1. На главную
  2. Электронные версии
  3. Биология моря
  4. T. 47, № 5, 2021

Биология моря, 2021, T. 47, № 5, стр. 359-364

Химический состав бурых водорослей Laminaria digitata (Hudson) J.V. Lamouroux, 1813 и Fucus distichus (Linnaeus, 1767) из заливов архипелага Новая Земля (Карское море)

Н. В. Лобус 1, *, А. А. Удалов 2

1 Институт физиологии растений им. К.А. Тимирязева РАН
127276 Москва, Россия

2 Институт океанологии им. П.П. Ширшова РАН
117997 Москва, Россия

* E-mail: lobus.nikolay@gmail.com

Поступила в редакцию 29.12.2020
После доработки 22.03.2021
Принята к публикации 22.04.2021

Полный текст (PDF)

Аннотация

Представлены первые данные по содержанию золы, органического углерода, белков, липидов, а также широкого спектра макро- (Na, Mg, P, S, K, Ca), микро- (Li, Be, B, Al, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Zn, Ga, As, Se, Rb, Sr, Mo, Ag, Cd, Sn, Sb, Cs, Ba, Re, Hg, Tl, Pb, Bi, Th, U) и редкоземельных элементов (Sc, Y, La, Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu) в бурых водорослях Laminaria digitata и Fucus distichus из заливов восточного побережья Архипелага Новая Земля (Карское море).

Ключевые слова: Арктика, бурые водоросли, зола, органический углерод, белки, липиды, химические элементы

Изучение химического состава макрофитов, а также оценка их роли в концентрировании и преобразовании форм нахождения и миграции макро- и микроэлементов в океане являются одним из приоритетных разделов морской биогеохимии (Саенко, 1992; Христофорова, Чернова, 2005). Несмотря на длительную историю исследований, получение новых данных до сих пор остается актуальной задачей. Это связано с широким использованием элементного состава водорослей в экологическом мониторинге и оценке антропогенного воздействия на морские экосистемы (Саенко, 1992; Чернова, Шулькин, 2019). Исторически в большинстве публикаций оценивалось содержание сравнительно небольшого набора элементов, как правило, макроэлементов и/или некоторых тяжелых металлов и металлоидов (Саенко, 1992; Чернова, Шулькин, 2019). Однако современное развитие высоких технологий, создание новых композитных материалов и сплавов определяют интенсивное промышленное использование широкого спектра микро- и редкоземельных элементов, которым до недавнего времени уделялось очень мало внимания со стороны исследователей в области экологического мониторинга и охраны морских экосистем (Adeel et al., 2019; Pooja et al., 2020). Из-за потенциальных экотоксикологических рисков, связанных с антропогенным поступлением в окружающую среду этой группы элементов, недавно она была определена как “новые возникающие загрязнители” (new emerging pollutants) (MacMillan et al., 2017; Gwenzi et al., 2018). Необходимо отметить, что в настоящее время комплексные данные о фоновых концентрациях элементов, относящихся к новой группе загрязняющих веществ в морских организмах, ограничены единичными публикациями (Лобус, 2016; Лобус и др., 2018; Lobus et al., 2019), а роль первичных продуцентов в их биоаккумуляции и трофодинамике в морских экосистемах не исследована (Gwenzi et al., 2018; Pooja et al., 2020).

Целью нашей работы являлось комплексное изучение химического состава бурых водорослей Laminaria digitata (Hudson) J.V. Lamouroux, 1813 и Fucus distichus (Linnaeus, 1767) из заливов восточного побережья архипелага Новая Земля (Карское море).

МАТЕРИАЛ И МЕТОДИКА

Материал для исследований был собран в 128-м рейсе НИС “Профессор Штокман” (сентябрь 2014 г.) и 63-м рейсе НИС “Академик Мстислав Келдыш” (сентябрь–октябрь 2015 г.) в поясе фитали четырех заливов восточного побережья архипелага Новая Земля (рис. 1).

Рис. 1.

Карта района исследований.

Поселения макрофитов, основу которых составляли талломы Laminaria digitata, располагались в зоне верхней сублиторали на глубине от 2 до 20 м. Исключением являлся Fucus distichus, фрагментарные скопления которого также встречались на более освещенных участках с глубинами до 0.5–1 м. Биотопические различия фитали, определяющие поступление различных химических элементов, в том числе биогенных, связаны с особенностями питания и водообмена данных заливов. Заливы Благополучия и Цивольки (о-в Северный) характеризуются большей глубиной (до 180–200 м) и узкой сублиторальной зоной, а также ледниковым питанием и интенсивным поступлением мелкодисперсного терригенного материала. Это определяет высокое содержание взвешенного вещества в водах заливов и их очень низкую прозрачность. Макрофиты встречаются здесь достаточно фрагментарно. Заливы Степового и Абросимова (о-в Южный), напротив, обладают обширными мелководьями с глубиной от 5 до 30 м, что способствует развитию богатых поселений макрофитов. За счет впадения нескольких рек данные заливы характеризуются смешанным типом питания. При этом для всех заливов характерен активный водообмен с прилегающей акваторией Карского моря (Недоспасов, Поярков, 2021).

В судовой лаборатории талломы водорослей тщательно промывали фильтрованной морской водой (Millipore, ∅ 0.45 мкм) для удаления слизи и ассоциированных с ней частиц органоминерального детрита. Затем пробы дважды промывали дистиллированной водой и однократно Milli-Q, высушивали в сушильном шкафу при температуре 50°С до постоянной массы и хранили в герметичных контейнерах. В стационарной лаборатории пробы водорослей измельчали в шаровой агатовой мельнице и разделяли на 5 равных частей. В каждом заливе было отобрано по 3 образца соответствующего вида водорослей.

Содержание золы определяли гравиметрическим методом. Пробы водорослей нагревали при температуре 225 ± 25°С в течение 1 ч, а затем сжигали при температуре 525 ± 25°С в течение 5 ч (Лобус и др., 2020).

Содержание органического углерода (ОУ) рассчитывали по разности общего и неорганического углерода, концентрацию которых определяли высокотемпературным сжиганием на анализаторе TOC 5000-V-CPH с использованием приставки SSM-5000A (Shimadzu, Япония) по стандартной методике (Лобус, 2016; Lobus et al., 2019).

Общее содержание белков определяли спектрофотометрическим методом по Лоури (Postel et al., 2000), концентрацию липидов – гравиметрическим методом по Фолчу (Postel et al., 2000). Трехкратную экстракцию липидов проводили смесью растворителей метилен−метанол в соотношении 2 : 1 с использованием ультразвуковой бани “Branson-1210”. Нелипидные примеси удаляли 0.05% раствором CaCl2 (Лобус и др., 2018, 2020).

Содержание макро- (Na, Mg, P, S, K, Ca), микро- (Li, Be, B, Al, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Zn, Ga, As, Se, Rb, Sr, Mo, Ag, Cd, Sn, Sb, Cs, Ba, Re, Hg, Tl, Pb, Bi, Th, U) и редкоземельных элементов (Sc, Y, La, Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu) определяли, применяя методы атомно-эмиссионной спектрометрии и масс-спектрометрии с индуктивно связанной плазмой с использованием спектрометров iCAP-6500 Duo и Х-7 (Thermo Scientific, США). Разложение анализируемых образцов проводили в смеси концентрированных HNO3 и Н2О2 в соотношении 3 : 1 с использованием автоклава Анкон-АТ-2 (Россия) (Лобус, 2016; Lobus et al., 2019). Пределы обнаружения содержания элементов представлены в таблицах 2–4. Для каждой пробы анализ содержания золы, белков, липидов, органического углерода и химических элементов выполнен в трех повторностях. Концентрацию определяемых показателей для отдельной пробы рассчитывали как среднее значение по трем параллельным измерениям.

Таблица 1.  

Содержание органического углерода, золы, белков и липидов (в % сух. массы) в Laminaria digitata и Fucus distichus из заливов архипелага Новая Земля

Соединение Laminaria digitata Fucus distichus
зал. Благополучия зал. Степового зал. Абросимова среднее* зал. Цивольки зал. Степового зал. Абросимова среднее*
ОУ 32.92 29.18 32.21 33.77 ± 3.19 34.89 36.54 33.68 35.04 ± 1.02
Зола 20.05 32.08 24.22 25.45 ± 4.32 15.02 14.92 20.37 16.77 ± 2.21
Белки 4.31 9.03 6.47 6.60 ± 1.67 5.94 6.01 9.77 7.24 ± 1.55
Липиды 1.31 1.01 1.49 1.27 ± 0.17 2.52 3.21 1.63 2.45 ± 0.56

Примечание (здесь и далее): * среднее значение и стандартная ошибка.

Таблица 2.  

Концентрация макроэлементов (в % сух. массы) в Laminaria digitata и Fucus distichus из заливов архипелага Новая Земля

Элемент п/о
×10-4		 Laminaria digitata Fucus distichus
зал. Благополучия зал. Степового зал. Абросимова среднее зал. Цивольки зал. Степового зал. Абросимова среднее
Na 1 1.85 2.83 1.71 2.13 ± 0.44 2.12 0.91 2.95 1.99 ± 0.72
Mg 0.2 0.46 0.85 0.64 0.65 ± 0.14 0.81 0.84 0.87 0.84 ± 0.02
P 0.6 0.26 0.32 0.21 0.26 ± 0.04 0.11 0.10 0.25 0.15 ± 0.06
S 1 0.48 0.92 1.03 0.81 ± 0.21 1.93 1.78 2.18 1.96 ± 0.14
K 0.2 2.86 6.0 11.86 6.91 ± 3.23 1.65 3.36 6.54 3.85 ± 1.75
Ca 1 0.62 0.97 1.12 0.91 ± 0.18 1.35 1.66 1.54 1.52 ± 0.11
∑   6.53 11.88 16.53 11.65 ± 4.22 7.95 8.65 14.32 10.31 ± 2.47

Примечание (здесь и далее): п/о – предел обнаружения.

Таблица 3.  

Концентрация микроэлементов (в мкг/г сух. массы) в Laminaria digitata и Fucus distichus из заливов архипелага Новая Земля

Элемент п/о Laminaria digitata Fucus distichus
зал. Благополучия зал. Степового зал. Абросимова среднее зал. Цивольки зал. Степового зал. Абросимова среднее
Li 0.0004 0.26 0.57 0.52 0.45 ± 0.12 0.61 0.32 0.63 0.52 ± 0.12
Be 0.0001 0.0014 <п/о 0.011 – 0.03 0.012 0.012 0.02 ± 0.01
B 0.04 91.86 113 110 105.9 ± 8.1 67.1 147 101 105 ± 28.4
Al 0.1 27.1 44.2 231 100.5 ± 80.2 510 280 327 372.2 ± 85.6
Ti 0.03 <п/о <п/о <п/о – 5.6 7.4 7.6 6.9 ± 0.78
V 0.07 <п/о <п/о 2.8 – <п/о <п/о 5.5 –
Cr 0.04 <п/о 0.8 1.3 – 1.05 1.12 1.51 1.22 ± 0.16
Mn 0.02 5.47 28.1 198.8 77.51 ± 75.7 82.87 61.1 90.2 78.1 ± 10.7
Fe 0.4 32.5 125.3 301.4 152.8 ± 96.5 489 214 1276 660 ± 390
Co 0.01 0.24 0.52 2.7 1.16 ± 0.95 5.12 2.14 2.83 3.33 ± 1.12
Ni 0.03 0.42 0.91 2.1 1.15 ± 0.63 11.3 5.9 5.1 7.43 ± 2.39
Cu 0.01 1.22 9.63 <п/о – 10.1 4.9 6.2 7.08 ± 1.9
Zn 0.09 26.6 65.9 85.5 59.3 ± 21.2 173.7 61.6 67.1 100.8 ± 44.7
Ga 0.003 0.02 <п/о <п/о – 0.14 0.11 0.11 0.12 ± 0.02
As 0.005 79.88 127.3 96.2 101.2 ± 17.1 31.33 49.1 66.8 49.1 ± 12.54
Se 0.02 0.12 0.83 1.61 0.85 ± 0.53 0.52 0.73 0.78 0.68 ± 0.12
Rb 0.003 22.3 23.1 40.3 28.51 ± 7.21 12.5 30.2 22.2 21.61 ± 6.25
Sr 0.03 307.6 1280 768.3 785 ± 344 1237 1393 1291 1307 ± 56
Mo 0.004 0.18 0.19 0.53 0.31 ± 0.14 0.28 0.51 0.6 0.46 ± 0.12
Ag 0.002 0.013 0.95 1.18 0.71 ± 0.44 0.12 0.15 0.094 0.12 ± 0.02
Cd 0.001 2.3 0.32 0.79 1.14 ± 0.73 0.53 0.35 0.64 0.51 ± 0.1
Sn 0.005 0.011 <п/о <п/о – 0.02 0.022 <п/о –
Sb 0.001 0.023 <п/о <п/о – 0.14 0.16 0.15 0.15 ± 0.01
Cs 0.0001 0.04 0.04 0.07 0.05 ± 0.01 0.07 0.075 0.066 0.07 ± 0.001
Ba 0.01 3.82 17.3 15.6 12.25 ± 5.2 83.84 18.7 27.9 43.5 ± 24.9
Re 0.0003 0.004 0.063 0.019 0.035 ± 0.02 0.05 0.007 <п/о –
Hg 0.001 0.018 <п/о <п/о – 0.02 0.0094 0.016 0.015 ± 0.004
Tl 0.0001 0.0015 0.006 0.021 0.01 ± 0.008 0.008 0.0084 0.011 0.009 ± 0.001
Pb 0.005 0.42 0.55 3.18 1.38 ± 1.11 1.28 0.34 0.72 0.78 ± 0.33
Bi 0.0004 0.002 <п/о 0.024 – 0.009 0.0045 0.009 0.008 ± 0.002
Th 0.0007 0.012 <п/о 0.018 – 0.056 0.031 0.042 0.043 ± 0.009
U 0.0003 0.32 0.11 0.16 0.18 ± 0.08 2.37 2.12 0.53 1.65 ± 0.69
∑   602.7 1838.7 1863 1435 ± 510 2726 2281 3301 2770 ± 361

Примечание (здесь и далее): прочерк – среднее значение не рассчитывали.

Таблица 4.  

Концентрация скандия, иттрия и редкоземельных элементов (в нг/г сух. массы) в Laminaria digitata и Fucus distichus из заливов архипелага Новая Земля

Элемент п/о Laminaria digitata Fucus distichus
зал. Благополучия зал. Степового зал. Абросимова среднее зал. Цивольки зал. Степового зал. Абросимова среднее
Sc 10 60 <п/о <п/о – 330 268 288 295 ± 22
Y 2 27 89 177 98 ± 53 930 1311 1198 1146 ± 139
La 1.5 90 105 295 162 ± 81 460 949 957 788 ± 201
Ce 0.4 210 364 2085 886 ± 736 840 1219 1583 1214 ± 263
Pr 0.1 13 17 55 28 ± 16 110 246 250 202 ± 56
Nd 0.2 47 93 248 129 ± 74 540 1052 1123 905 ± 225
Sm 0.2 7 15 46 23 ± 15 150 243 257 217 ± 41
Eu 0.3 2 <п/о 10 – 50 62 72 62 ± 8
Gd 0.3 7 19 49 25 ± 15 180 295 303 259 ± 49
Tb 0.2 1 <п/о <п/о – 30 41 43 38 ± 5
Dy 0.3 5 15 41 20 ± 13 160 230 226 205 ± 28
Ho 0.3 1.2 <п/о <п/о – 30 43 43 39 ± 5
Er 0.2 4 <п/о 26 – 100 125 121 115 ± 9
Tm 0.2 1 <п/о <п/о – 10 15 14 13 ± 2
Yb 0.1 3 <п/о 18 – 100 94 97 97 ± 2
Lu 0.2 1 <п/о <п/о – 15 13 12 14 ± 1
∑   478 718 3050 1415 ± 1004 4035 6205 6587 5610 ± 973

Метрологический контроль полученных данных элементного анализа осуществляли с использованием стандартных сертифицированных образцов (Элодея канадская ГСО 8921-2007 ЭК-1; Листья табака восточного INCT-OBTL-5; Листья табака Вирджиния INCT-PVTL-5 и INCT-PVTL-6), которые случайным образом были распределены в каждой серии определений. Расхождение между сертифицированным и измеренным содержанием элементов во всех случаях находилось в пределах доверительных интервалов.

РЕЗУЛЬТАТЫ

Согласно полученным результатам, концентрация основных компонентов органического вещества у Fucus distichus была выше, а содержание золы было ниже, чем у Laminaria digitata (табл. 1). В элементном составе L. digitata и F. distichus наблюдались более существенные различия (табл. 2–4). Суммарная концентрация макроэлементов была примерно в 1.5 раза выше у L. digitata, тогда как общее содержание микро- и редкоземельных элементов было выше у F. distichus (приблизительно в 2–4 раза). При этом суммарная концентрация макро-, микро- и редкоземельных элементов в исследованных видах водорослей у Южного острова архипелага Новая Земля (заливы Степового и Абросимова) была выше, чем в водорослях, произраставших у Северного острова (заливы Благополучия и Цивольки).

ОБСУЖДЕНИЕ

Анализ полученных данных показал, что для химического состава бурых водорослей Laminaria digitata и Fucus distichus характерны как межвидовые, так и биотопические различия. Средняя концентрация белков, липидов и органического углерода, а также диапазон варьирования и видовые особенности содержания этих соединений в целом сопоставимы с ранее опубликованными данными. Среди бурых водорослей ламинариевые считаются наиболее богатым источником минеральных веществ и, по нашим данным, макроэлементов, а фукусовые могут служить источником разных биологически активных соединений (Боголицын и др., 2012).

Содержание золы и макроэлементов было более высоким в L. digitata, однако для F. distichus было характерно более интенсивное биоаккумулирование широкого спектра микро- и редкоземельных элементов. Вероятно, это связано с различиями в накоплении разных групп элементов у гидробионтов (Лобус и др., 2018; Lobus et al., 2019), а также с разной биологической потребностью в данных элементах у двух совместно обитающих видов водорослей (Саенко, 1992; Христофорова, Чернова, 2005). Наряду с этим у L. digitata и F. distichus отмечены сходные закономерности в формировании элементного состава, связанные с характером биотопа. В настоящее время нет оснований полагать, что концентрация и/или биодоступность растворенных форм элементов в заливах Степового и Абросимова выше, чем в заливах Благополучия и Цивольки (Лобус, 2016). Вероятно, установленные нами биотопические различия связаны с влиянием абиотических факторов среды на накопление элементов макрофитами и/или с химическим составом субстрата, к которому прикреплялись талломы исследованных водорослей (Саенко, 1992).

Несмотря на длительную историю изучения химического состава морских макрофитов, полученные результаты впервые дают комплексное представление о содержании широкого спектра макро-, микро- и редкоземельных элементов в двух видах бурых водорослей, обитающих в арктических условиях. В дальнейшем полученные сведения могут быть использованы при формировании баз данных химического состава живых организмов моря, для оценки динамики и флуктуации морских экосистем в изменяющихся климатических условиях среды, а также при проведении экологического мониторинга и разработке основ безопасности применения водорослей в качестве потенциальных природных источников функционального питания для человека и сельскохозяйственных животных.

Список литературы

  1. Боголицын К.Г., Каплицин П.А., Ульяновский Н.В. и др. Комплексное исследование химического состава бурых водорослей Белого моря // Химия растит. сырья. 2012. № 4. С. 153–160.

  2. Лобус Н.В. Элементный состав зоопланктона Карского моря и заливов восточного побережья Новой Земли // Океанология. 2016. Т. 56. № 6. С. 890–900.

  3. Лобус Н.В., Дриц А.В., Флинт М.В. Концентрирование химических элементов доминирующими видами копепод в эстуарии реки Обь и на прилежащем шельфе Карского моря // Океанология. 2018. Т. 58. № 3. С. 431–442.

  4. Лобус Н.В., Флинт М.В., Флерова Е.А. и др. Биохимический состав и содержание энергии в зоопланктоне Карского моря // Океанология. 2020. Т. 60. № 6. С. 889–898.

  5. Недоспасов А.А., Поярков С.Г. Особенности гидрофизической структуры и переноса вод в заливах Южного острова архипелага Новая Земля // Соврем. методы и средства океанол. исслед. 2021. Т. 1. С. 120–124.

  6. Саенко Г.Н. Металлы и галогены в морских организмах. М.: Наука. 1992. 200 с.

  7. Христофорова Н.К., Чернова Е.Н. Сравнение содержания тяжелых металлов в бурых водорослях и морских травах // Докл. Акад. наук. 2005. Т. 400. № 4. С. 571–573.

  8. Чернова Е.Н., Шулькин В.М. Концентрация металлов в воде и в водорослях: биоаккумуляционный фактор // Биол. моря. 2019. Т. 45. № 3. С. 177–187.

  9. Adeel M., Lee J.Y., Zain M. et al. Cryptic footprints of rare earth elements on natural resources and living organisms // Environ. Int. 2019. V. 127. P. 785–800.

  10. Gwenzi W., Mangori L., Danha C. et al. Sources, behavior, and environmental and human health risks of high-technology rare earth elements as emerging contaminants // Sci. Total Environ. 2018. V. 636. P. 299–313.

  11. Lobus N.V., Arashkevich E.G., Flerova E.A. Major, trace, and rare-earth elements in the zooplankton of the Laptev Sea in relation to community composition // Environ. Sci. Poll. Res. 2019. V. 26. № 22. P. 23044–23060.

  12. MacMillan G.A., Chételat J., Heath J.P. et al. Rare earth elements in freshwater, marine, and terrestrial ecosystems in the eastern Canadian Arctic // Environ. Sci. Process. Impacts. 2017. V.19. P. 336–1345.

  13. Pooja D., Kumar P., Singh P. et al. Sensors in Water Pollutants Monitoring: Role of Material. Singapore: Springer. 2020. 319 p.

  14. Postel L., Fock H., Hagen W. Biomass and abundance // Zooplankton Methodology Manual / Eds. Harris R., Wiebe P., Lenz J. et al. London: Academic Press. 2000. P. 83–192.

Дополнительные материалы отсутствуют.

Инструменты

следующая статья выпуска предыдущая статья выпуска содержание выпуска

Биология моря

Архивы выпусков Информация о журнале Отправить рукопись в журнал