Как вырастить кораллы быстрее: Влияние различной концентрации щелочи на скорость фотосинтеза зооксантелл
10.11.2016
Разделы: Химия
Кораллы
Автор: Дана Риддл

Фотосинтез – это связующее звено между неорганическим и органическим мирами; хорошо известна важная роль, которую играют зооксантеллы в поддержании здоровья фотосинтетических кораллов. Кроме того, мы знаем, что интенсивность (скорость) фотосинтеза зависит от количества света, спектрального качества освещения и наличия питательных веществ (для наземных растений под «питательными веществами» обычно понимают азот, калий и фосфор и питательные микроэлементы, такие как железо, медь и ряд других). Неуказанный в списке, неорганический углерод (в форме углекислого газа) является важным питательным веществом, необходимым для роста растений и производства моносахаридов. В морских аквариумах такие питательные вещества, как азот и фосфор, обычно присутствуют в таком количестве, что зачастую необходимо применять способы для их удаления. Калий, при концентрации около 400 мг/л, также имеется в достаточном количестве, а питательные микроэлементы необходимо добавлять или восстанавливать их концентрацию посредством добавок или подмен воды. Так что с углеродом? И хотя, действительно, некоторое количество углекислого газа может присутствовать в аквариуме, и CO2, задействованный в дыхании кораллов, вполне может частично удовлетворить потребность в углероде для процесса фотосинтеза, часть углерода, используемого, как минимум, некоторыми зооксантеллами обеспечивается за счет бикарбоната, растворенного в аквариумной воде.

Словарь
· Углерод, неорганический: Существует несколько форм неорганического углерода, включая диоксид углерода (углекислый газ), двуокись углерода (угольная кислота/углекислота), бикарбонат и карбонат.
· Карбоангидраза: Энзим, который обратимо катализирует превращение углекислого газа в бикарбонат. Энзимы карбоангидразы могут быть расположены снаружи клетки (внешняя карбоангидраза). Энзимы, расположенные внутри клетки – внутренняя карбоангидраза.
· Клада: В нашем случае, это тип зооксантелл с общим предком; может значительно отличаться от других типов (клад). Некоторые кораллы развивались вместе с конкретными кладами зооксантелл, оставаясь верными конкретному типу.
· Щелочность: Способность раствора нейтрализовать кислоты. Щелочность может быть указана несколькими способами (мэкв/л, ppm, мг/л в виде карбоната кальция - CaCO3) но рифовые аквариумисты часто используют термин «степень карбонатной жесткости» (Degree Carbonate Hardness, dKH).
· мг/л: Миллиграмм на литр, что примерно соответствует числу частей на миллион (parts per million, ppm.)
· Фотосинтез: Превращение неорганического углерода в моносахариды (органический углерод). Углекислый газ или бикарбонат могут выступать в качестве источника неорганического углерода. Побочный продукт фотосинтеза – образующийся кислород.
· Скорость переноса (транспорта) электронов (Electron Transport Rate, ETR): Единица измерения скорости фотосинтеза. Частицы света (фотоны), будучи поглощенными фотохромными веществами - пигментами (хлорофиллом, дополнительными пигментами) становятся электронами и перемещаются (обычно) между фотосистемами. Низкий показатель ETR (низкая скорость переноса электронов) означает низкую эффективность фотосинтеза; высокий показатель ETR означает высокую интенсивность фотосинтеза. Если измеряется поглощение света, поток электронов называется ETR. Если не измеряется, то используется термин «относительная скорость переноса электронов» (Relative Electron Transport Rate, rETR).

Согласно закону Либиха, фотосинтез регулируется не концентрацией питательного вещества, имеющегося в большом количестве, а вещества, присутствующего в самом незначительном количестве – слабое звено будет определять интенсивность фотосинтеза. С этим фактом хорошо знакомы любители пресноводных систем, где регулярные добавки питательных веществ необходимы для предупреждения возникновения распространенной болезни растений, известной как хлороз. По сути, мы управляем созданной нами самими микросредой.

Рифовым аквариумистам необходимо регулярно проверять щелочность в системах по целому ряду причин. Щелочность выступает в качестве буфера (защиты) от уменьшения pH, что играет важную роль, потому что процесс нитрификации разрушает его. Карбонаты и кальций необходимы для формирования скелетов кораллов. Но как насчет роли щелочи в качестве источника неорганического углерода для фотосинтеза?

Для ответа на этот вопрос были проведены эксперименты, направленные на проверку гипотезы о том, что концентрация щелочи способна повлиять на интенсивность процесса фотосинтеза.

Методы и материалы

В натуральную морскую воду в 10-галлонном (38 л) аквариуме был добавлен гидроксид аммония (водный аммиак), и в результате процесса нитрификации (превращение аммиака в нитрат) щелочность упала до неестественно низкого уровня в течение нескольких недель. По окончании нитрования, половина воды была перемещена в пятигаллонный (19 л) аквариум с подставкой из пластмассового решетчатого материала. Фрагменты жесткого коралла Porites lobata (приклеенные на плашки) были установлены на эту подставку. Освещение обеспечивалось светодиодным светильником (с регулируемой яркостью), разработанным BuildMyLED (Остин, Техас, США) и его интенсивность поддерживалась на уровне частичного насыщения в 100 µmol·m²·sec, определяемого при помощи квантового измерителя LiCor и погружного датчика LI-192 2 (LiCor Biosciences, Линкольн, Небраска, США). Воду в этом аквариуме перемещал насос с регулируемой скоростью Tunze 6040 (Tunze Aquarientechnik GmbH, Германия).

PAM флюорометр (Junior PAM, Heinz Walz GmbH, Германия) с волоконно-оптическим кабелем измерял относительную интенсивность фотосинтеза (относительная скорость переноса электронов, rETR) зооксантелл коралла в условиях низкой, естественной, слегка повышенной и высокой щелочности. Концентрация щелочи повышалась посредством доступного на рынке буфера (буферного раствора) (Reef Builder, Seachem Laboratories, Мэдисон, Джорджия, США). Щелочность измерялась при помощи колориметра (Alkalinity Checker HI755, Hanna Instruments, Вунсокет, Род-Айленд, США) и перепроверялась посредством титрирования до pH 4.2 при помощи имеющегося в продаже титранта (титрующего вещества -1.6N серной кислоты) и цифрового титратора (Hach, Loveland, Колорадо, США).

Результаты

PAM флюорометрия подтвердила, что интенсивность фотосинтеза увеличивалась при повышении щелочности. См. Рисунок 1.

fig1.jpg
Рисунок 1. Интенсивность фотосинтеза (выраженная в относительной скорости переноса электронов) зооксантелл коралла Porites lobata при различной щелочности.
Для тех, кто предпочитает щелочность в dKH: 53 ppm = 2.968 dKH; 114 = 6.384; 155 = 8.68 и 215 = 12.04. 

Обсуждение

Результаты этих экспериментов показали, что интенсивность фотосинтеза можно увеличить примерно на 29% при повышении щелочности от «нормального» показателя (6.4 dKH) до более высокого (~12 dKH.)

Использование бикарбоната в качестве источника неорганического углерода для фотосинтеза может стать сюрпризом для некоторых аквариумистов. Несмотря на то, что мы считаем кораллы относительно простыми существами, биохимию их жизненных процессов никак нельзя назвать простой. Ниже приведены некоторые этапы, связанные с использованием бикарбоната в процессе фотосинтеза:

Карбоангидраза (CA): Карбоангидраза – это энзим, способный превращать бикарбонат в углекислый газ или углекислый газ в бикарбонат:

HCO3- + H+ ↔ CO2 + H2O

Как видим, этот энзим может быть полезным как для фотосинтетических процессов зооксантел, так и для кальцификации скелетов кораллов. Бикарбонат не так легко проходит через стенки клеток, тогда как углекислый газ – легко, поэтому внешняя карбоангидраза способна превратить бикарбонат в углекислый газ для облегчения прохождения через стенки клеток. Оказавшись внутри клетки, карбоангидраза проводит обратный процесс превращения в бикарбонат для предупреждения обратной диффузии. Активный транспорт бикарбоната (Bicarbonate Active Transport, BAT; см. ниже) переносит бикарбонат через мезоглею, где он снова превращается в углекислый газ при помощи карбоангидразы. Затем CO2 используется зооксантеллами. См. Рисунок 2.

Большинство карбоангидраз содержат цинк, хотя недавно было обнаружено, что некоторые энзимы, встречающиеся у морских диатомовых водорослей, содержат кадмий вместо цинка. Это первая известная нам полезная биологическая функция, где используется кадмий.

Карбоангидразы могут быть внешними (по отношению к клеточной оболочке) или внутренними.

image1.jpg
Рисунок 2. Использование бикарбоната (HCO3-) в качестве источника неорганического углерода для фотосинтеза. Процесс задействует энзимы карбоангидразы (внутренней или внешней) и «активный транспорт бикарбоната» (Zoccola et al., 2015). Энзим «внешней карбоангидразы» (наверху справа) крепится к клетке эктодермы коралла, что не отображается точно на данном рисунке. 

Активный транспорт бикарбоната (Bicarbonate Active Transport, BAT): BAT – это процесс, который выборочно перемещает бикарбонат через клеточную мембрану, которая в нормальном состоянии является полупроницаемой или, возможно, непроницаемой. Иногда называемый насосом бикарбоната, этот процесс способен перемещать ионы бикарбоната против градиента концентрации переносимого вещества. См. Рисунок 3.

image2.jpg
Рисунок 3. Активный и селективный транспорт бикарбоната через клеточную мембрану посредством активного транспорта бикарбоната (BAT.) Носитель принимает ион бикарбоната на этапе 1. На этапе 2, ион бикарбоната закрыт носителем, а на этапе 3 он выпускается во внутриклеточную жидкость. 

И хотя данный эксперимент демонстрирует, что на интенсивность фотосинтеза у Porites lobata может влиять концентрация ионов бикарбоната, существуют доказательства, что эта зависимость не распространяется на зооксантеллы всех кораллов.

Брейдинг (Brading et al., 2013) исследовал предпочтения двух клад зооксантелл в отношении неорганического углерода и отметил следующие различия. Было обнаружено, что клада зооксантелл A13 предпочитает поглощать и связывать углекислый газ, тогда как клада A20 способна использовать также и бикарбонат. (Известно, что клада A13 встречается у медуз Cassiopeia frondosa, актиний Condylactis gigantea и атлантических жестких кораллов Porites astreoides и Montastrea annularis, тогда как A20 считается свободноживущей, не объединяющейся с какими-либо беспозвоночными). Следовательно, нельзя делать общие заключения о степени использования бикарбоната зооксантеллами. И хотя в рамках данного эксперимента проверка не проводилась, обычно считается, что гавайские кораллы Porites lobata содержат зооксантеллы клады C15.

Отсюда следует любопытная мысль: У некоторых кораллов отсутствуют или имеются в небольшом количестве энзимы внешней карбоангидразы. Следовательно, их зависимость от вдыхаемого /выдыхаемого углекислого газа должна быть значительно больше, чем у кораллов с внешними карбоангидразами. Соответственно, скорость роста кораллов должна быть ниже, чем у кораллов с энзимами, способными использовать относительно легкодоступный бикарбонат.

'Щелочной ожог' – Причина в повышенной интенсивности фотосинтеза?

«Щелочной ожог» - термин, введенный рифовыми аквариумистами в отношении потери тканей (как правило, на концах или, в случае с акропорами, на верхушечных и близлежащих осевых полипах). Возможно ли, что на определенных участках концентрация хлорофилла и побочных продуктов фотосинтеза, таких как пероксид водорода и кислородсодержащих радикалов, подавляет естественную защиту, предлагаемую энзимами, такими как пероксидазы и каталазы?

На рисунке 4 представлена концентрация хлорофилла, на что указывает флуоресценция хлорофилла.

image3.jpg
Рисунок 4. Если смотреть при «черном свете» (невидимом/УФ излучении), у этого коралла Acropora заметна красная флуоресценция хлорофилла. Также заметен сине-зеленый флуоресцентный белок. Сравните участки красной флуоресценции с участками, где заметна потеря тканей на Рисунке 5. Фото автора. 

Сравните участки концентрации хлорофилла на Рисунке 4 с участками коралла Acropora, пострадавшими от «щелочного ожога» на Рисунке 5.

image4.jpg
Рисунок 5. Связана ли утрата тканей с повышенной интенсивностью фотосинтеза (и выработкой вредных реагентов кислорода), которой способствует высокая концентрация бикарбоната? 

Как видно на Рисунке 5, ожог концов характерен на участках, получающих максимальное количество света, соответственно, повышенная концентрация бикарбоната могла спровоцировать чрезмерно интенсивный фотосинтез, результатом которого стала выработка вредных форм кислорода.

Действительно, Финелли (Finelli et al., 2006) обсуждал связь между толщиной тканей кораллов и повреждениями в результате «вредной концентрации кислорода». Речь шла о течении и фотосинтезе – это будет наша следующая тема, вместе с синергетическим влиянием бикарбоната.

Первоисточник: advancedaquarist.com             
Переведено специально для ReefCentral.ru             
Если вы увидели этот материал на другом сайте - значит, он был украден.             
Просим сообщать о замеченных фактах на info@reefcentral.ru     



Количество показов статьи: 3416