К.б.н. Корляков К.А.

Челябинский государственный университет, Россия

Метод «царапанных» стекол обрастания для оптимизации изучения биоразнообразия и структурно-функциональных характеристик сообществ, живущих на границах сред «жидкость-твердое тело».

Метод стекол обрастания, предложенный Холодным в 30-е годы прошлого столетия, нашел широкое применение в микробиологии, гидробиологии, почвенной биологии (Зевина, 1972; Горленко, Дубинина, Кузнецов, 1977). Этот метод позволил обнаружить и описать большое число таксонов в водной среде и почве. На сегодняшний день стекла обрастания и другие экспериментальные субстраты широко применяются в различных биологических исследованиях (Протасов, 1994; Комулайнен, 2003).

Ранее метод стекол обрастания уже дополнялся и модифицировался. Рыбалкина А.В. и Кононенко Е.В. (1977) предлагали покрывать стекла питательной средой. Кутикова Л.А. (1984) предложила прикрепление на стекла синтетических материалов и других субстратов. Нами предложена модификация метода с использованием нанесенных на стекло «царапин» различного размера (Корляков, Арсентьева, Нохрин, 2011). Микроуглубления на стекле в виде «царапин» можно получать с использованием широко применяемых инструментов – абразивных шкурок с различным диаметром зерна. Более крупные углубления и борозды можно получать с использованием пескоструйного аппарата. Наиболее целесообразно, одну половину стекла оставлять ровной (необработанной) и использовать в качестве контроля, а на вторую половину наносить различные по форме и размеру углубления.

В связи изменением микрорельефа стекол происходит перераспределение комплекса сил адсорбции на границе раздела фаз «жидкость-твердое тело», что способствует повышению концентрация питательных веществ. Есть данные, что вода, проникающая в поверхностные слои стекла, вступает во взаимодействие со стеклообразными щелочными силикатами (Na₂O · SiO₂ + n H₂O → 2NaOH + (n-1)H₂O · SiO₂). Образующаяся кремниевая кислота покрывает стекло тонкой плёнкой. Это своеобразная «защитная реакция» стекла от дальнейшего разрушения водой. В то же время, кремнеземистая плёнка обладает способностью к катионообменным реакциям и служит местом концентрации положительно заряженных ионов металлов (в том числе микроэлементов). Наиболее активно описанный процесс протекает в области механического повреждения стекла, где грубо нарушена кристаллическая решетка и более активна диффузия воды в поверхностные слои стекла. Таким образом, можно предположить, что в области «углублений» поверхности концентрация микроэлементов выше и создаются условия для возникновения сорбционного геохимического барьера, а это в свою очередь влияет на скорость роста микроорганизмов и интенсивность прикрепления (Иванова, 2005).

В силу вышеперечисленных фактов на неровной поверхности стекла повышается не только численность живых организмов, но и их разнообразие. Нами было установлено, что на частях стекла с неровной (царапанной) поверхностью значительно увеличивается разнообразие различных гидробионтов. Так, на стеклах, выставлявшихся в различные по гидродинамике водоемы, число таксонов беспозвоночных на сторонах стекла с неровной поверхностью превышало число таксонов на ровной поверхности в 2-4 раза.

Второй путь применения «царапанных» стекол обрастания может найти развитие в изучении структурно-функциональных свойств сообществ, их морфологии и пространственной динамики. Это касается не только колоний и биопленок бактерий, грибов и водорослей, но и изучение количественных характеристик «краевых эффектов». До настоящего времени изучение биопленок, альгобактериальных матов в экспериментальных условиях изучалось в двухмерном пространстве. Нанесение сложного рельефа на стекло позволит изучать заданные характеристики биоты в трехмерном пространстве. Изменение углов на стекле ведет к изменению баланса между силами гравитации и адсорбции, а также изменению других физико-химических характеристик для организмов, живущих на границе раздела фаз «жидкость-твердое тело».

Таким образом, путем изменения микрорельефа стекла помимо увеличения эффективности колонизации стекла различными обрастаниями можно моделировать биопродукционные и структурно-функциональные характеристики таких сложных надорганизменных систем как биопленки.

Литература:

Горленко В.М., Дубинина Г.А., Кузнецов С.И. Экология водных микроорганизмов. М.: Наука 1977. 287 с.

Зевина Г.В. Обрастания в морях СССР. М.: изд-во Моск. ун-та, 1972. 214 с.

Иванова А.В., Михайлова Н.А. Свойства стекла и минеральных вяжущих веществ. Екатеринбург, 2005. 47 с.

Коммулайнен С.Ф. Методические рекомендации по изучению фитоперифитона в малых реках. Петрозаводск: Карельский научный центр РАН, 2003. 43 с.

Корляков К.А., Арсентьева Н.Ю., Нохрин Д.Ю. Влияние сложности рельефа стекол на формирование монокультур микроорганизмов // Вестник уральской медицинской академической науки, 2011, № 4/1 (38). С. 35.

Кутикова Л.А. Фауна аэротенков (Атлас). Ленинград: Наука, 1984, 265 с.

Протасов А.А. Пресноводный перифитон. Киев: Наук. думка, 1994. 307 с.

Рыбалкина А.В. Кононенко Е.В. Изучение микрофлоры почвы методом обрастания стекол по Н.Г. Холодному: руководство к практическому занятию по микробиологии / В.В. Аникнев, К.А. Лукомская. М.: Просвещение, 1977. С. 76–77.