Автор: Дана Риддл

В предыдущей статье речь шла о влиянии повышенной концентрации неорганического углерода («щелочи») на симбиотические зооксантеллы: скорость фотосинтеза у симбионтов жестких кораллов Porites lobata возрастала при увеличении концентрации щелочи. В заключении статьи речь шла об использовании неорганического углерода и возможных ограничениях. Более подробно здесь.


В этот раз мы изучим влияние скорости течения на фотосинтез симбиотических зооксантелл и роль щелочи. Представленные выводы – результаты нескольких экспериментов, которые я проводил для презентации на конференции по морской аквариумистике в Северной Америке, 2016, проходившей в Сан-Диего, Калифорния. В данной статье представлены результаты второго эксперимента, подробнее, чем позволяли временные рамки презентации. В частности, влияние двух показателей скорости потока воды на фотосинтез сравнивалось с влиянием различной концентрации щелочи. Результаты продемонстрировали, что в случае с зооксантеллами, обнаруженными в тканях жесткого коралла Porites lobata, движение воды увеличивало скорость (интенсивность) фотосинтеза примерно также, как при увеличении концентрации щелочи. Я также вкратце расскажу о возможном воздействии питательных веществ (аммиака и нитратов) на рост и фотосинтез кораллов.

Но сначала необходимо уточнить несколько терминов, используемых в статье.

Словарь

• Гидродинамический пограничный слой (Momentum Boundary Layer, MBL): Тонкий слой неподвижной воды, окружающей погруженный объект. Толщина MBL обратно пропорциональна скорости потока воды. Значительное отклонение концентрации (снаружи или внутри тканей кораллов) может иметь место, если поток воды слабый. См. Рисунок 1. 
• Углерод, неорганический: Существует несколько форм неорганического углерода, в том числе, диоксид углерода (углекислый газ), углекислота, бикарбонат и карбонат. Судя по всему, углекислый газ и бикарбонат являются наиболее предпочитаемыми зооксантеллами разновидностями углерода (в зависимости от клады, или «типа» зооксантелл). 
• Щелочность: Способность раствора нейтрализовать кислоты. Щелочность может быть указана несколькими способами (мэкв/л, ppm, мг/л в виде карбоната кальция - CaCO3), но риферы 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). В качестве источника неорганического углерода могут выступать углекислый газ или бикарбонат. 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). 
• Насыщение (фотосинтеза): Насыщение фотосинтеза имеет место, когда при увеличении интенсивности освещения показатель скорости фотосинтеза уже не увеличивается. 
• Скелетогенез: Образование (формирование) скелета. 

Методы и материалы

В натуральную морскую воду 10-галлонного (38 л) аквариума был добавлен гидроксид аммония; в результате процесса нитрификации (превращения аммиака в нитраты) щелочность уменьшилась до неестественно низкого показателя в течение нескольких недель. Азотные соединения измерялись при помощи колориметра (DR800; Hach, Loveland, Colorado, USA) и реагентов на аммиак, нитриты и нитраты (метод салицилата, метод диазотирования и метод восстановления кадмия, соответственно. Данные по нитратам были откорректированы с поправкой на хлорид.) По мере завершения процесса нитрификации половина воды была перелита в 5-галлонный (19 л) аквариум с пластиковой решеткой-подставкой. На эту подставку затем были размещены фрагменты жесткого коралла Porites lobata (приклеенные на «рифовые плашки»). Освещение обеспечивалось при помощи светодиодного светильника (с регулируемой яркостью), произведенного BuildMyLED (Austin, Texas, USA) и поддерживалось на уровне частичного насыщения - 100 µmol•m²•sec по данным квантового измерителя Li-Cor и погружного датчика LI-192 2 (Li-Cor Biosciences, Lincoln, Nebraska, USA.) Помпа Tunze 6040 (Tunze Aquarientechnik GmbH, Penzberg, Germany) с регулируемой скоростью была настроена, чтобы создавать 2 скорости потока воды (1.9 и 3.8 дюймов в секунду - 4.8 и 9.7 см в секунду, соответственно).

Амплитудно-импульсный модулированный (PAM) флуорометр (Junior PAM, Heinz Walz GmbH, Effeltrich, Germany) с волоконно-оптическим кабелем измерял относительную скорость фотосинтеза (относительную скорость переноса электронов, rETR) зооксантелл коралла в условиях сильного и слабого течения, а также в условиях низкой, естественной, повышенной и высокой щелочности. Рисунок 2 – снимок Walz PAM флуорометра.


PAM флуорометр оценивает интенсивность (скорость) фотосинтеза посредством оценивания флуоресценции хлорофилла. Флуоресценция хлорофилла конкурирует за фотоны с фотосинтезом – другими словами, флуоресценция высокая, когда интенсивность фотосинтеза низкая, а интенсивность фотосинтеза высокая, когда флуоресценция низкая. Флуорометр определяет низкую флуоресценцию после того, как центры фотосинтетической реакции адаптируются к отсутствующему или очень слабому освещению (все центры реакции «открываются»). После получения низкой флуоресценции, импульсное освещение «насыщает» центры реакции, закрывая их, таким образом, получаем минимальную и максимальную флуоресценцию, а флуорометр рассчитывает «выход» фотосинтеза. Если мы измерим интенсивность освещения (фотосинтетически активное освещение (Photosynthetically Active Radiation, PAR) и выразим как плотность фотосинтетического потока фотонов (Photosynthetic Photon Flux Density, PPFD) в микромолях фотонов на квадратный метр в секунду - µmol•m²•sec1) и умножим выход фотосинтеза на этот показатель, мы можем определить 'относительную скорость переноса электронов' или 'rETR' между фотосистемой II и фотосистемой I. Чем выше показатель 'rETR', тем выше интенсивность фотосинтеза. Чтобы правильно определить rETR, необходимо следовать протоколу. В данном случае, зооксантеллы должны адаптироваться к слабому освещению в течение не менее 20 минут, чтобы открылись центры реакции. Затем, волоконно-оптический датчик флуорометра необходимо расположить рядом с поверхностью коралла (~1 мм) под углом ~60°. Насыщающий импульс актиничного света закрывает центры реакции (максимальная флуоресценция). В данных экспериментах интенсивность освещения не увеличивалась, потому что цель исследования состояла в определении влияния скорости течения и концентрации щелочи. Кораллу предоставлялось время (не менее 20 минут) на адаптацию к увеличению скорости потока (или концентрации щелочи).

Скорость потока определялась при помощи Flo-Mate 2000, электронного измерителя скорости течения (Marsh-McBirney, Birney, Maryland, USA – в настоящее время распространением занимается Hach, Loveland, Colorado, USA.) См. Рисунок 3.


Концентрация щелочи увеличивалась при помощи доступных в продаже буферов (Reef Builder, Seachem Laboratories, Madison, Georgia, USA.) Щелочность измерялась при помощи колориметра (Alkalinity Checker HI755, Hanna Instruments, Woonsocket, Rhode Island, USA) и перепроверялась посредством титрирования до pH 4.2 при помощи доступного на рынке титранта (1.6N серная кислота) и цифрового титратора (Hach, Loveland, Colorado, USA.)

Результаты

Рисунок 4 демонстрирует, что поток воды может влиять на интенсивность фотосинтеза. Более того, если мы совместим результаты экспериментов по воздействию скорости потока и концентрации щелочи, выявляются некоторые любопытные закономерности.

Обсуждение

Результаты данных экспериментов дают представление о влиянии скорости потока воды, щелочности и комбинированного воздействия (скорость течения + щелочность) на интенсивность фотосинтеза. Складывается впечатление, что скорость потока воды оказывает лишь незначительное воздействие (в случае использовавшихся показателей) при низкой концентрации щелочи. При более высоких показателях щелочности влияние скорости течения было более выраженным. См. Рисунок 4 и выравнивание линии тренда при низкой скорости потока. В Таблице 1 приводится скорость фотосинтеза (rETRs) при различной скорости потока и разной концентрации щелочи. На рисунке 5 представлен график увеличения в процентном выражении.

Таблица 1. Увеличение скорости фотосинтеза (выраженное в % в правом столбце) при увеличении скорости течения при 3 показателях щелочности (54, 114 и 215 мг/л.)




Очевидно, что поток воды положительно влияет на скорость фотосинтеза, также как и щелочность. Поэтому, возникает вопрос: Что больше всего влияет на показатели? Совокупность полученных данных была проанализирована, чтобы количественно оценить рост показателей. Становится очевидно, что на воздействие течения влияет наличие неорганического углерода (щелочность). При очень низкой щелочности (53 мг/л), течение увеличивает интенсивность фотосинтеза всего лишь на 5.8%. При естественной концентрации щелочи (114 мг/л), скорость фотосинтеза практически удваивается при увеличении скорости потока воды с 1.9 до 3.8 дюймов в секунду. Увеличение скорости течения способствует росту интенсивности фотосинтеза почти на 30% при увеличении щелочности до 215 мг/л.

Необходимо отметить выравнивание линии тренда при низкой скорости потока воды. Это может быть связано с диффузией неорганического углерода через утолщенный гидродинамический пограничный слой, который достигает своего максимума. Результаты этих двух экспериментов (скорость потока воды и щелочность) демонстрируют, как концентрация щелочи может влиять на воздействие скорости течения.

Если мы объединим влияние течения и щелочности, интенсивность фотосинтеза увеличивается почти на 60%.

Необходимо отметить, что скорость потока воды в данных экспериментах (1.9 и 3.9 дюймов в секунду) значительно ниже скорости течения, характерного для естественного рифа (Кайлуа-Кона, Большой остров Гавайских островов). Даже в спокойный день нормальным считается скорость течения около 6-8 дюймов в секунду. Если рассматривать данные в широком контексте, речь идет о 0.34 - 0.45 милях в час. Во время шторма или при сильных волнах, скорость потока воды может измеряться уже в футах в секунду, когда опасно даже входить в воду.

В качестве дополнительной информации: Джокиель и др. (Jokiel et al., 1995) обнаружили, что при усилении потока воды в тканях кораллов увеличивается концентрация поглощающих УФ-радиацию соединений (микоспориноподобных аминокислот, MAAs). Поскольку MAAs вырабатываются не самими кораллами, а симбиотическими зооксантеллами, вполне возможно, что это увеличение связано с ростом выработки симбионтами (хотя возможно, это связано с тем, они получают больше корма. Могут поглощаться водоросли и частицы, содержащие MAAs).

В предыдущей статье мы рассмотрели возможность того, что повышенная концентрация щелочи способна привести к «ожогу концов». С другой стороны, продолжительный период с низкой скоростью потока воды может создать пограничный слой настолько широкий, что возникает градиент щелочности лимитирующий фотосинтез (следовательно, уменьшается выработка кислорода и моносахаридов, аминокислот и других питательных веществ?) Необходимо помнить, что зооксантеллы и кораллы зависят от перемещения к ним растворенного кислорода из воды в темное время дня (или на затененных участках, где скорость фотосинтеза не удовлетворяет требованиям симбионта и хозяина). Возможно ли, что недостаточное питание на затененных участках в плане корма, передаваемого зооксантеллами своему кораллу-хозяину рано или поздно приведет к голоданию, когда начинается потребление мягких тканей вследствие их питательной ценности?

Питательные вещества, фотосинтез и скорость роста кораллов

В данных экспериментах, процесс нитрификации использовался для снижения щелочности естественным путем, в результате было получено 24 мг/л (или 24 части на миллион) нитратов в виде N (это более 100 мг/л, если выражать в виде нитратов (NO3). После моей презентации на 2016 MACNA в Сан-Диего, аквариумист Джастин Хестер спросил, как питательные вещества могут влиять на интенсивность фотосинтеза. На тот момент у меня не было ответа; затем, проведя небольшое исследование, я обнаружил следующее.

Влияние нитратов

Феррье-Паж и др (Ferrier-Pagés et al., 2001) обнаружили, что добавление нитратов (в сочетании с повышенной концентрацией железа) снижало скорость роста кораллов на 34% в течение 3 недель у жестких кораллов Stylophora pistillata, при этом увеличивая клеточную плотность водорослей. Вспомните, что Аткинсон и Бингман (1999) обнаружили повышенный уровень содержания железа во всех протестированных искусственных солевых смесях. Марубини и Дэвис (1996) сообщали, что нахождение в среде с повышенной концентрацией нитратов снижало скорость кальцификации на 50% у Карибских жестких кораллов Porites porites и Montastrea annularis. Однако, Тейлор (1978) обнаружил, что добавление нитратов не стимулирует фотосинтез, выработку метаболитов зооксантеллами и скорость кальцификации атлантических жестких кораллов Acropora cervicornis.

Влияние аммиака 

Согласно исследованию Тейлора (1978), добавление аммиака увеличило скорость фотосинтеза симбионтов, выделение ассимилятов и ускорило скелетогенез.

Результаты данных экспериментов подтверждают, что мы не можем голословно заявлять о влиянии аммиака и нитратов. Возникает интересный вопрос: Существуют ли у различных видов или клад зооксантел предпочтения в плане источника азота (аммиак или нитраты)? Было доказано, что предпочтения водных растений (водорослей) различаются (между аммиаком и нитратами, иногда - нитритами) и мы можем допустить, что среди типов Symbiodinium предпочтительные источники азота также варьируются. Подобное предположение требует дальнейшего изучения.

С учетом всего сказанного, неизвестно, как концентрация нитратов могла повлиять на интенсивность фотосинтеза в моих экспериментах.

Мы можем предположить, что уменьшение темпа роста было связано с конкуренцией за неорганический углерод водорослей для использования его в качестве неорганического источника для фотосинтеза, в результате чего для скелетогенеза неорганического углерода оказалось недостаточно. Это приводит нас к изучению ограничений «источников/поглотителей», что заслуживает написания отдельной статьи.

Можно было бы (но требует времени) провести эксперименты с целью изучения влияния повышенной концентрации питательных веществ и, в дальнейшем, посмотреть, может ли высокая щелочность/скорость потока воды сдерживать это воздействие, если оно существует. Было бы также интересно определить точку насыщения фотосинтеза (при помощи света) и узнать, влияют ли скорость течения и/или щелочность на показатель. Если зависимость существует, то она может изменить наше представление о роли освещения в содержании наших рифов в неволе. Следите за новостями.

В следующий раз: Ваши кораллы могут быть обесцвечены, а вы даже не будете знать об этом!

Если вы увидели этот материал на другом сайте - значит, он был украден.   
Просим сообщать о замеченных фактах на info@reefcentral.ru