Углеводы и липиды как составная часть органического вещества природных вод



страница1/11
Дата04.11.2016
Размер2.56 Mb.
  1   2   3   4   5   6   7   8   9   10   11


ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ

БЮДЖЕТНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ НАУКИ



ИНСТИТУТ ВОДНЫХ

ПРОБЛЕМ СЕВЕРА

КАРЕЛЬСКОГО НАУЧНОГО ЦЕНТРА

РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК

На правах рукописи




Ефремова Татьяна Алексеевна

Углеводы и липиды как составная часть органического вещества природных вод

Специальность: 25.00.27 «Гидрология суши, водные ресурсы, гидрохимия»

Диссертация на соискание ученой степени кандидата

химических наук


Научный руководитель

д.х.н. П.А. Лозовик

Петрозаводск-2016 г.

СОДЕРЖАНИЕ Стр.
ВВЕДЕНИЕ………………………………………………………………………….….4

1. УГЛЕВОДЫ И ЛИПИДЫ В МОРСКИХ И КОНТИНЕНТАЛЬНЫХ ВОДНЫХ ОБЪЕКТАХ (ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР)…………………………………………….9



    1. Классификация, структура и свойства углеводов………………….................9

1.2. Углеводы основных продуцентов органического вещества в морских и пресных водах…………………………………………………………………….…..16

1.3. Содержание углеводов в морских, пресных водах и во взвеси……………….20

1.4. Классификация, структура и свойства липидов……………………………….30

1.5. Липиды в пресноводных и морских организмах………………………………36

1.6. Липиды в морских и поверхностных водах…………………………………....45
2. МЕТОДЫ И ОБЪЕКТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ………………………………..……53

2.1. Методы химического анализа воды и статистической обработки данных

…………………………………………………………………………………...……..53

2.2. Объекты исследования, периоды наблюдений, станции и методика отбора проб воды ………………………………………………………………………….....57

2.3. Краткая гидрохимическая и гидробиологическая характеристика объектов исследования…………………………………………………………………….……61
3. МОДИФИКАЦИЯ МЕТОДИК ОПРЕДЕЛЕНИЯ УГЛЕВОДОВ И ЛИПИДОВ В ПРИРОДНЫХ ВОДАХ………………………………………………………………74

3.1. Сравнительный анализ методов количественного определения углеводов и липидов в поверхностных водах…………………………………………………….74

3.2. Модификация методики определения углеводов с L-триптофаном………….81

3.3. Модификация методики определения липидов с фосфованилиновым реактивом…………………………………………………………………………...…87

4. ОБЩИЕ, СВЯЗАННЫЕ, СВОБОДНЫЕ И ВЗВЕШЕННЫЕ УГЛЕВОДЫ В ПОВЕРХНОСТНЫХ И МОРСКИХ ВОДАХ КАРЕЛИИ……………………..……96

4.1. Общие углеводы и их сезонная динамика……………………………..…….....96

4.2. Связанные, свободные и взвешенные углеводы в поверхностных водах…106

4.3. Углеводы в водах Онежского и Ладожского озер и Белом море…………………………………………………………………………………..116


5. ЛИПИДЫ В ПРИРОДНЫХ ВОДАХ КАРЕЛИИ……………………………….128

5.1. Содержание и распределение липидов в поверхностных водах Карелии…..128

5.2. Липиды в водах больших озер (Онежское, Ладожское) и в Белом море……………………………………………………………………….…………..142

5.3. Соотношение углеводов и липидов в природных водах……………………..148

ЗАКЛЮЧЕНИЕ………………………………………………………………………150

ЛИТЕРАТУРА……………………………………………………………………….152

Введение
Актуальность темы. Органическое вещество (ОВ) играет важную роль в водных экосистемах. Благодаря его образованию обеспечиваются пищевые потребности живых организмов, оно способствует миграции химических элементов в водной среде и во многом определяет качество воды. В водных экосистемах фитопланктон и микрофитобентос относятся к основным продуцентами ОВ, и именно этой группе организмов принадлежит доминирующая роль в формировании «глобальной первичной продукции» (Раймонд, 1983; Саут Уиттик, 1990). Изучение состава ОВ необходимо для познания цикла углерода в биосфере (Вернадский, 1965). Органические соединения связывают биотическую и абиотическую части экосистем, осуществляя непрерывный обмен вещества и энергии в природе. Из этих соединений построены клетки всех живых организмов. ОВ природных вод является продуктами жизнедеятельности одних представителей биоты и пищевыми субстратами для других. Источниками углеводов и липидов в морских и пресных континентальных водоемах являются все автотрофные организмы, а также гетеротрофы, в результате жизнедеятельности которых в водную среду выделяются эти соединения. Углеводы могут поступать со сточными водами предприятий пищевой и целлюлозно-бумажной промышленности и в составе аллохтонного ОВ с водосбора (Шаова, 1971). Паводковые воды и атмосферные осадки вымывают углеводы из почв, которые представляют собой мощный аккумулятор органических соединений, образующихся в результате биохимического разложения растительных и животных организмов (Кононова, 1963; Орлов, 1990). Накопление в водоемах ОВ, в том числе углеводов и липидов, происходит за счет выделения в среду продуктов ассимиляции клеток фитопланктона в процессе их роста и в результате прижизненного выделения водных организмов (Пименова и др., 1966; Горюнова, 1966, 1969; Максимова, Пименова, 1969; Басова, 2003).

Исследование углеводов и липидов в водных экосистемах представляет интерес во многих отношениях. Во-первых, эти соединения отражают функционирование водных экосистем, поскольку их образование в водоемах связано, как с жизнедеятельностью живых организмов, так и со средой обитания. Во-вторых, они оказывают влияние на круговорот ОВ в водоемах. Углеводы – первичные продукты фотосинтеза, а липиды образуются биохимическим путем в живых и растительных организмах и поступают в водную среду при их жизнедеятельности, а также в результате лизиса и автолиза. В-третьих, углеводы и липиды являются основными классами естественного ОВ в незагрязненных водоемах, и наблюдения за их содержанием должно входить в программу экологического мониторинга.



Степень разработанности. В литературе имеются обширные сведения о содержании, распределении и трансформации углеводов и липидов в морских водах (Агатова и др. 1994; 2002; 2004; 2011; Беляева, 1993; 2004; Беляева, Романкевич, 1976; Jeffrey, 1970; Hedges, 1992; Saliot, Marty, 1988; и др.) и довольно ограниченные для поверхностных (Агатова и др., 2004; Бикбулатов, Скопинцев, 1974; Сабылина, Семенов, 1981; Holm-Hanses, 1972 и др.). Распределение и формы нахождения в этих водах до настоящего времени остаются мало изученными. Связано это с тем, что для поверхностных вод отсутствуют надежные методы количественного опреления углеводов и липидов. В этой связи пришлось модифицировать методики, используемые для морских вод применительно к поверхностным и прежде всего, учесть мешающие влияние гумусовых веществ. Это позволило в конечном итоге рассмотреть закономерности содержания, распределения и формы миграции углеводов и липидов в поверхностных водах.

Цель данной работы заключается в установлении закономерностей содержания, распределения и форм миграции углеводов и липидов в поверхностных водах гумидной зоны на примере водных объектов Карелии.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

1. Модифицировать методики определения углеводов и липидов для получения воспроизводимых и надежных результатов по их содержанию в природных водах;

2. Получить на новой методической основе данные о содержании углеводов и липидов в поверхностных водах Карелии и в Белом море;

3. Установить формы нахождения углеводов в поверхностных водах;

4. Исследовать распределение углеводов и липидов в поверхностных водах Карелии по сезонам года в зависимости от трофии и гумусности водных объектов;

5. Определить соотношение углеводов и липидов в природных водах и их вклад в баланс ОВ.



Научная новизна: 1) впервые на новой методической основе с использованием модифицированных автором методик уставлено содержание и распределение углеводов и липидов в водных объектах Карелии, включая Онежское, Ладожское озера и Белое море; 2) выявлены закономерности в распределении углеводов и липидов в водных объектах в зависимости от их гумусности и трофности; 3) показана взаимосвязь и взаимообусловленность углеводов и липидов в поверхностных водах и тесная связь содержания липидов с развитием биоты в водоемах.

Теоретическая и практическая значимость работы. Теоретическая значимость работы заключается в том, что впервые на новой методической основе установлены закономерности содержания, распределения и формы миграции углеводов и липидов в поверхностных водах гумидной зоны. Практическая значимость работы заключается в том, что по углеводам и липидам можно судить о функционировании водных экосистем.

Методология и методы исследования. Автор модифицировал методики определения углеводов (с L-триптофановым реактивом) и липидов (с фосфованилиновым реактивом) и лично определил их содержание в исследуемых пробах воды. Химические анализы воды (щелочность, БПК5, pH, NH4+, NO2-, NO3-, Nобщ,, Рмин, Робщ., перманганатная окисляемость (ПО), Сорг, цветность, СО2, О2, ХПК) выполнялись по аттестованным методикам в аккредитованной лаборатории гидрохимии и гидрогеологии ИВПС КарНЦ РАН. Все полученные данные по содержанию углеводов и липидов в природных водах (n=138) были статистически обработаны с помощью программы MS Office Exel. Были рассмотрены следующие параметры: среднее арифметическое, среднее геометрическое, медиана, первый квартиль, третий квартиль, стандартное отклонение, минимум и максимум.

Объектами исследования, включая Онежское, Ладожское озера и Белое море являлись разнотипные водные объекты Карелии (30 озера и 2 реки), наблюдения на которых проводились в различные гидрологические сезоны.

Положения, выносимые на защиту:

  1. Модифицированные спектрофотометрические методики определения в поверхностных водах углеводов с L-триптофаном, липидов с фосфованилиновым реактивом, позволившие получать воспроизводимые результаты анализа. Предложено изменить условия проведения реакций (осуществлять одновременно анализ стандартных растворов и проб воды с добавками и без добавки стандартных веществ и расчитывать содержание углеводов и липидов в воде с учетом особенностей проведения анализа);

  2. Установленные на новой методической основе распределение и содержание углеводов и липидов в поверхностных водах Карелии, Онежском, Ладожском озерах и в Белом море;

  3. Выявленные формы содержания углеводов в поверхностных водах: связанные в составе аллохтонного ОВ, свободные как компонент автохтонного ОВ и взвешенные, входящие в обе группы веществ;

Соотношение углеводов и липидов в поверхностных водах и их вклад в баланс ОВ.

Степень достоверности и апробация результатов обес­пе­чи­ва­лась ис­поль­зо­ва­ни­ем со­вре­мен­ных ме­то­дов ана­ли­за и об­ра­бот­ки ре­зуль­та­тов, вы­пол­нен­ных в со­от­вет­ст­вии с дей­ст­вую­щей нор­ма­тив­ной до­ку­мен­та­ци­ей (ГОСТ, РД, ПНД Ф и др.), про­вер­кой их на вос­про­из­во­ди­мость, а так­же от­сут­ст­ви­ем про­ти­во­ре­чий с те­ми све­де­ния­ми, ко­то­рые бы­ли из­вест­ны ра­нее.

Основные материалы диссертационной работы представлены и обсуждены на IV-ой Школе-конференции молодых ученых с международным участием «Водная среда и природно-территориальные комплексы: исследование, использование, охрана» (Петрозаводск, 2011), V Всероссийском симпозиуме с международным участием «Органическое вещество и биогенные элементы во внутренних водоемах и морских водах» (Петрозаводск, 2012), 3-ей научной конференции с международным участием «Химия – 2013. Физическая химия. Аналитическая химия. Нанохимия. Теория, эксперимент, практика, преподавание» (Москва, 2013), 66-ой научной школе-конференции студентов, аспирантов и молодых ученых “Науки о Земле: Задачи молодых» (Петрозаводск, 2014), школа-конференция «Моря, озера и трансграничные водосборы России, Финляндии и Эстонии» (Петрозаводск, 2014), V всероссийской научной конференции с международным участием «Экологические проблемы Северных регионов и пути их решения» (Апатиты, 2014), Четвертой Всероссийской научной конференции с международным участием «Фундаментальные проблемы воды и водных ресурсов» (Москва, 2015), научной конференции с международным участием «Современные проблемы гидрохимии и мониторинга качества поверхностных вод» (Ростов-на-Дону, 2015).



Благодарности. Автор выражает глубокую искреннюю благодарность за неоценимую помощь в работе над диссертацией, ценные советы и рекомендации своему научному руководителю д.х.н. П.А. Лозовику. Автор признателен к.х.н. Сабылиной А.В., к.х.н. Рыжакову А.В. и сотрудникам лаборатории гидрохимии и гидрогеологии и гидробиологии ИВПС КарНЦ РАН за помощь в работе и ценные советы при обсуждении полученных результатов.

Глава 1. Углеводы и липиды в морских и континентальных водных объектах (литературный обзор)



    1. Классификация, структура и свойства углеводов

Среди ОВ биосферы углеводы и их производные занимают исключительное место. В составе углеводов есть вещества низкомолекулярные и высокомолекулярные, кристаллические и аморфные, растворимые в воде и нерастворимые, способные легко окисляться и сравнительно устойчивые к окислению. Углеводы включают в себя соединения самого различного молекулярного веса: от низкомолекулярных веществ, содержащих всего несколько атомов углерода (моно – и олигосахариды) до полисахаридов с молекулярным весом, достигающим несколько миллионов.



Углево́ды (сахара́, сахариды) — органические вещества, содержащие карбонильную группу и несколько гидроксильных групп. Название класса соединений происходит от слов «гидраты углерода», оно было впервые предложено К. Шмидтом в 1844 году. Появление такого названия связано с тем, что первые из известных науке углеводов описывались брутто-формулой Cx(H2O)y, формально являясь соединениями углерода и воды.

Углеводы принято делить на три класса: моносахариды, олигосахариды и полисахариды, которые по строению и свойствам подразделяются на ряд групп (рис.1.1.1.):



Моносахариды (полиоксиальдегиды, полиоксикетоны) различаются числом углеродных атомов, наличием альдегидной или кетонной групп, структурной и пространственной изомерией. Важнейшими из них являются природные пентозы и гексозы, содержащие альдегидную группу и имеющие D-стереоконфигурацию. L-изомеры могут быть получены синтетически или разделением рацемических смесей.

Рис. 1.1. 1. Классификация углеводов
Также, моносахариды могут образовывать циклические пяти- или шестичленные формы – фуранозы и пиранозы соответственно и образующиеся самопроизвольно в результате α-окси-оксо (цикло-цепной) таутомерии. Кроме того, такие циклические формы отличаются пространственным расположением полуацетального гидроксила, который отсутствует в циклических формах, что дополнительно увеличивает число стереоизомеров вдвое за счет α- и β-форм. В α-формах полуацетальный гидроксил расположен по одну сторону от плоскости кольца с тем гидроксилом, который определяет принадлежность моносахарида к D- или L-ряду, а в β-формах - в противоположной стороне. Таким образом, важнейшие пентозы и гексозы имеют 5 таутомеров (две пиранозные – α и β, две фуранозные - α и β и одну цепную).

Моносахариды представляют собой твердые бесцветные вещества, они гигроскопичны, хорошо растворяются в воде, в растворе имеют нейтральную среду, сладкие на вкус. Растворы моносахаридов оптически активны. Моносахариды хуже растворяются в спиртах, и совсем плохо в неполярных растворителях.

Моносахариды достаточно реакционно-способные вещества. Их активность обусловлена наличием нескольких функциональных групп – альдегидной или кетонной, гидроксильными (спиртовыми) группами и одной полуацетальной (в циклических формах). Соответственно различают реакции по карбонильной группе, гидроксильным (спиртовым) группам и полуацетальной группе. К первой группе реакций относятся: окисление альдегидной группы до карбоксильной и нуклеофильное присоединение (например, образование гидразонов, оксимов и т.д.). Во вторую группу реакций входят процессы, протекающие по спиртовым гидроксилам – это образование комплексов (хелатов) с ионами металлов (например, Сu2+), простых и сложных эфиров (ацетатов, фосфатов и др.). Важнейшими реакциями по полуацетальной группе является получение гликозидов.

Олигосахариды - это сложные углеводы, состоящие из небольшого числа одинаковых или разных моносахаридных звеньев. Их свойства напоминают свойства моносахаридов, что и делает их достаточно близкими веществами. Важнейшими олигосахаридами являются дисахариды – мальтоза и сахароза. Первая состоит из двух остатков α –D-глюкопиранозы, а вторая – из одного остатка α-D-глюкопиранозы, и одного – β-D-фруктофуранозы.

мальтоза сахароза


По своей химической природе ди- и олигосахариды являются О-гликозидами, у которых атом водорода полуацетальной группы замещен остатком другого моносахарида, поэтому основная форма этих углеводов – циклическая. И только последний цикл в цепочке может равновесно раскрываться с образованием карбонильной группы. Если эта группа является альдегидной, то олигосахарид может окисляться, т.е. быть восстанавливающим (например, мальтоза), в случае кетонной группы этого не происходит (как у фруктозы). Другие физические и химические свойства ди- и олигосахаридов также соответствуют свойства моносахаридов – это взаимодействие с нуклеофильными реагентами, образование простых и сложных эфиров, гликозидов, хелатных соединений с ионами металлов. Олигосахариды достаточно легко гидролизуются до составляющих их моносахаридов в кислой среде, но они относительно устойчивы к действию щелочи.

Полисахариды - несахароподобные сложные углеводы, которые имеют наиболее сложный состав и строение. Они содержат сотни и даже тысячи остатков моносахаридов. Различают гомополисахариды, состоящие из одинаковых остатков и гетерополисахариды, в состав которых входят разные моносахариды. Кроме того, полисахариды бывают как линейными, состоящими из одной цепи, так и разветвленными с боковыми ответвлениями от главной цепи. Существуют и более сложные структуры гетерополисахаридов. По химической природе полисахариды, как и олигосахариды, относятся к О-гликозидам и моносахариды в них существуют исключительно в циклических пиранозных (реже в фуранозных) формах. Однако физические и химические свойства их кардинально отличаются от свойств более простых (сахароподобных) углеводов. Большинство из них нерастворимо в воде, либо образуют с ней гетерогенные системы – гели и коллоидные растворы; они не имеют вкуса, не способны окисляться в мягких условиях, не дают комплексы с ионами переходных металлов, хотя могут образовывать производные по спиртовым группам – алкилпроизводные, ацетаты, нитраты, сульфаты и др. Гидролиз полисахаридов протекает в достаточно жестких условиях (длительное нагревание с крепкими неорганическими кислотами), причем полимеры с α -гликозидными связями расщепляются легче, чем с β-гликозидными связями. Полисахариды в живых организмах выполняют резервную роль и выступают в качестве источника энергии, другая их функция – структурная.

Важнейшими гомополисахаридами являются крахмал, гликоген («животный крахмал») и клетчатка (целлюлоза). Все они состоят только из остатков глюкозы, но по-разному соединенных друг с другом.

Структура основного компонента крахмала амилозы - это длинные неразветвленные цепи α-глюкопиранозы, связанные α-1,4-гликозидной связью. В другом компоненте крахмала – амилопектине большинство моносахараидных звеньев также соединены α-1,4-гликозидной связью, но в точках разветвлений цепи находятся α-1,6-гликозидные связи (а также небольшое количество других связей). Гликоген в целом напоминает аминопектин, только для него характерна более сложная разветвленная структура, содержащая вторичные и третичные боковые цепи. Целлюлоза или клетчатка представляет собой основное вещество растительного мира. Около 60 % древесины состоит из нее. Связь между остатками глюкозы в ней является β-1,4-гликозидной, что и обуславливает высокую механическую и химическую устойчивость этого полимера.

К гетерополисахаридам относят многочисленные соединения (мукополисахариды), содержащие кроме моносахаридных звеньев остатки аминоспиртов, уроновых кислот и других веществ. Они выполняют важные биологические и физиологические функции, обладают высокой вязкостью. Важнейшими гетерополисахаридами являются гиалуроновая кислота (она входит в состав соединений ткани, суставной жидкости, стекловидном теле), гепарин (содержится в печени, мышцах, легких и участвует в регулировании обмена липидов, а также препятствует свертываемости крови), хондроитинсульфаты (содержатся в костной ткани, коже, роговице и др.) (рис. 1.1.2).





Рис. 1.1.2. Строение некоторых сложных полисахаридов (гликозамино-гликанов).
Следует отметить, что углеводы также входят в состав сложных биополимеров, содержащих в качестве компонентов другие высокомолекулярные вещества – белки, липиды, и нуклеиновые кислоты, ковалентно или нековалентно связанные друг с другом - это гликопротеиды гликолипиды и гликонуклеотиды, имеющие исключительно важные функции в растительном и живом мире.

Основным продуцентом углеводов в поверхностных и морских водах является фитопланктон. Фитобентос играет значительную роль в продуцировании ОВ лишь в мелководных водоемах и в прибрежных районах озер, морей и океанов. Макрофиты являются также источниками автохтонного ОВ в прибрежных водах.

Углеводы являются первыми продуктами фотосинтеза. В уравнении фотосинтеза:

n CO2 + n H2O (СH2O)n + n O2

заключается основа существования жизни на Земле.

Цикл восстановления CO2 до углеводов состоит из четырех этапов: 1) карбоксилирования, 2) восстановления, 3) регенерация акцептора CO2, 4) синтез конечных продуктов. Конечным продуктом фотосинтеза в первую очередь принято считать моносахарид – фруктозо-1,6-дифосфат. В боковой ветви цикла Кальвина образуются липиды, аминокислоты и другие соединения (рис. 1.1.3.) (Ленинджер, 1974).

Рис. 1.1.3. Промежуточные и конечные продукты фотосинтеза

1.2. Углеводы основных продуцентов органического вещества в морских и пресных водах
Продуцируемое первичными продуцентами ОВ выделяется в воду в процессе их роста, старения и разложения. Парсонс, исследуя содержание белков, углеводов и липидов у 11 видов фитопланктона, пришел к заключению, что они в живой клетке находятся в соотношении 4:3:1 соответственно (Parsons, 1963).

Концентрация углеводов в водорослях зависит от вида и условий их роста, физиологического состояния организмов, концентрации CO2, биогенных элементов, освещения, температуры и др. факторов. Изменение экологических параметров (освещенности, температуры, концентрации химических веществ и др.) происходят больше всего по сезонам года. У всех исследованных водорослей общим является повышение содержания углеводов в их клетках при низких температурах воды, что обеспечивает организм энергией (Барашков, 1972; Раймонт, 1983). Энергия, которая высвобождается при окислении углеводов, запасается в макроэргических связях АТФ, этого универсального аккумулятора энергии. Позднее она расходуется для осуществления синтеза и других процессов жизнедеятельности организма (Шапиро, 2004; Хелдт, 2011). Так, у Lemaneonodosa в октябре содержание углеводов достигло 32%, а в конце зимы уменьшается до 15 % сухой массы (Laur, 1970). Многолетние исследования содержания углеводов в сине-зеленых водорослях днепровских водохранилищ показали, что сумма углеводов у Aph. flos-aquae и Anabaena flos-aquae равно соответственно 7,4 и 11,4 % от суммарного содержания ОВ. У Aph. flos-aquae и Microcytis airuqinosa концентрация углеводов может достигать в осенний период до 40 и 32 % сухой массы соответственно. У сублиторальных ламинариевых водорослей амплитуда осеннего максимума и весеннего минимума достигает более 15 % сухой массы (Барашков, 1972; Коровкина и др. 2007). Концентрация углеводов в темноте (исследовались диатомовые водоросли) возрастает, а в светлое время убывает (Костылев, 1973; Handa, 1969; Oijen, 2001). Бассон с соавторами (Basson et al., 1991) показали, что при увеличении концентрации тяжелых металлов (Cd, Ni) у эвгленовых водорослей [E. gracieis] понижается содержание углеводов.

Исследуя углеводный обмен фитопланктона Оиджен (Oijen, 2001) обнаружил, что в районе озера, где воду обогащали железом, концентрация глюкозы в клетках водорослей увеличивается. При недостатке содержания кремния в воде, как и при недостатке N и P, нарушается обмен веществ у фитопланктона. Так, после исключения кремнекислоты из среды при культивировании Cyclotella cryptic блокировался синтез белков, уменьшалось количество углеводов на одну треть, в клетках накапливались липиды (Werner, 1966).

В диатомовых водорослях содержание углеводов колеблется от 6 до 20 % на сухую массу клеток. Максимальные количества углеводов (20-24% сухой массы) найдено у культур Scelotonema costatum и Phacodactylum iricornutum (Parsons et al., 1961; Myklested, 2000).

Концентрация углеводов у сине-зеленых водорослей изменяется в очень широких интервалах - от 4 до 60 % сухой массы клеток. Столь значительные колебания в содержании углеводов у сине-зеленых водорослей объясняется не только физиологическим состоянием водорослей, фазами их роста, временем и местом сбора образцов, но тем, что значительную часть углеводного комплекса составляют экзогенные слизистые полисахариды, которые иногда доходят до 40 % ассимилированного углерода (Сиренко, Гавриленко, 1979). Количество их существенно изменяется в течение жизни. Молодые клетки водорослей менее ослизненные, чем старые (Горюнова и др., 1969; Помилуйко, Стаценко, 1973). Слизеподобные полисахариды, выделяемые сине-зелеными водорослями, подобны полисахаридам самих водорослей. По оценкам Хайлова (1971) внеклеточные выделения ОВ фитопланктоном составляют 15%, а у фитобентоса – 37 % от общего созданного ими ОВ.

В культуре перидиниевых водорослей (Amphidinium carteri и Exuviell sp.) концентрация углеводов может достигать до 42 % сухой массы (Parsons et al., 1961).

Среди высших водорослей бурые и красные содержат максимальное количество углеводов - 60-70 % сухой массы (Клочкова, Березовская, 1997; Облучинская, 2001; Усов и др., 2005; Коровкина и др., 2007; Шевченко и др., 2007).

Минимальное количество углеводов свойственно зоопланктону и зообентосу. Среднее содержание углеводов в морском зоопланктоне составляет 2 % от общего ОВ (Раймонт, 1988). Однако вместе с хитином их содержание может достигать до 10 % (Богоров, 1971; Raymont et al., 1968). В арктических копеподах среднее содержание углеводов составляет 4,3 % от сухой массы (Агатова, Богданов, 1970; Bhat, Wagh, 1992).

Грамположительные бактерии содержат до 70 % углеводов на сухую массу, а в грамотрицательных бактериях, которые преобладают в поверхностных и морских водах, их в 3 раза меньше (Кузнецов, 1970; Роуз, 1971).

Среди одноклеточных водорослей групповой и моносахаридный состав углеводов лучше всего изучен у диатомовых (табл.1.2.1) и сине-зеленых водорослях. Парсонсом (Parsons et al., 1963) и Хандом с сотрудниками (Handa, 1969) обнаружено, что в диатомовых водорослях углеводы в основном представлены полисахаридами (90 % от их общего количества). В отличие от сине-зеленых водорослей диатомовые водоросли содержат моносахариды в свободном состоянии (3-5 % сухой массы). Полисахариды подразделяются на водорастворимые продукты и водонерастворимые. Количество их в клетках водорослей представлены примерно поровну.

У сине-зеленых водорослей основным компонентом углеводного комплекса являются слизеподобные полисахариды, которые по составу ближе всего к углеводам бурых и красных водорослей. Они трудно гидролизуются, не способны к ацетилированию, гидрофобны (Барашков, 1972; Сиренко, Гавриленко, 1978). Исследуя полисахаридный состав бурых водорослей Облучинская (2001) и Коровкина с сотруд. (2007) обнаружили, что полисахарид – агар, может достигать в них до 60 % сухого вещества, а также наряду с ним и моннитол, альгиновая кислота и ламинарин. Гликоген является основным запасным углеводным соединением у сине-зеленых водорослей, что сближает их с бактериями и грибами. У сине-зеленых и диатомовых водорослей обнаружены остатки серной кислоты в виде сульфатированных полисахаридов, что также сближает их с бактериями (Барашков, 1972; Горюнова и др., 1969; Серенков, Пахомова, 1957; Myklested et al., 1974). У этих отделов водорослей сера в углеводном обмене, возможно, играет не меньшую роль, чем фосфор у высших растений.
Таблица 1.2.1.

Моносахаридный состав углеводов в диатомовом планктоне и морской воде

(% от суммы)


Объект

исследования



Гексозы

Пентозы




глюкоза

галактоза

манноза

рамноза

арабиноза

ксилоза

рибоза

фукоза

Планктон *

Chaeto-ceros sp.

34,7

18,5

8,3

29,5

отс.

4,2

7,5

отс.

Sceloto-nema costatum

74,1

8,1

3,9

4,5

отс.

отс.

5,4

4,0


Coscin-discus sp.

51,1

9,7

10,0

17,0

отс.

отс.

отс.

12,0

Морская вода **

Район Калифорнии

0, м

40,0

40,0

20,0

отс.

отс.

отс.

отс.

отс.

1990 м

43,7

9,6

38,2

5,1

3,7

отс.

отс.

отс.

3890 м

42,7

8,3

49,0

отс.

отс.

отс.

отс.

отс.

Черное море

(0-2000 м)

54,3

следы

45,6

следы

следы

следы

следы

отс.

* - по данным Parsons, 1963; Handa, 1969

** - по данным Старикова, Яблокова, 1972; Rittenberg et al., 1963; Degens et al., 1964


Исследования Ерохина (1972) показали, что меченые по 14С углероду метаболиты водорослей углеводной природы быстро включаются беспозвоночными (зоопланктоном) в их пластический и энергетический обмен. Меченый углерод был зарегистрирован в белках, липидах и в выделяемом при дыхании СО2.

Таким образом, продуценты и консументы ОВ (фито-, зоо- и бактериопланкон и высшие растения) содержат углеводы самой различной природы и различной степени устойчивости к разложению.

1.3. Содержание углеводов в морских, пресных водах и во взвеси
Впервые содержание углеводов было определено в 1950 г. Кольером с сотрудниками (Ерохин, 1972) в водах Мексиканского залива. Однако до начало 60-х годов прошлого столетия возникали трудности методического характера по определению содержания растворенных углеводов (УР) в воде и только благодаря появлению ряда простых спектрофотометрических методов их определение стало возможным.

В настоящее время имеется обширный материал о содержании УР в морских и океанских водах (Хайлов, 1971; Ерохин, 1972; Старикова, Яблокова, 1972; Агатова, Богданов, 1972; Артемьев, Мельников, 1974; Романкевич, 1977; Парсонс и др., 1982; Артемьев, 1993; Агатова и др., 1994, 1995; Агатова, Торгунова, 1998; Агатова и др., 2001; Агатова и др., 20051,2; Агатова и др., 2008, 2011; Лазарева, Романкевич, 2012; Parsons, Strikland, 1961; Josefsson et al, 1972; Handa et al., 1972; Johnson, Sieburth, 1977; Chevolot, 1988; Myklestad et al., 1989; Senior, Chevolot, 1991; Benner et al., 1992; Pakulski, Benner, 1994; Borsheim et al., 2005; Myklestad, Borsheim, 2007; Panagiotopouls, Sempere, 2005).

Концентрация УР в морских и океанских водах колеблется от следовых количеств до нескольких мг/л (табл. 1.3.1.). Большая часть (90-95 %) суммарных углеводов в морских и океанских водах находится в растворенной форме. Они являются одним из основных биохимических компонентов формирующим и поддерживающим водную экосистему (Романкевич, 1977; Парсонс и др., 1982; Агатова и др. 2011; Benner et al., 1992; Pakueski, Benner, 1994; Ponagiotopoulos, Sempere, 2005).

Углеводы составляют от 20 до 30 % от растворенного органического углерода в бассейне океанических поверхностных вод (Беннер и др.


1992; Пакульски, Беннер 1994), с количественным преобладанием полисахаридов (Lancelot & Billen, 1985).

Таблица 1.3.1.

Содержание растворимых углеводов в морских и океанских водах


Место отбора проб

Глубина, м

Содержание углеводов, мг/л

Метод определения

Литература

1

2

3

4

5

Шельфовая зона морей и океанов

Мексиканский залив

0 – 32

0.0 – 3.6

АН

Collir, 1950 (цит Ерохин, 1972)

Баренцево море, губа Дальне-Зеленецкая (заросли бурых водорослей)

0

0.5 – 3.0

АН

Ерохин, 1972

Шельф юго-западной Африки

0

25 – 50


100 – 130

2.20

1.7 – 1.8

1.3 – 1.6


ФСК

ФСК


ФСК

Артемьев, 1976


Шельф Перу

0.0

0 – 70


0.32

0.23 – 0.40



ФСК

Романкевич, 1977

Шельф северо-восточной части Черного моря

0
100

1.03 – 2.26

(12.7 - 21.9)*

0.87 – 2.27

(12.8 – 20.9)



ТФ
ТФ

Агатова и др., 2005

Шельф Сочи-Адлер

0

70


1.73 (16.6)

0.63 (6.2)



ТФ

ТФ


Агатова и др., 2005

Шельф Новороссийск-Геленжик

Черного моря



0

50

0 – 20



1.52 (14.9)

0.89 (8.9)

0.18


ТФ

ТФ

TPTZ



Агатова и др., 2005

Cauwet et al, 2002



Шельф восточной части Среднего Каспия

0 – 10

4.5 – 5.15

ТФ

Агатова и др., 2005,

Агатова и др., 2001



Шельф западной части Среднего Каспия

0 – 20

4.5 – 5.0

ТФ

Агатова и др., 2005,

Агатова и др., 2001



Глубоководные районы морей и океанов

Северо-восточная честь Тихого океана

0 – 100

0.27 – 1.31

АН

Parsons, Stickland, 1961

Продолжение табл. 1.3.1.

1

2

3

4

5

Тропическая часть Тихого океана

0

100


1000

5000


0.06 – 0.30

0.08 – 0.14

0.07 – 0.11

0.08 – 0.16



ФСК

ФСК


ФСК

ФСК


Агатова, Богданов, 1972

Курило-Камчат-ский склон

Тихого океана



0 – 1000

0.60 – 3.73

ФСК

Богданов, Шапошников, 1970

Черное море

0 – 2000

0.93 – 2.99

ФСК

Старикова, Яблокова, 1972

Море Сулу

10

10 – 3700



1.14

0.50 – 1.22



АН

АН


Люцерев и др., 1972

Юго-западная часть Атланти-ческого океана

0

0 – 5500



1.21 – 1.36

0.48 – 2.14



ФСК

ФСК


Артемьев, Мельников, 1974

Южная тропическая часть Индийского океана

0 – 10

0 – 2000


0.21 – 1.21

0.10 – 1.31



ФСК

ФСК


Артемьев, 1976

Океанская котловина Тихого океана

0 – 5000

0.5

ФСК

Артемьев, 1976

Западная экваториальная тропическая часть Тихого океана

0

0 – 4750



0.99 – 1.15

0.55 – 1.40



ФСК
ФСК

Романкевич, 1977

Восточная экваториально-тропическая часть Тихого океана

0 – 25

0 – 4500



0.32 – 0.71

0.10 – 0.91



ФСК

ФСК


Романкевич, 1977

Континентальный перуанский склон Тихого океана

0 – 10

0 – 3800



0.32 – 0.37

0.20 – 0.40



ФСК

ФСК


Романкевич, 1977

Аравийское море

0

0 – 300


0.22 – 1.23

0.05 – 0.43



ФСК

ФСК


Bhosle, 1989

Северная часть Тихого океана

0 – 500

0.3 – 1.5

МБТГ

Pakulski, Benner, 1994

Экваториальная часть Тихого океана

0 – 4000

0.3 – 1.2

МБТГ

Pakulski, Benner, 1994

Окончание табл. 1.3.1.

1

2

3

4

5

Мексиканский залив

10 – 500

0.6 – 1.5

МБТГ

Pakulski, Benner, 1994

Алеутская котловина Берингова моря

0 – 2500

1.7

ТФ

Агатова и др., 1995


Черное море

0 – 2000

2.6 – 4.75

(5 – 10)


ТФ

Агатова и др., 1995

Северный Каспий

0 – 50

2.70 – 10.60

(7.3 – 21)



ТФ

Агатова и др., 2001

Средний Каспий

0 – 200

2.01 – 7.62

(6.1 – 30)



ТФ

Агатова и др., 2005

Южный Каспий

0 – 900

0.53 – 5.52

(2.2 – 2.6)



ТФ

Агатова и др., 2005

Южная часть Балтийского моря

-

1,3-7,0

(16.2)


TPTZ

Görs et al., 2007

Средиземное море

-

0,05-0,38

TPTZ

Momzikoff et al., 2004

Черное море

0 – 20

0.8 – 1.8

TPTZ

Cauwet et al., 2002

Норвежское море

(средние данные за 1991 – 1993гг)



0

10

25



50

100 – 200

400 – 800

800 – 2000



0.34 (14)

0.34 (11.8)

0.32 (14.4)

0.29 (13.5)

0.25 (13)

0.23 (11.3)

0.21 (11)


TPTZ

TPTZ


TPTZ

TPTZ


TPTZ

TPTZ


TPTZ

Myklestad, Borsheim,

2007


Тропическая часть Индийского океана

0

10

60



100

200


0.26 (16.9)

0.41 (26.7)

0.95 (49.2)

0.23 (17.3)

0.56 (40)


ТФ, ФСК

ТФ, ФСК


ТФ, ФСК

ТФ, ФСК


ТФ, ФСК

Лазарева, Романкевич,

2012


Примечание:

АН – антронный метод;

ФСК – фенол-сернокислотный метод;

ТФ – триптофановый;

МБТГ – с 3-метил-2-бензотиазолингидразонгидрохлоридом;

TPTZ – с 2, 4, 6 трипиридил-с-триазином

* - в скобках приведен % содержания растворенных углеводов от суммарного растворенного ОВ (РОВ)
По данным Е.А. Романкевича и А.А. Ветрова (2001) максимальные концентрации растворенного Сорг, приуроченные к фотическому слою в Баренцевом море составляют ~ 320 мкМ/л (3,84 мг/л), Восточно-Сибирском и Чукотском морях Сорг в 2 раз меньше. В Беринговом море, куда поступают более продуктивные тихоокеанские воды, концентрация УР может достигать до 3 мг/л и составлять до 60 % от растворенного Сорг (Агатова и др., 2001; 2011; Benner et al., 1992). Концентрация УР в Беринговом море увеличивается с глубиной, что характерно и для других морей – Охотского, Баренцева, в которых обнаружены газо-нефтеносные районы. Рейд и Ожел (Reid, Orgel, 1967) показали, что интенсивное окисление нефтяных углеводородов метанового ряда в морях приводит к образованию альдегидов и кетонов, которые конденсируются до углеводоподобных соединений.

Концентрация УР в Белом море подвержена межгодовому изменению. Содержание их в продуктивный 1991 г. был в 2 раза выше, чем в менее продуктивные года – 1997, 1998 и 1999 гг. Концентрация УР в июне-июле 1991 г. по всей акватории моря изменялись от 2,3 до 8,2 мг/л, тогда как в 1997 - 1999 гг. максимальные концентрации их не превышали 3,5 мг/л (Агатова и др., 1994; Агатова и др., 2002).

Воды Каспийского моря более обогащены УР, чем воды Черного моря и особенно его прибрежные районы (см. табл. 1.4.1.). Однако процент содержания УР в составе растворенного ОВ в водах Черного моря выше, чем в Каспийском и может достигать до 47 % (Агатова и др., 20051).

В фотических слоях глубоководных и пелагических районов Тихого, Атлантического и Индийского океанов концентрация УР невысокая и колеблется в пределах 0,21-1,36 мг/л. В прибрежных районах этих океанов встречаются, как очень низкие концентрации УР (0,01 мг/л), так и высокие – 7,9 мг/л (Артемьев, 1976, 1993; Лазарева, Романкевич, 2012; Handa et al., 1972).

Общим для морских вод является преобладание растворенных полисахаридов над моносахаридами. Последние подвергаются быстрой утилизации гетеротрофными бактериями (Pakulski, Benner, 1994; Myklestad, Borsheim, 2007).

Как видно из табл. 1.3.2., средние концентрации моносахаридов и полисахаридов в Норвежском море максимальны в поверхностном слое. Отношение моно- к полисахаридам в слое 0-200 м выше, чем в глубинных слоях.

Таблица 1.3.2.

Средние концентрации моносахаридов и полисахаридов в Норвежском море (ст. 66 º с.ш. и 2º з.д.) на глубине 0-2000 м в течение января – ноября 1991-1993 гг. (Myklestad, Borsheim, 2007)


Углеводы, мг/л



Глубина, м




0

10

25

50-100

100-200

400-800

800-2000

Моносахариды

5,0

4,6

4,2

4,2

4,3

3,0

2,8

Полисахариды

8,5

9,1

8,5

6,7

6,0

6,6

5,7

Моно-/полиса-хариды

0,6

0,5

0,5

0,7

0,7

0,5

0,5
  1   2   3   4   5   6   7   8   9   10   11


База данных защищена авторским правом ©bezogr.ru 2016
обратиться к администрации

    Главная страница