Изменение pH среды в процессе роста водорослей служит косвенным показателем их фотосинтетической активности. В то же время, само изменение pH среды влияет на физиологическое состояние водорослей [3] и сказывается на их чувствительности к воздействию токсикантов. Это особенно важно, если токсикантом является тяжелый металл, форма присутствия которого в среде зависит от pH водного раствора [5], и водоросли испытывают как прямое воздействие ионов металлов, так и образующихся в воде комплексов [2, 4].
Исследования динамики изменений pH в процессе роста лабораторной культуры зеленой водоросли Sc. quadricauda в норме и при различных способах интоксикации медью позволяют выяснить, как влияет изменение pH культуральной среды на устойчивость водорослей к воздействию этого металла на разных стадиях их развития, что, в свою очередь, важно для выявления наиболее уязвимых стадий развития не только лабораторной культуры, но и популяций водорослей в естественных и искусственных водоемах.
Материалы и методы исследования
Объектом исследования служила лабораторная альгологически чистая культура зеленой водоросли Scenedesmus quadricauda Breb., которую выращивали на среде Кратца-Майерса с pH 7,8 в люминостате при t = 22–25 °C, круглосуточном освещении 2000 люкс. Опыты проводили в колбах Эрленмейера объемом 250 мл с количеством культуры 100 мл, в трех повторностях. Численность клеток водорослей определяли методом прямого счета в камере Горяева и колориметрически с использованием КФК-2. Продолжительность экспериментов – 25 суток.
Плотность посева – 0,1 млн кл/мл, испытуемая концентрация – 0,3 мг Cu2+/л в виде соли CuSO4.5H2O.
Результаты исследования и их обсуждение
В предварительных опытах для лабораторной культуры Sc. quadricauda с плотностью 0,1 млн кл/мл определен диапазон витальных концентраций меди от минимально действующей (0,25 мг/л) до летальной (0,5 мг/л). В дальнейших экспериментах использована высокотоксичная концентрация меди 0,3 мг/л.
В процессе роста интактной культуры водорослей pH среды увеличился от 7,8 до 10,5 в течение 8 суток, при этом численность клеток возросла в 70 раз. В присутствии меди pH среды увеличивался значительно медленнее: на 10-е сутки достиг величины 8,5 и только после 17-х суток опыта начал приближаться к контрольному уровню и достиг величины 9,6, причем прирост численности клеток водорослей за этот период был статистически не значимым. Таким образом, несмотря на отсутствие роста культуры в присутствии меди, клетки оставались жизнеспособными, о чем свидетельствует увеличение pH среды за счет фотосинтеза (рис. 1).
Рис. 1. Динамика pH в процессе роста культуры Sc. quadricauda
При исходном искусственном подщелачивании среды Кратца-Майерса до уровня pH 10, токсичность меди снижалась по сравнению с действием меди при стандартном для данной среды уровне pH (7,8). Культура водорослей активно развивалась, особенно после 9-и суток опыта, и на 14-е сутки численность клеток составляла 30,3 % от контроля и в 13 раз превышала численность клеток в варианте с медью при рН 7,8 (рис. 2).
Рис. 2. Рост культуры Sc. quadricauda при различном исходном уровне pH среды
Возникает вопрос, а может ли естественное повышение pH в процессе роста культуры оказывать аналогичное протекторное действие на зрелые культуры, повышая их устойчивость к воздействию меди. Для выяснения этого медь вносили не в свежеприготовленную культуру, а в 5-, 10- и 23-суточные культуры однократно и пропорционально возросшей численности клеток (для снятия детоксицирующего «эффекта биомассы»). При этом культуры не отмирали, их численность стабилизировалась на уровне, достигнутом к моменту внесения меди, несмотря на то, что реальные концентрации меди в этих вариантах в десятки раз превышали летальную для свежеприготовленной культуры Sc. quadricauda (с плотностью 0,1 млн кл/мл) концентрацию меди.
Для выяснения того, насколько существенна роль подщелачивания среды за счет фотосинтеза в повышении устойчивости зрелых культур водорослей к меди, каждому варианту этого опыта соответствовала параллель, где культуральную среду перед внесением меди подкисляли, доводя pH до исходной величины (~ 8). Однако статистически значимых отличий роста этих параллелей от соответствующих им вариантов не получено. Вместе с тем, к концу опыта стало очевидно, что культуры, где среду подкисляли, значительно желтее контрольных, однако клетки не утратили присущей им формы и соединены в ценобии по 4 клетки. В то же время, в тех вариантах, где после добавления меди культуры продолжали развиваться естественным образом, наблюдалась сильная деформация клеток и их высокая агрегированность, но при этом сохранялся интенсивный зеленый цвет, свойственный данной культуре. По-видимому, способы выживания зрелых культур Sc. quadricauda в средах с большими концентрациями меди при высоком и низком уровне pH среды различны, однако представляется, что сохранение пигментного состава (при высоком уровне pH) физиологически более ценно для выживания, чем сохранение морфологии клеток (при низком уровне pH).
Заключение
На основании полученных данных можно сделать вывод о том, что свежеприготовленные культуры Sc. quadricauda весьма чувствительны к воздействию меди, но при искусственном повышении pH токсичность меди для таких культур уменьшается. В процессе роста культур их устойчивость к действию меди повышается, но относить это только на счет фотосинтетического подщелачивания среды вряд ли уместно. В этот период в среде накапливаются экзометаболиты водорослей, снижающие эффективную концентрацию металла за счет способности к комплексообразованию [4], а также формируется целостная популяция водорослей, качественно отличная от свежеприготовленной культуры [1].