Авторы: Свиряева Екатерина, Подкуйченко Никита, 11 класс, ГОУ СОШ № 171, ДНТТМ

Исследовательская работа:

«Влияние абиотических факторов на эффективность фотосинтеза и минерального обмена зеленой водоросли требуксия (Trebouxia)»

Доклад подготовлен для  XXV Московская научная конференция экологических экспедиционных отрядов.

Руководители: Смирнов Иван Алексеевич, методист, педагог дополнительного образования, к. б. н.

Год: 2010 г.

Требуксия (Trebouxia) – род зеленых водорослей из класса Trebouxiophyceae – наиболее частый симбионт в составе лишайников. Представители рода требуксия входят в состав почти 60% видов лишайников, а это более 10000 видов. Одиночные клетки водоросли имеют центральный массивный слегка лопастный хроматофор. Эти водоросли способны развиваться при минимальном освещении и существовать в полной темноте, переходя к гетеротрофному питанию. Некоторые виды встречаются во влажных местах на коре деревьев. Однако в свободноживущем состоянии требуксия практически неизвестна. До сих пор не до конца ясен характер отношений между требуксией и микобионтом лишайника, не до конца ясен механизм включения водоросли в состав лишайника. Для ответа на эти вопросы можно было бы использовать культуральные методы – вырастить лишайник в искусственных условиях, но из-за того, что лишайник – это сложная симбиотическая система работ по культивированию лишайников не так много, они очень трудоемки и длительны. Выходом может стать культивирование симбионтов лишайников по отдельности. Выделение и культивирование микобионта также представляет сложности и невозможно в школьных условиях. Зато выращивание водоросли значительно проще. Изучение биологических особенностей чистой культуры фотобионта может пролить свет на физиологические особенности водорослей, входящих в лишайник, и упростить процесс выращивания (синтеза) лишайников в искусственных условиях.

Цель: исследовать влияние абиотических факторов на эффективность фотосинтеза и минерального обмена зеленой водоросли требуксии.

Задачи работы:
1. Изучить влияние минерального состава среды на рост требуксии.
2. Изучить влияние освещенности на эффективность минерального обмена.
3. Изучить изменение pH питательной среды с течением времени при культивировании требуксии.
4. Изучить влияние изменения светового режима на pH питательной среды.

Гипотезы:
1. С течением времени электропроводность должна уменьшаться, так как водоросль расходует минеральные вещества (= электролиты) из питательной среды. Значит, чем лучше рост (интенсивнее минеральный обмен) культуры водоросли, тем ниже электропроводность.
2. В процессе фотосинтеза кислотность культуральной жидкости должна уменьшаться:
[H₂CO₃] → H₂O + CO₂ → C₆H₁₂O₆ + O₂↑

При нормальной жизнедеятельности водоросли процесс фотосинтеза преобладает над дыханием и рН должно увеличиваться. В ином случае рН должно снижаться.

Методика:

Культивирование зеленой водоросли требуксии проводили в модифицированной среде Краца-Майера. Для культивирования использовали качалочные колбы объемом 750 мл, в которых по 100мл среды и 50 мг культуры. Используются три среды: нормальная (№1); разбавленная в 2 раза (№2); разбавленная в 4 раза (№3). Прекультивирование проводили при световом режиме 14 часов в темноте, 8 на свету и каждую неделю в трех световых режимах 14 часов на свету, 8 часов в темноте; 24 часа свет; 24 часа темнота. Проводили измерения pH при особых световых условиях. По одной неделе: в нормальном суточном режиме (500 Лк.), при искусственном освещении (320 Лк.) и в полной темноте ( 0 Лк.). Повторность эксперимента 3-х кратная. Проводилась математическая обработка результатов, средних значений и стандартных отклонений. Измерение электропроводности проводили с помощью электронного измерителя электропроводности производства компании L-Микро. Рост водоросли требуксии измеряем по интенсивности окрашенности среды.

Результаты

Используя описанную методику с учетом гипотез были получены следующие результаты.

В течение первой недели наблюдений мы наблюдали постепенное снижение электропроводности, что согласуется с первоначальной гипотезой . Далее во всех вариантах сред со 2 по 8 неделю отмечено постепенное повышение этого параметра . С чем могут быть связаны данные тенденции? Возможно, с неблагоприятными условиями для роста водоросли? Изучение микроскопических препаратов показало хорошее состояние клеток в культуре . Вероятно надо искать другой вариант объяснения. Возможно увеличение электропроводности связано с выделением фотобионта в среду некоего вещества электролита (м. б. органической кислоты). Для симбионтов лишайников в литературе показано, что культуры водорослей могут выделять в среду продукты фотосинтеза, однако данных о выделении орг. кислот или других электролитов до сих пор не известно.

В результате наблюдения нашей водоросли в течение 8 недель наблюдали увеличение электропроводности. Данное увеличение противоречит начальной гипотезе. Мы предполагали, что электропроводность будет падать, вследствие расхода минеральных веществ на строительство новых клеток водоросли. Но по интенсивности окрашенности среды мы можем смело утверждать, что требуксия размножается и чувствует себя в данных условиях вполне нормально. Все результаты можно наблюдать на графике изменения электропроводности среды культивирования требуксии.

В первой колбе в течение всего периода наблюдения можно заметить увеличение электропроводности с небольшими «ямками» падения электропроводности. Во второй колбе в период с 11.02.2010 по 04.03.2010 можно заметить также увеличение электропроводности. Но в период с 04.03.2010. по 11.03.2010 электропроводность изменяется скачком с 1.693 сМс/cм по 2.086 сМс/cм. В период же с11.03.2010 по 06.04.2010 электропроводность продолжает медленно возрастать. Можно предположить, что 11.04.2010 также возможен скачок электропроводности среды, если этот процесс цикличен. Но также можно предположить, что данная колба попала в неблагоприятные условия, что вызвало смерть части колонии, вследствие чего электропродность совершает такой скачок.

В третьей колбе в течение всего периода наблюдений можно заметить увеличение электропроводности, но в отличие от колбы №1, в этой колбе электропроводность увеличивается монотонно. Можно сделать вывод, что электропроводность на свету продолжает увеличиваться так же монотонно, как и при суточном режиме освящения, что может свидетельствовать о том, что требуксия выделяет в окружающую среду больше электролитов, чем поглощает из нее. Это же мы можем сказать и о нахождении водоросли в темноте, только электропроводность при световом режиме 24 часа темноты увеличивается несколько медленнее, чем при режиме освещения 24 часа света.

Наибольшее значение электропроводности наблюдается при культивировании требуксии на протяжении 1 недели в темноте. Наименьшее – в условиях суточного режима освещения. Это говорит о том, что интенсивнее минеральный обмен проходит в суточном, а не световом режиме. Причина данной закономерности может быть связана с разницей в освещенности (300 и 500 Лк) и спектре (солнечный свет и флуоресцентная лампа) источников освещения в каждом из режимов.

При сравнении влияния 3 световых режимов на рН среды также отмечено, что самое большое значение pH достигается при суточном режиме освещения (чередование день/ночь), а самое маленькое – в темноте. Влияние светового режима на рост Требуксии (Trebouxia). Световые измерения проводились в течении недели каждый режим. Самое большое значение pH равнялось 8,49 при режиме круглосуточного освещения. При суточном режиме значение было 8,49, а при полной темноте 7,75. Из этого следует, что идеальный режим — это круглосуточное освещение, суточный — почти такой же, но темнота влияет отрицательно.

Изменение pH среды Требу́ксии (Trebouxia) с течением времени. Измерения проводились с 11 февраля по 1 апреля. С 11 по 12 февраля значения pH поднялись с 7,75 до 7,88, это значит, что водоросль начала успешно адаптироваться к новым условиям. С 13 февраля по 26 февраля значения pH постепенно уменьшались с 7,88 до 7, у водоросли неэффективно шел фотосинтез, она трудно адаптировалась к новым условиям. С 26 февраля началось резкое повышение значений pH, потом с 27 значения были почти постоянными: 7,4., 7,32., 7,3., 7,4., и так до 10 марта. С 10 марта по 18 марта значения стали резко повышаться с 7,49 до 8,48, водоросль успешно адаптировалась к новым условиям. Потом с 18 по 29 марта значения оставались постоянными на уровне 8,4-8,6. А с 29 марта значения pH снова стали расти. Выше написанное показывает, что водоросль нормально развивалась и фотосинтезировала.

При длительном культивировании водоросли наблюдали циклы чередования плавного увеличения и уменьшения рН среды (всего за время наблюдения отмечено 3 таких цикла). на слайде представлен первый из них. Заметно чередования 2 и 5 недельных фаз изменения рН. Можно предположить, что во время фазы убывания рН происходит интенсивное деление (и дыхание) клеток, что меняет направление указанной в гипотезе реакции. Во время фазы увеличения рН напротив идет рост и увеличение размеров клетки, а фотосинтез преобладает над дыханием. Если это так, то клеточный цикл требуксии длится около 7 недель (по литературным данным отмечено, что фотобионты делятся довольно редко).

С каждым циклом увеличивается максимальное значение рН, что в общем соответствует первоначальной гипотезе (гипотезе 2).

Выводы:

1. Характер изменения электропроводности питательной среды не зависит от концентрации минеральных веществ в среде: в течение первой недели наблюдается уменьшение, а после – увеличение электропроводности. Увеличение электропроводности может быть связано с выделением культурой соедиения-электролита в питательную среду.
2. Минеральный обмен и фотосинтез наименее интенсивны при культивировании в темноте. Наибольшая интенсивность как минерального обмена, так и фотосинтеза достигается при освещенности 500 Лк при суточном режиме освещения.
3. При развитии водоросли требуксии (Trebouxia) за исключением незначительного адаптационного периода pH среды за 8 недель повышаются с 7,75 до 8,6. Увеличение рН носит циклический характер, вероятно связанный с клеточным циклом водоросли, продолжительность которого составляет ~ 7 недель.