Питание

До недавнего времени диатомеи рассматривались как автотрофные организмы, хотя среди них были известны единичные виды с бесцветными хлор он ластами. В последние годы в связи с применением массовых культур диатомей для различных исследовательских целей изучалось их питание, и выявилась большая пластичность диатомей в усвоении не только минеральных, но и органических веществ.

Потребности диатомей в минеральных веществах такие же, как и у других растений, но они имеют некоторые особенности. Для нормального роста и размножения им необходимы: фосфор, азот, кремний, сера, кальций, магний, калий, железо, марганец, а также некоторые другие элементы в очень малом количестве и не для всех диатомей. Потребность в тех или иных элементах у диатомей различная. Фосфор необходим для роста диатомей, он усваивается в виде соединений фосфорной кислоты, т. е. фосфатов (Harvey, 1940; Goldberg a. oth., 1951; Mackereth, 1953, и др.). Имеются указания, что диатомеи на свету и в темноте могут усваивать ортофосфаты и пирофосфаты (Chu, 1946а) и такие органические соединения фосфора, как глицерофосфат, инозитол и др. (Lewin, Guillard, 1963). Азот диатомеи способны использовать в виде неорганических и органических соединений: нитратов, нитритов и аммиака (Harvey, 1940 и др.). В морской воде содержится мало нитритов, поэтому на питание идут преимущественно нитраты, но большинство диатомей может усваивать все три источника азота, а некоторые способны усваивать и различные органические соединения аммиака.

Кремний наравне с двумя предыдущими элементами играет основную роль в жизни диатомей, он лимитирует их количественное развитие. Кремний усваивается диатомеями, по-видимому, в виде кремневой кислоты и органических соединений кремния, также известна способность диатомей усваивать кремний неорганических соединений, освобождаемый в результате расщепления каолинового ядра глинистых частиц в воде (Виноградов, Бойченко, 1942). В питательных средах используют обычно метасиликат (Na₂SiO₃+9H₂O), который гидролизуется в растворе и дает ортосиликатовую кислоту Si(OH)₄, хорошо усваиваемую диатомеями (Lewin, 1963). Роль Si(OH)₄ для обмена веществ у Cyclotella cryptica выяснена Вернером (Werner, 1966). Потребность в кремнии у диатомей различная, она зависит от толщины панциря, которая у бентосных видов во много раз превышает таковую у планктонных видов (Einsele, Grimm, 1938). Наибольшая потребность в кремнии ощущается в период усиленного их размножения: весной и в начале лета; недостаток кремния в природных водах ведет к торможению деления и уменьшению толщины панциря, а отсутствие его в культуральной среде приводит к образованию беспанцирных деформированных клеток (Bachrach, Lefevre, 1931; Wiedling, 1941; Hendey, 1945, 1946, и мн. др. - см. стр. 19). При содержании кремния в пресной воде до 140 мг/л Asterionella formosa развивается в огромном количестве, а с падением содержания кремния до 0.5 мг/л она нацело исчезает (Lund, 1950). Вопросу усвоения кремния диатомеями в куль-турах и в природных водах посвящены многочисленные исследования (Gardiner, 1941; Jørgensen, 1952, 1953, 1955а, 1955b, 1957; Lewin, 1954-1966, 1961, 1962; Lewin, Ching Hongchen, 1968). Эти исследования показали, что в культуральной среде наилучший рост диатомей происходит при повышении содержания в ней кремния до 30 мг/л и даже более, а при падении содержания кремния ниже 0.3 мг/л рост совсем останавливается. Прибавление в культуральную среду кремния вызывает усиление фотосинтеза значительно большее, чем добавление азотистых и фосфорных солей (Ryther, Guillard, 1959). В пресноводных водоемах содержание кремния в растворе бывает обычно менее 10 мг/л, а часто около 5 мг/л. По наблюдениям Лунда и других исследователей, деление диатомей при содержании кремния около 5 мг/л и выше протекает нормально и останавливается при падении его до 0.5 мг/л (Pearsall, 1930-1932; Lund, 1950, 1965; Lewin, 1962). Йоргенсен (Jørgensen, 1957) указывает, что деление останавливается при содержании кремния в растворе 0.03-0.04 мг/л. Это зависит от вида и популяции, глубины, света, температуры содержания фосфатов, рН и пр. Содержание кремния в морской .... pH 8.1-8.2 равно 1000 мг/м³ (т. е. 1 мг/л), а в морском .... содержится в 10 раз больше (Hendey, 1964). Точная .... усваиваемого диатомеями, до сих пор не .... содержания кремния в клетках .... пресноводных широко распространены .... . Так, по данным многих исследователей ...., содержание SiO₂ (в % от сухого веса): .... у Fragilaria crotonensis 44-48, у Melosira .... у Tabellaria flocculosa 48-56 и т. д. Усвоение кремния происходит синхронно с ростом (делением) диатомей и зависит от физических и химических свойств среды (Busby, Lewin, 1967).

Значение прочих солей в питании диатомей в природных условиях еще достаточно доследовано, о необходимости многих из них можно судить только по влиянию их на рост (деление) диатомей в культурах. Стимулируют рост диатомей низкие сульфатные соединения (Harvey, 1939; Matsudaria, 1942), которые играют роль при усвоении кремния (Lewin, 1954-1966, I), также бор (Belcher a. oth., 1966; Lewin, 1966а, 1966b), железо (Harvey, 1937; Goldberg, 1952; Hayward, 1968a), кальций, магний, марганец, йод, медь и некоторые минеральные вещества, роль которых еще не выяснена. К содержанию в воде NaCl диатомеи относятся различно, одни отрицательно, другие положительно, среди последних имеются формы, нуждающиеся в определенном количестве NaCl, и формы, выносящие содержание NaCl в широких пределах.

Для роста диатомей необходима определенная температура, они могут существовать при температуре 1-30° С, но оптимум для разных видов различный. У тепловодных видов оптимальный рост наблюдается при температуре от 20 до 28° (в зависимости от вида), у холодноводных - от 10 до 15°. При температурах выше 37° и ниже 1° у диатомей фотосинтез не происходит. Температура и свет регулируют питание, фотосинтез и рост (деление) диатомей.

Автотрофные диатомеи помимо неорганических соединений требуют для своего роста в небольшом количестве некоторых органических веществ, как это выяснено при культивировании многих видов. К этим органическим веществам относятся витамин В₁₂, глицин, мочевина, мочевая кислота, глютамин, а также органические соединения азота и фосфора.

Диатомеи морского планктона способны вместо неорганических фосфатов усваивать органические фосфорные соединения: глицерофосфат и гексофосфат (Chu, 1946а), а вместо неорганических нитратов или аммониевых солей многие могут усваивать органические нитрогенные соединения: аминокислоты, мочевину, глютамины и пр. (Guillard, 1963; Максимова, Выборных, 1966а; Grant a. oth., 1967), а также витамины: В₁₂ - цианокобальамин (Guillard, Cassie, 1963), кобальамин (Droop, 1955) и особенно B₁ - тиамин (Droop, 1957; Lewin, 1965; Guillard, 1968). Друп (Droop, 1955, 1962) пришел к выводу, что морские планктонные диатомеи не являются чистыми автотрофами, они нуждаются в витаминах и дают хороший рост в культурах на почвенных экстрактах, в которых одной из активных составных частей является витамин В₁₂.

Исследование питания планктонных видов Sceletonema costatum, Thalassiosira rotula и факультативного гетеротрофа Cyclotella cryptica органическими веществами - глюкозой, ацетатом натрия и глютаминовой кислотой, меченными углеродом, показало различия в питании отдельных видов на свету и в темноте. На свету Sceletonema costatum не обнаружила, способности к усвоению углерода органических веществ, Cyclotella cryptica усваивала углерод глюкозы, a Thalassiosira rotula была способна; усваивать углерод глютаминовой кислоты и в незначительном количестве другие органические соединения (Sloan, Strickland, 1966). На свету в культурах 15 планктонных морских диатомей лучшим источником органического азота был глютамин, а эстуарные неритические виды наиболее- полно используют мочевину и мочевую кислоту (Guillard, 1963).

Способностью к усвоению глюкозы обладают и бентосные морские и пресноводные виды. Пресноводная Navicula pelliculosa испытывалась в 44 стерильных культурах, в которых источником углерода служила глюкоза; оказалось, что она способна к росту на глюкозе в темноте и на. свету в отсутствие CO₂. Большинство морских бентосных диатомей, испытанных в 44 культурах, было способно расти в темноте на глюкозе, лактозе и ацетате, при этом 16 из них росли на чистой глюкозе или в среде с примесью глюкозы, на лактозе были способны к росту два вида (Lewin J., Lewin R., 1960), три вида были способны усваивать агар и пр.. (Lewin, 1953; Lewin J., Lewin R., 1960).

При этих исследованиях выяснилось, что некоторые виды имеют различные физиологические расы, неотличимые морфологически или отличающиеся размерами, но не структурой. Такие широко распространенные виды, как Amphora coffeiformis и Nitzschia frustulum, имеют различные физиологические расы по усвоению ими в темноте витаминов В₂, В₁₂, глюкозы, ацетозы и лактазы, и эти расы имеют некоторые морфологические отличия в размерах створки и количестве штрихов (входящих, в границы вида). N. frustulum сверх этого оказалась выносливой к условиям органического загрязнения. У N. closterium из четырех клонов один отличался неспособностью к усвоению органических веществ, а по морфологическим признакам все клоны были тождественны. Cyclotella cryptica, питающаяся гетеротрофно и автотрофно, не имела отличий в структуре при наблюдении в световой микроскоп, но электронный микроскоп показал, что тонкая структура створки у гетеротрофной культуры незначительно изменена (Reimann a. oth., 1963). Таким образом, не только отдельные виды, но и расы и клоны видов обладают специфическими, особенностями. Касаясь вопроса об органическом питании диатомей,. следует упомянуть, что общая потребность в витаминах В у них большая,, чем у других водорослей. Витамины растворимы в пресных и соленых водах, особенно много витамина В₁₂ содержится в донных отложениях. Уже имеются многочисленные данные, свидетельствующие о необходимости В₁ и В₁₂ для многих видов диатомей (Droop, 1955, 1957; Ryther, Guillard, 1959; Lewin J., Lewin R., 1960; Guillard, Cassie, 1963; Lewin J., Guillard, 1963; Lewin, 1965; Guillard, 1968).

Переход от автотрофного питания к смешанному вызвал большой интерес, и в настоящее время уже имеется много фактов, показывающих специфику питания различных видов диатомей и возможность перехода некоторых из них от автотрофного питания к гетеротрофному. Был пред-ложен термин "ауксотрофия" для обозначения способности к питанию диатомей как автотрофно, так и гетеротрофно при наличии определенных условий (Droop, 1957; Lewin J., Lewin R., 1960; Reimann a. oth., 1963; Sloan, Strickland, 1966)

Существование в природе диатомей с бесцветными хлоропластами к лишенными их давно привело исследователей к заключению, что среди" автотрофных диатомей существуют и гетеротрофные (Benecke, 1900; Prowazek, 1900; Karsten, 1901, и др.). Исследование питания последних, начатое Бенеке (Benecke, 1900), было продолжено рядом физиологов, при этом особенно много внимания было уделено апохлоритическим бентосным видам Nitzschia putrida и N. leucosigma. Оба эти вида оказались способны развиваться в бескислородной среде (Benecke, 1900), а N. putrida могла расти на гидролизованном протеине, усваивала лактат, но не усваивала глюкозу и ацетат (Pringsheim, 1951). Позже Прингсгейм (Pringsheim, 1967) выяснял, что штаммы N. putrida могут усваивать органические источники азота, хорошо растут на агаре и мясном экстракте с морской водой,, интенсивно делятся при наличии солей аммония, при обильном питании отлагают фосфорные соединения, а при голодании - жир. Физиологические исследования N. putrida, N. leucosigma и N. alba доказали, что эти диатомеи с отсутствующими или бесцветными хлоропластами являются облигатными гетеротрофами. В культурах на искусственной морской воде для N. putrida источниками углерода могли служить лактат и сукцинат Na, а для N. leucosigma и N. alba кроме указанных соединений еще глюкоза и глютамат Na; как источник азота все они усваивали нитрат К, и у всех видов была потребность в витаминах - тиамине (B₁) ицианокобальамине (В₁₂) (Lewin J., Lewin R., 1960, 1967; Davis, Nicol, 1967).

Диатомовые водоросли извлекают из воды различные питательные вещества, и в период максимального развития диатомового планктона можно судить о роли тех элементов, которые лимитируют их развитие, так как спад развития диатомей и падение содержания в воде этих элементов синхронны. Поэтому химический состав диатомей также свидетельствует о потребности их в тех или иных элементах, а количественное содержание последних в клетке служит показателем их роли в питании диатомей.

Был исследован химический состав морского фитопланктона, состоявшего из нескольких видов диатомей (Виноградов, 1938, 1939; Серенков, Барашков, 1954; Low, 1955; Барашков, 19606, 1962), и отдельных морских планктонных диатомей, взятых в море (Серенков, Пахомова, 1955, 1959а; Пахомова, 1964; Алфимов, Прошкина-Лавренко, 1966; Алфимов и др., 1970) или выращенных в культуре (Parsons a. oth., 1961; Ланская, Пшенина, 1961, 1963; Ланская и др., 1964). Разница в химическом составе у видов, взятых из природного морского планктона, и тех же видов, выращенных в культурах, оказалась очень незначительной (Ланская, Пшенина, 1963). У отдельных видов диатомей (планктонных Coscinodiscus jonesianus, Rhizosolenia calcaravis, Chaetoceros decipiens, Ch. social is, Cerataulina bergonii, Leptocylindrus danicus, Thalassiosira nordenskioldii и бентосной Rhabdonema adriaticum) определялось содержание золы, углеводов, белков, жиров, азота, фосфора, кремния, кальция, железа, мышьяка, калия, серы, йода, витаминов (В₁, В₂, РР), РНК, ДНК и 20 аминокислот в суммарном белке (Ланская, Пшенина, 1961, 1963; Пахомова, 1964; Алфимов, Прошкина-Лавренко, 1966). Кроме того, исследовались состав углеводов (Барашков, 1956; Пахомова, 1964), липидов (Clarke, Mazur, 1941; Серенков, Барашков, 1954; Пахомова, 1964), азотистых соединений (Серенков, Пахомова, 1955, 1960), нуклеиновых кислот (Пахомова, 1964) и калорийность диатомей (Барашков, 1960а; Алфимов, Прошкина-Лавренко, 1966), последняя оказалась очень высокой.

Особенностью диатомей является большое содержание золы и жиров, превышающее содержание их у всех прочих водорослей (низших и высших). Высокое содержание золы объясняется наличием у диатомей кремневого панциря, достигающего 60% сухого веса клеток, а у бентосных видов часто и выше. Содержание жиров в клетке достигает 20% сухого веса, а иногда и больше, например у Navicula pelliculosa от 23 до 34.3%- сухого веса (Collyer, Fogg, 1955). Для планктонных морских видов приводятся такие количественные данные содержания (в % от сухого веса) жиров и золы (в скобках): Chaetoceros lauderi - 6.14 (62.77), Cerataulina, bergonii - 7.20 (51.22), Leptocylindrus danicus - 7.96 (61.60), Sceletonema costatum - 10.15 (53.71), Rhizosolenia calcaravis - 42.50-73.27 (12.70) и т. д. (Ланская, Пшенина, 1961; Алфимов, Прошкина-Лавренко, 1966). Содержание жиров и кремния варьирует в зависимости от географического положения водоема, сезона года, условий среды и состояния "леток диатомей. Данные химического анализа диатомового планктона в целом и отдельных его видов из природных местообитаний и культур могут служить дополнительным материалом для изучения питания и химического состава диатомей.