научная статья по теме ВЛИЯНИЕ ДРЕВНЕГО САПРОПЕЛЯ НА “ЦВЕТЕНИЕ” ВОДЫ Математика

Текст научной статьи на тему «ВЛИЯНИЕ ДРЕВНЕГО САПРОПЕЛЯ НА “ЦВЕТЕНИЕ” ВОДЫ»

ДОКЛАДЫ АКАДЕМИИ НАУК, 2015, том 460, № 3, с. 343-345

= ГЕОГРАФИЯ

УДК 551.513

ВЛИЯНИЕ ДРЕВНЕГО САПРОПЕЛЯ НА "ЦВЕТЕНИЕ" ВОДЫ

© 2015 г. Академик РАН В. А. Румянцев, Л. Н. Крюков, Ш. Р. Поздняков, А. В. Жуковский, А. С. Митюков

Поступило 28.05.2014 г.

БО1: 10.7868/$086956521503024Х

В результате многолетних исследований водных экосистем Северо-Запада Российской Федерации в Институте озероведения (ИНОЗ) РАН (Санкт-Петербург) был найден сапропель с уникальными свойствами влияния на "цветение" воды. Впервые экспериментальным путем получено объективное свидетельство того, что аллелохими-ческим ("друг друга") действием обладают не только цианотоксины, которые продуцируются цианопрокариотами для подавления развития других водорослей [1], но и химико-физический состав так называемых погребенных, или древних, сапропелей.

Сапропель — продукт донных отложений континентальных водоемов, образующийся в результате постмортальных превращений растительности, животных организмов, остатков микроорганизмов и трансформации почвогрунтовых частиц без доступа кислорода. Это желеобразная масса, постепенно уплотняющаяся по мере увеличения глубины отложений. В зависимости от геохимического района месторождения сапропель окрашен в светло-серый, розоватый, коричневый, черный цвет, что определяется составом примесей. В частности, черный цвет говорит о наличии железа, серый — глины и извести, розоватый — марганца и каротина, голубоватый — вивианита. Изъятый из залежи сапропель на воздухе быстро окисляется и теряет естественную окраску [2].

Зачастую в зоне тайги и смешанных лесов под слоем торфа на глубине около 6 м обнаруживают залежи сапропеля с влажностью до 50%. В этом погребенном сапропеле ИНОЗ РАН зафиксировал, %: кальций - 19.69 (ГОСТ 26570-95), пептиды - 2.23 (ГОСТ Р 51417-99), клетчатка - 1.29 (ГОСТ Р 52839-2007), витамин А - 0.29 (М-02-1006-08), который образуется в природе из бета-каротина. Этот сапропель был отнесен к известковому сапропелю 1-го класса пригодности для

Институт озероведения

Российской Академии наук, Санкт-Петербург

промышленного использования (ГОСТ Р 540002010) и по ряду показателей является карбонатно-харовым сапропелем. Не вызывает сомнений, что в 1000-летней истории образования этих древних сапропелей первостепенные значения имели гумификация харовых водорослей и наличие соединений кальция, которые стабилизировали перечисленные далее биологически активные вещества.

Известно, что харовые ("радость, красота") водоросли — единственный сохранившийся до настоящего времени класс некогда обширной группы древних растений (возраст более 400 млн лет), которые объединяют в себе признаки водорослей и высших растений. Известно не более 440 видов харовых водорослей. Это макроскопические водоросли, внешне сходные с некоторыми высшими растениями (хвощ и др.). Хлоропласты зеленые, содержат хлорофиллы "a", "b" и дополнительный пигмент — ликопин. В этой связи длительное время их относили к отделу Chlorophyta. В настоящее время на основе результатов молекулярно-генетических, биохимических, ультраструктурных исследований харовые водоросли отнесены к классу Charophyceae sensu Mattox et Stewart, входящему в отдел Streptophyta.

Если о значении хлорофиллов в обеспечении жизни на планете, по-видимому, говорить не надо, то роль дополнительного пигмента харовых водорослей ликопина следует кратко изложить. Ликопин — нециклический изомер бета-каротина и представляет собой тетратерпен C40H56. Наличие двойных сопряженных связей обусловливает светопоглощающее свойство ликопина и его способность к легкому окислению. Как следствие, ликопин поглощает все длины волн видимого света, а при окислении образует эпоксиды различного состава. В наземных растениях, водорослях, фотосинтетических бактериях ликопин синтезируется в виде транс-изомера, но в общем плане возможно существование 72 геометрических стереоизомеров.

344

РУМЯНЦЕВ и др.

Основная функция ликопина в организме животных и человека — антиоксидантная. Потребление ликопина приводит к достоверному уменьшению маркеров окислительного стресса у человека [3]. При этом установлено, что риск развития рака простаты, желудка и легких обратно пропорционален содержанию в крови ликопина. Аналогичная закономерность сохраняется при развитии катаракты, атеросклероза и связанных с ним ишемических заболеваний. Естественно, что в интересах здравоохранения производство подобных тетратерпенов имеет важное практическое значение. Между тем ликопин нерастворим в воде, растворим только в органических растворителях и маслах. Закономерно, что до сих пор ведется поиск приемлемых растворителей для предотвращения его деструкции при экстракции из природных материалов.

С экологической точки зрения роль современных харовых водорослей сравнительно невелика, однако в водоемах с этими водорослями проявляется их влияние на гидрологический режим и биологические особенности водоема. Вода становится прозрачнее, режим водоема — более устойчивым и в нем формируется особый биоценоз. Замечено, что в водоемах с обильным развитием харовых водорослей отсутствуют или слабо развиты личинки комаров. Предполагают, что это обусловлено действием антибиотиков, выделяемых харовыми водорослями, причем гумификация больших скоплений этих водорослей часто сопровождается образованием лечебных бактерицидных грязей (оз. Плахино в Красноярском крае в долине р. Бирюса).

Положительным влиянием на биоценоз водоемов обладают и другие водные растения родов Achillea (тысячелистники) и Ceratophyllum (роголистники). Естественное расселение этих эукариот в водоемах снижает возможность перехода акинет (спор) цианопрокариотов из донных отложений в толщу воды за счет сокращения гидрологического взмучивания донных отложений. Особенно это относится к мелководным зонам водоемов, где вода весной и летом быстрее нагревается. Акинеты циа-нопрокариот всплывают на поверхность воды, развиваются, начинают размножаться, и сине-зеленое "цветение" водоема становится неизбежным. Далее нарушается атмосферная аэрация воды, образуются цианотоксины, происходят заморы рыб и гибель других гидробионтов, появляется неприятный запах и возникает опасная экологическая ситуация [4].

Экзометаболиты тысячелистника и роголистника — эффективные ингибиторы развития циа-нопрокариот [5]. В частности, тысячелистник Myriophyllum spicatum продуцирует четыре полифенола (эллаговая, галловая, пирогалловая кислоты и эпикатехин), смесь которых вызывает блокирование развития токсикогенных цианопрока-

риот вида Microcystis aeruginosa [6]. Подобно ликопину перечисленные полифенолы плохо растворимы в воде. Полифенолы — многоатомные фенолы и их производные, широко распространенные в растительном мире, обладают антимикробным и антиоксидантным действиями. Как правило, эти соединения существенно стабильнее тетратерпенов.

Судя по приведенным выше сведениям о древнем сапропеле, этот природный материал, с одной стороны, обеднен белками, углеводами, а с другой — содержит полифенолы, тетратерпены. Наличие последних соединений в древнем сапропеле подтверждено присутствием в ИК-спектрах характеристических пиков сопряженных двойных связей, карбонильных и фенольных групп, а также результатами независимых физико-химических исследований карбонатно-харовых сапро-пелей [7]. При этом известно, что природные поверхностно-активные вещества, хелатирующие (типа полифенолов) и ненасыщенные соединения (типа тетратерпенов) способны выступать в качестве стабилизаторов и восстановителей на-ночастиц металлов [8].

Исследованный древний сапропель наряду с перечисленными стабилизаторами и восстановителями наночастиц содержит, мг/кг: железа — 840 (ГОСТ 27998-88), меди - 0.37 (ГОСТ 30692-2000), цинка - 3.72 (ГОСТ 30692-2000). Соли этих химических элементов обладают альгицидной активностью, а соответствующие наночастицы рассматриваются в качестве эффективных средств фитосанитарии [9]. В ультрадисперсной форме частицы металлов в 10-50 нм становятся бактерицидами. Как результат, недавно на основе на-ночастиц железа был создан альгицид, избирательно воздействующий на цианопрокариоты Microcystis aeruginos [10]. Обобщив представленные выше данные, в ИНОЗ РАН было сформулировано предположение: внесение в "цветущую" природную воду экологически чистого древнего сапропеля положительным образом скажется на предотвращении негативной ситуации. Приводимые далее результаты экспериментальных исследований оправдали это предположение.

Так, в результате целевых испытаний древнего сапропеля в лабораторных условиях было статистически достоверно показано, что после соответствующей обработки природной смеси водорослей происходит очистка воды и прекращение "цветения" (рис. 1). Оказалось, что древний сапропель обладает высокой буферной емкостью и рН 6.1-6.6 обработанной водной среды, что также препятствует сине-зеленому "цветению".

Убедительным доказательством этого процесса стали результаты определения содержания в "цветущей" воде хлорофилла до начала эксперимента, спустя сутки и неделю после внесения в среду равных навесок (по 0.02 г/л) древнего са-

ДОКЛАДЫ АКАДЕМИИ НАУК том 460 № 3

2015

ВЛИЯНИЕ ДРЕВНЕГО САПРОПЕЛЯ

345

ЖI ч.

' Ш к

10 мкм /гч

I-1 (б)

10 мкм / ч

I_I (в)

10 мкм

I_I

Рис. 1. Оптические микрофотографии природной смеси водорослей (а), через 1 ч (б), через 1 сут (в) после обработки древним сапропелем.

пропеля, термически обработанного сапропеля и активированной глины как продукта минерально-матричной технологии [11]. Количество хлорофилла определяли по ]12]. Если в течение первых суток альгицидная активность древнего сапропеля невелика по сравнению с другими опытными образцами, то через неделю наблюдается обратная картина: развитие водорослей практически прекращается, а в других вариантах эффективность препаратов падает. По-видимому, при термообработке древнего сапропеля происходит деструкция тетратерпенов, наноструктур -ная организация материала разрушается, альги-цидная активность падает и начинается вторичное "цветение" воды (рис. 2).

Таким образом, в ИНОЗ РАН впервые выявлено влияние древнего сапропеля на "цветение"

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.

Показать целиком