathematicaljustification of this method. An experimental system was designed that allowed multiple daily measurements of the exchange rates (02, C02, NH4, N02, N03, P04, DOM, etc.) between marine organisms and the environment under natural and simulated conditions. Based on these measurements, the production parameters (photosynthesis, respiration) of benthic organisms were determined and their metabolic rates were compared in relation to ecological environmental factors. (Biologiya Morya, 2013, vol. 39, no. 4, pp. 294-299).
Keywords: methods ofinvestigation, flow-through system, metabolic rate measurement, benthic organisms.
Любая живая система открыта и существует благодаря непрерывному притоку и оттоку вещества и энергии, т.е. реальный мир состоит из открытых систем, в которых основную роль играет среда на входе и на выходе (Одум, 1986). Однако большинство экспериментальных и математических моделей, исследующих метаболизм и скорость роста популяций гидробионтов, разработаны для замкнутых систем. Показатели метаболизма являются важнейшими характеристиками биологических систем разного уровня, в частности, морских водорослей. Данные показатели могут быть измерены как в замкнутых, так и в проточных системах. Замкнутые системы отличаются своей простотой, однако в процессе метаболизма гидробионтов концентрации растворенных элементов в системе изменяются, вследствие чего эксперимент ограничен во времени (Miller-Way, Twilley, 1996). Эти ограничения могут проявляться
1 Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ № 12-04-01424а.
при изучении объектов, параметры которых изменяются во времени, например, при исследовании процессов фотосинтеза или кинетики поглощения макрофитами биогенных элементов в зависимости от концентрации субстрата в среде.
Метаболизм обычно измеряют при достижении системой стационарного состояния (постоянной разности концентраций элементов на входе и выходе экспериментальной измерительной камеры-хемостата), в основном в лабораторных условиях (Н^1ипё й а1., 1987; Ахеквоп, 1988; Сагтопа й а1., 1996; Martinez-Aragon й а1., 2002). Проведенный нами анализ показал, что стационарное состояние в измерительной системе (при интенсивности протока 1 л/ч и объеме сосуда 1 л) достигается не ранее чем через 4 ч. При таком большом интервале времени могут возникнуть непредвиденные эффекты, которые отражаются на результатах эксперимента.
При оценке скорости потребления и/или выделения гидробионтами растворенных в воде элементов допускают, что в неустановившейся непрерывной проточной системе выполняется закон сохранения вещества и энергии. На основании этого для частного случая было предложено дифференциальное уравнение, описывающие процессы в проточной системе (Northby, 1976).
Возможности нестационарного метода существенно расширились, после того как было описано изменение концентраций растворенных соединений в непрерывных проточных системах (Propp et al., 1982). Этот подход был реализован и использовался при изучении метаболизма беспозвоночных (Propp et al., 1983). При последующем развитии методов измерения метаболизма, главным образом, при исследовании таких динамично изменяющихся процессов, как фотосинтез макрофитов, перифитона и кораллов (P-I зависимости) или кинетика поглощения и/или выделения ими биогенных элементов, потребовалось усовершенствование метода непрерывных проточных систем. Создать экспериментальную систему, подобную природной (одновременно по всем гидродинамическим, гидрохимическим и экологическим критериям), очевидно, невозможно (Айзатуллин и др., 1979). Однако в эксперименте следует создавать условия среды, которые бы максимально соответствовали естественным.
Таким образом, задачей данного исследования являлась разработка количественного подхода к описанию процессов в непрерывной проточной системе в нестационарном состоянии, позволяющего рассчитать метаболизм объекта в эксперименте в любой момент времени. Для экспериментальной проверки подхода необходимо было создать установку для многократного измерения скорости обмена (02, С02, NH+, NO~, NO~,
РОВ и др.) между гидробионтами и средой в естественных и лабораторных условиях в течение суток. С вычислительной стороны требовалось также ввести дополнительные элементы, учитывающие процессы в экспериментальных и контрольных сосудах, и вычислить поправки.
Количественное описание процессов в проточной системе
Условиями корректности приведенных ниже решений являются: а) неизменность концентраций веществ на входе хемостата за период экспозиции CQ = const, б) в хемостате происходит достаточно интенсивное перемешивание среды, так что концентрации анализируемых метаболитов на выходе хемостата в любой момент времени t соответствуют их концентрациям в хемостате
^ = ^chem
В экспериментальной измерительной камере объемом w (л) находится образец массой т (г) со средним удельным метаболизмом М, мкмоль/(г ч). Скорость изменения концентрации метаболита С (мкМ) в хемостате при протоке К(л/ч) вычислим следующим образом:
dC _ _ V , тМ_ , — L) + ■■ dt ww
(1)
где С0 - концентрация измеряемого элемента на входе хемостата (в начальный момент времени /0 = 0 она равна концентрации элемента на выходе хемостата), С - концентрация элемента на выходе хемостата в момент времени измерения /. Разделяя переменные, после преобразования получим:
, (Г г , тМ ^
а (С0 - С +——) „ -=--^ (2)
(Г - Г + \ ™ у^о ^ + у )
При интегрировании уравнения (2) за период времени экспозиции между двумя последовательными измерениями п и п+\ (в моменты времени /п и / ) получим соотношение, которое позволяет рассчитать изменение концентрации анализируемого элемента в хемостате за время экспозиции:
тМ
1п(-
С - С +
сп - с. +
к . __ v_. _ ,
тМ ' ~ w {t"+l tn V
(3)
где С0, Сп и Сп+1 - концентрация элемента на выходе хемостата в момент времени /0 = 0 (соответствует концентрации элемента на входе хемостата), ¿пи/ . Потенцируя соотношение (3) и разрешая его относительно метаболизма М, после преобразования получим:
М = — [ т
С - С
1 - ехр(--(/и+1 - tn))
- (Со - С„)].
(4)
Как видно, точность измерения скорости метаболизма М при и+1 измерении определяется точностью измерений удельной скорости обмена элементов в хемостате (на единицу массы) V/m, концентраций исследуемого метаболита на входе хемостата С0 и на его выходе в моменты двух последовательных измерений С и С , характеристического времени обмена элементов в хемостате V/w и времени между двумя последовательными измерениями содержания метаболита на выходе хемостата (tl^l—tl). Таким образом, точность измерений величины метаболизма определяется точностью измерений пяти параметров, три из которых контролируются экспериментатором (скорость обмена элементов в хемостате, характеристическое время хемостата и время между последовательными измерениями). Остальные два параметра определяются объектом исследований и параметрами среды. Это обстоятельство дает возможность экспериментатору выбрать необходимые параметры проточной системы для измерений с требуемой точностью и достаточно комфортные условия для объекта исследований.
Для оценки среднего метаболизма за период эксперимента (/и = 0, t = f), (С =С, Сп = С0) соотношение (4) преобразуется как:
т ! _ ехр(_ Vt)
(5)
В случае продолжительной экспозиции, когда экспонента обращается в нуль (это происходит при Vt/w > 4), получим стационарное решение, когда результат измерений определяется только удельной скоростью обмена элементов в хемостате V/m и разностью концентраций на его входе и выходе:
М = - (С - С0).
(6)
Нетрудно показать, что в эксперименте с учетом контрольного хемостата уравнение (4) будет иметь вид:
м = ,(+1 - (С1 г - Скп ) _ _ (7)
т 1 - ехр(--«п+1 - К ))
где М - интенсивность обмена кислорода или иного биогенного элемента; положительные значения указывают на выделение элемента, отрицательные - на его поглощение, мкмоль/(г ч); С Ск - концентрация биогенного элемента на выходе экспериментального и контрольного хемостатов соответственно, мкМ; С ,Ск - концентрация биогенного элемента на выходе экспериментального и контрольного хемостатов в предыдущем измерении соответственно, мкМ; п = 1, 2, 3,... п - порядковый номер измерений. Т
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.