Россия
Россия
Россия
УДК 57 Биологические науки
ГРНТИ 69.25 Аквакультура. Рыбоводство
ОКСО 06.04.01 Биология
ББК 472 Рыбное хозяйство
Гаплодиплобионтный жизненный цикл со спорическим мейозом и изоморфным чередованием поколений, способность к вегетативному размножению, быстрый рост таллома, большое количество продуцируемых клеток, высокая удельная продукция делают Ulva rigida C. Ag. привлекательным объектом марикультуры. Работа посвящена исследованию биологических особенностей развития ульвы в искусственных условиях, ее пищевой ценности. Показано, как факторы внешней среды влияют на прорастание и формирование новых растений. Предварительные данные по пищевой ценности позволяют отнести Ulva rigida C. Ag. к низкокалорийным продуктам с богатой углеводной компонентой, минеральный состав и высокая концентрация йода свидетельствуют о возможном применении ульвы в качестве функционального пищевого ингредиента.
зеленые водоросли, макрофиты, Ulva rigida, марикультура, жизненный цикл, пектин, пищевая ценность
Введение
Промысловое значение макрофитов Азово-Черноморского бассейна незначительно. Максимальные объемы вылова морских трав Zostera marina L., Z. noltei Hornem. приходились на 2006-2009 гг. (до 2164,6 т в 2009 г.), пик изъятия цистозиры бородатой Cystoseira barbata (Stackh.) C. Agardh в 2002-2003 гг. не превысил 36,3-36,4 т; акватория произрастания еще одного, ранее промыслового вида, – филлофоры ребристой Phyllophora nervosa (DС.) Grev. – получила статус ботанического заказника общегосударственного значения. Большинство макрофитов не являются объектами промысла, данные об их химическом составе, пищевой ценности, перспективных способах выращивания и переработки практически отсутствуют в отечественной литературе. Однако такие представители красных и зеленых водорослей как рр. Callithamnion, Ulva, Cladophora являются многочисленными представителями водных биоценозов прибрежных вод двух морей и даже доминируют в составе перифитона.
Ульвофициевые (Ulvophyceae K.R. Mattox et K.D. Stewart, 1978) - класс макроскопических зеленых водорослей, включает восемь порядков. Структура порядка Ульвовых (Ulvales Blackman et Tansley, 1902) сложная, выделено восемь семейств, наиболее обширным является семейство с названием той же этимологии - Ulvaceae J.V. Lamouroux ex Dumortier (1822). В семейство входит 27 родов, 160 видов. Название класса, порядка и семейства образовано от типового рода Ульва (Ulva L.). В настоящее время в базе данных Algae Base (2019) имеется 407 названий видов данного рода, а также 201 внутривидовое название, но из названий видов только 132 были отмечены как принятые таксономически под названием вида [1]. Представители рода, обитающие в прибрежных водах Черного моря, - Ulva rigida С. Agardh, U. prolifera O.F. Muller, U. linza L., U. intestinalis L., U. flexuosa Wulfen, U. clathrate (Roth) С. Agardh [2].
Подавляющее большинство ульвовых – солоноватоводные или эвригалинные формы. Все представители порядка распространены на мелководье и только в редких случаях достигают глубины 20-30 метров. Длина таллома варьирует, составляя в среднем 0,3-1,5 метров.
Тип дифференциации таллома (слоевища) ульвовых – паренхиматозный, слабо дифференцированный. Заметно отличаются от остальных лишь крупные клетки в основании растения, снабженные ризоидными отростками [3].
Двуслойный пластинчатый таллом – главный признак этого рода, отличающий его от других водорослей семейства. Таллом ульвы имеет характерные краевые вмятины (рис. 1), рост происходит за счет диффузного деления клеток в основном по краям. Обычно ульва прикрепляется к субстрату с помощью ризоидальных отростков в нижней части таллома, изредка ризоидальные отростки расположены вдоль части или всей продольной оси пластины, где проходят между двумя клеточными слоями.
|
|
|
Рисунок 1. Ulva rigida C. Agardh, 1823 (wild type, аквариум, март, 2020)
Figure 1. Ulva rigida C. Agardh, 1823 (wild type, aquarium, march, 2020)
Клетки ульвовых содержат пристенный хлоропласт с одним или несколькими пиреноидами, ядро расположено по продольной оси клетки (рис. 2). Вегетативные клетки – одноядерные, ризоидальные клетки – часто многоядерные. Количество хромосом колеблется от 5 до 13 в гаплоидном талломе, причем наиболее распространенным является число 10 [1].
|
|
|
Рисунок 2. Клеточное строение таллома U. rigida C. Ag. (поверхностные клетки) (Ignacio Manuel Bárbara Criado, Испания, Галисия, Ría de Coruña, 2007) [1]
Figure 2. Cell structure of U. rigida C. Ag. thallus (surface cells) (Ignacio Manuel Bárbara Criado, Spain, Galicia, Ría de Coruña, 2007) [1]
Жизненный цикл гаплодиплобионтный со спорическим мейозом (рис. 3). Гаплоидные стадии – гаметофит, гаметы, мейотические споры (апланоспоры). Диплоидные – спорофит, зигота. Всегда имеет место чередование генераций – диплоидного спорофита и гаплоидного гаметофита. Для ульвы характерно изоморфное чередование поколений. Следует отметить способность U. rigida С. Ag. к двум способам вегетативного размножения. Вегетативное размножение прикрепленной формы осуществляется путем прорастания клеток базального диска с образованием дополнительных побегов неприкрепленной формы – путем фрагментации. Для бесполого размножения служат квадрифлагеллированные зооспоры или, реже, апланоспоры. Гаметы более мелкие, бифлагелированные. Половой процесс – изогамный. Специальные органы размножения отсутствуют. Гаметы и споры образуются в обычных вегетативных клетках и выходят в окружающую среду через округлое отверстие – пору, образующуюся на вершине сосочкообразного изгиба во внешней стенке клетки. В каждой клетке образуется 16-64 гаметы и 4-16 зооспор. Зооспоры и зиготы в благоприятных условиях быстро прорастают. Гаметы положительно фоточувствительны; после сингамии подвижные зиготы становятся негативно фоточувствительными. Зооспоры вначале положительно фоточувствительны, позже – отрицательно фоточувствительны [1; 4].
Рисунок 3. Жизненный цикл р. Ulva L.(URL: http://botanystudies.com/life-cycles-algae)
Figure 3. Life Cycle of р. Ulva L.
Бифлагелированные изогаметы выходят из материнской клетки, после чего гаметы, образованные разными гаметофитами, сливаются в воде. Образуется четырехжгутиковая зигота, которая активно парит в воде. После этого она опускается на какой-либо субстрат и покрывается плотной оболочкой, превращаясь таким образом в кодиолум, далее следует стадия физиологического покоя. При наступлении благоприятных условий прорастает в 4-16 зооспор или апланоспор, которые после непродолжительного периода плавания прикрепляются к субстрату и прорастают. Стадию однорядной нити при прорастании проходят и зооспоры, и зиготы. Клетка, от которой начинается развитие, делится на две – апикальную и базальную. В результате поперечных делений из первой образуется вертикальная нить, вторая превращается в первичный ризоид [1; 3; 4].
Быстрый рост таллома, большое количество продуцируемых клеток (за исключением ризоидальных клеток и некоторых базальных клеток, все клетки способны стать репродуктивными), высокая удельная продукция делают ульву привлекательным объектом марикультуры. Представители р. Ulva широко культивируются в водах умеренных широт. Выращивают ее на сетках в толще воды в моно- и в поликультуре, а также в открытой и закрытой системах интегрированной марикультуры. Поглощая и усваивая неорганические и органические вещества отходов от культивирования животных, водоросли накапливают большую биомассу и большее количество белка, чем водоросли, культивируемые в экстенсивной монокультуре [5]. Они могут извлечь из воды до 80-90% жидких отходов, из них – до 60% соединений фосфора, примерно столько же азота и до 95% аммония [6-12].
Цель исследований заключалась в получении жизнеспособного поколения зеленой водоросли U. rigida C. Ag., предварительной оценке ее пищевой ценности.
Материалы и методы
Объектом исследований служили образцы зеленой водоросли Ulva rigida С. Ag., собранные в августе 2018 г., в декабре 2019 г. и в марте 2020 г. в акватории Керченского пролива (45°35¢ N, 36°52¢ E).
Выращивание ульвы проводили в лабораторных условиях в стеклянных аквариумах с постоянной аэрацией и циркуляцией воды с помощью компрессоров. Периодически, по мере испарения, доливали свежую морскую воду соленостью 16-18‰. До начала эксперимента водоросли предварительно выдерживались (в течение трех недель) для адаптации в новых условиях.
Изменение продукционных показателей биомассы водоросли, в зависимости от условий выращивания, изучали по динамике ее абсолютных величин и среднесуточных приростов (Винберг, 1956).
Исследования химического состава проводили с применением стандартных методов, принятых в комплексном химическом анализе: общее содержание азотистых веществ – по методу Къельдаля с применением автоазотоанализатора фирмы FOSS; минеральных веществ – гравиметрически, после сжигания при температуре 600-700оС, состав макро- и микроэлементов – методом капиллярного электрофореза, пектиновых веществ – кальций-пектатным методом. Сырьем служили водоросли, предварительно замороженные при температуре минус 18°С (no frost).
Результаты и обсуждение
Эксперимент по получению проростков ульвы предусматривал отработку режимов культивирования: в первом варианте (I) слоевища ульвы выращивались в условиях повышающейся солености с 22 до 26‰, во втором (II) – соленость поддерживалась в пределах 18-22‰ (рис. 4). Температура воды во всех аквариумах была одинаковой и, в зависимости от погодных условий, изменялась от 18 до 22,6ºС, средняя – 20,8ºС. Освещенность несколько различалась – в первом варианте варьировала в пределах 640-4500 люкс, во втором – 570-3800 люкс.
|
|
|
|
|
Рисунок 4. Изменение абсолютных величин (а) и среднесуточных приростов (б) биомассы ульвы при выращивании в лабораторных условиях (1 – соленость 22-29‰, 2 – соленость 18-23‰)
Figure 4. Change in absolute values (a) and daily average growths (b) of Ulva biomass in laboratory conditions (1 – salinity 22-29‰, 2 – salinity 18-23‰)
Процессы споро- и гаметогенеза у зеленых водорослей зависят от условий среды и в значительной мере от освещенности (продолжительности светового дня), солености и температуры. Так, вероятно, в связи с повышением в отдельные дни освещенности до 3,5-4,7 тыс. люкс и солености до 26‰, у ульвы (I) было отмечено интенсивное плодоношение, во II эксперименте также наблюдалось плодоношение, но процесс был менее активен. Как видно на рисунке 4, в период активного выхода спор рост биомассы ульвы (I) снижается, величина среднесуточных приростов составляет всего 0,03-0,043%. Со снижением освещенности в отдельные дни до 300-640 люкс рост биомассы увеличился (10.03-20.03), наблюдалось прорастание спор.
Массовое количество проростков было отмечено уже в конце января (30.01.2020), длина наиболее развитого луча проростка достигала 420 мкм, ширина – 21 мкм (рис. 5), количество лучей отмечалось от 3 до 8. Через месяц длина проростков составляла 525 мкм, ширина – 50 мкм.
Рисунок 5. Проростки зеленой водоросли Ulva rigida С. Ag. (1823) (март 2020)
Figure 5. Sprouts of green algae Ulva rigida С. Ag. (1823) (March 2020)
При дальнейшем прорастании зародышей хорошо дифференцируется однорядная нить, состоящая из первичных прикрепляющихся клеток и ризоидальных расширений клеток в нижней области нити. Позже вертикальная нить становится пластинчатой из-за повторяющихся продольных клеточных делений, перпендикулярных поверхности нити (рис. 6). Разделение клеток вдоль продольной оси приводит к развитию трубчатого моностроматозного зачатка. Трубка со временем сжимается, а стенки прилипают, образуя дистроматическую пластину.
Рисунок 6. Образование таллома Ulva rigida С. Ag. (1823)
Figure 6. Thallus formation Ulva rigida С. Ag. (1823)
При изменении условий среды (до 28°С, 30‰) первые деления могут вести к образованию стелющихся нитей, расположенных в форме диска, из клеток которого уже позднее вырастает одна или несколько вертикальных однорядных нитей (рис. 7; 28х).
|
|
|
Рисунок 7. Разрастание и переплетение нитей ульвы при повышении солености и температуры (а), образование новых нитей (б)
Figure 7. The growth and interweaving of Ulva threads with increasing salinity and temperature (a), the formation of new threads (b)
Проведенный эксперимент показал также необходимость обязательной предварительной обработки морской воды, добавляемой в аквариумы. При отсутствии обеззараживания с водой привносятся нити кладофоры (Cladophora spp.). Нити Cladophora spp, плотно охватывают проростки ульвы, препятствуют нормальному развитию водоросли, талломы обесцвечиваются и гибнут (рис. 8; 28х). Cladophora spp, интенсивно размножаясь, быстро образует тину.
|
|
|
Рисунок 8. Нити Cladophora spp, плотно охватывают проростки ульвы (а, б)
Figure 8. Cladophora spp filaments tightly span Ulva seedlings (а, б)
Представители р. Ulva L., или «морской салат», издавна употребляется в пищу. Слоевища водорослей используются в свежем – для приготовления салата или в вареном виде при готовке супа, иногда добавляют в гарниры к рыбе либо мясу. Часто ульву, после соответствующей обработки, используют как добавку к тесту при выпечке сдобных изделий, благодаря чему они длительное время не черствеют, приобретают своеобразный вкус и обогащаются витаминами.
Содержание белковых веществ в U. rigida C. Ag. составляло 19,0% а.с.в., преобладали углеводы – до 64,9% а.с.в. с содержанием пектиновых веществ до 12,1% (табл. 1, 2), при этом на фракцию нерастворимых пектинов приходится до 55,5% от их суммарного содержания. Для сравнения: содержание пектиновых веществ в традиционном источнике морского пектина Zostera marina L. составляет 11,0-12,2% а.с.в. Известно, что обменные процессы в водорослях летом и осенью направлены в сторону синтеза углеводов [13; 14].
Таблица 1. Химический состав и энергетическая ценность U. rigida C. Ag.
Table 1. Chemical composition and nutritional value of macrophytes U. rigida C. Ag.
|
Объект исследований |
Содержание влаги, % |
Массовая доля, % |
Энергетическая ценность, кДж/100 г |
|||
|
азота общего |
золы |
жира |
углеводов |
|||
|
U. rigida |
87,9 |
0,4 |
2,2 |
0,35 |
7,25 |
172,8 |
Таблица 2. Содержание пектиновых веществ в U. rigida C. Ag.
Table 2. Contents of pectin substances in U. rigida C. Ag.
|
Объект исследований |
Массовая доля пектиновых веществ, % |
||
|
общее содержание |
растворимых |
нерастворимых |
|
|
U. rigida |
1,46 |
0,65 |
0,81 |
Аминокислотный состав белковых веществ U. rigida C. Ag. несбалансирован по составу: лимитирующими аминокислотами триптофан и валин (табл. 3, 4), отмечено высокое содержание метионина и фенилаланина.
Таблица 3. Аминокислотный состав белков U. rigida C. Ag.
Table 3. Amino acid composition of proteins in U. rigida C. Ag.
|
Наименование аминокислоты |
Содержание, % |
Наименование аминокислоты |
Содержание, % |
|
Valine |
0,01 ± 0,004 |
Histidine |
Не обнаружено |
|
Isoleucine + Leucine |
0,26 ± 0,07 |
Arginine |
0,03 ± 0,01 |
|
Lysine |
0,12 ± 0,04 |
Proline |
0,11 ± 0,03 |
|
Methionine |
0,14 ± 0,05 |
Serine |
0,12 ± 0,03 |
|
Threonine |
0,09 ± 0,04 |
Glycine |
0,13 ± 0,04 |
|
Phenylalanine |
0,13 ± 0,04 |
Alanine |
0,2 ± 0,05 |
|
Tyrosine |
0,09 ± 0,03 |
Слоевища ульвы богаты макро- и микроэлементами (табл. 5). Высокое содержание йода - 4,3-4,6% (физиологическая норма для взрослого человека 130-200 мкг/в сутки) позволяет говорить о целесообразности введения U. rigida в качестве функционального пищевого ингредиента. Ульву часто применяют в комплексных программах по снижению веса с целью нормализации обмена веществ в организме человека.
Таблица 4. Сравнительный состав незаменимых аминокислот белков макрофитов АЧБ
Table 4. Comparative composition of essential amino acids macrophyte proteins in ABB
|
Наименование незаменимой аминокислоты |
Содержание, г/100 г белка |
Содержание аминокислот, г/100 г идеального белка [15] |
||
|
Сallithamnion corymbosum |
Cladophora sp. |
Ulva rigida |
||
|
Val |
4,2 |
5,6 |
0,7 |
5,0 |
|
Ile + Leu |
10,0 |
15,6 |
18,2 |
4,0 + 7,0 |
|
Lys |
4,0 |
5,6 |
8,4 |
5,5 |
|
Met |
6,0 |
1,9 |
9,8 |
3,5 |
|
Thr |
5,6 |
5,6 |
6,3 |
4,0 |
|
Phe + Tyr |
5,8 |
10,6 |
15,4 |
6,0 |
Таблица 5. Состав минеральных веществ U. rigida C. Ag.
Table 5. The composition of mineral elements in U. rigida C. Ag.
|
Объект исследований |
Массовая доля, % |
|||||
|
калий |
натрий |
магний |
кальций |
фосфор |
йод |
|
|
U. rigida |
0,31 ± 0,06 |
0,60 ± 0,12 |
0,20 ± 0,04 |
0,26 ± 0,05 |
0,019 ± 0,01 |
4,3 |
Заключение
Биологические особенности развития и высокая удельная продукция, богатая углеводная компонента, присутствие йода и низкая калорийность делают Ulva rigida C. Ag. привлекательным объектом марикультуры в Азово-Черноморском бассейне, что позволяет в перспективе рассматривать данный вид в качестве доступного сырьевого источника.
Установлено, что температура 18-23ºС является благоприятной для роста ульвы в лабораторных условиях. При повышении солености выше 26‰ и освещенности, превышающей 3-4 тыс. люкс, интенсифицирует плодоношение ульвы, что значительно снижает рост биомассы. Проростки ульвы достаточно быстро развиваются и хорошо растут в лабораторных условиях, выдерживая значительные колебания параметров среды (солености и освещенности).
Проведенные исследования показали целесообразность поиска новых источников сырья морского происхождения для создания пищевых продуктов и ингредиентов определенной физиологической направленности.
1. Guiry, M. D. AlgaeBase. Всемирная Электронная публикация / Guiry M. D. & Guiry G. M. - Национальный университет Ирландии, Голуэй. - 2020. URL : https://www.algaebase.org.
2. Milchakova, N. A. Marine Plants of the Black Sea. An Illustrated Field Guide / N.A. Milchakova. Sevastopol, DigitPrint, 2011. - 144 pp.
3. Белякова, Г. А. Ботаника. Водоросли и грибы / Г.А. Белякова, Ю.Т. Дьяков, К.Л. Тарасов. - М.: Издательский центр «Академия», 2006. Т. 2. - 320 с.
4. Жизнь растений: в 6 т. / гл. ред. А. А. Федоров. - М. : Просвещение, 1977. - Т. 3 : Водоросли. Лишайники / под ред. М. М. Голлербаха. - 487 с.
5. Титлянов, Э. А. Морские растения стран Азиатско-Тихоокеанского региона, их использование и культивирование / Э. А. Титлянов, Т.В. Титлянова. - Владивосток: Дальнаука, 2012. - 337 с.
6. Schneider, O. Analysis of nutrient flows in integrated intensive aquaculture systems / O. Schneider, V. Sereti, E.H. Eding, J.A.J. Verreth // Aquac. Eng. 2004. Vol. 32. - P. 379-401.
7. Buschmann, A. H. A review of the environmental effects and alternative production strategies of marine aquaculture in Chile / A. H. Buschmann, D. Lopez, A. Medina // Aquac. Eng. 1996. Vol. 15. P. 397-421.
8. Buschmann, A. H. Integrated tank cultivation of salmonids and Gracilaria chilensis (Gracilariales, Rhodophyta) / A.H. Buschmann, M. Troell, N. Kautsky, L. Kautsky // Hydrobiologia. 1996. Vol. 326/327. - P. 75-82.
9. Biofiltering efficiency in removal of dissolved nutrients by three species of estuarine macroalgae cultivated with sea bass (Dicentrarchus labrax) waste waters 1. Phosphate / J.F. Martinez-Aragon, I. Hernandez, J.L. Perez-Llorens, R. Vazquez, J.J. Vergara // J. Appl. Phycol. - 2002. - Vol. 14, № 5. - P. 365-374.
10. A novel three-stage seaweed (Ulva lactuca) biofilter design for integrated mariculture / A. Neori, F.E. Msuya, L. Shauli, A. Schuenhoff, F. Kopel, M. Shpigel // J. Appl. Phycol. 2003. Vol. 15. -P. 543-553.
11. Studies on the biofiltration capacity of Gracilariopsis longissima: from microscale to macroscale / I. Hernandez, A. Perez-Pastor, J.J. Vergara, J.F Martinez-Aragon., M. A. Fernandez-Engo, J.L. Perez-Llorens //Aquaculture. 2005. Vol. 252. - P. 43-53.
12. Hernandez, I. Integrated outdoor culture of two estuarine macroalgae as biofilters for dissolved nutrients from Sparus auratus waste waters / I. Hernandez, M.A. Fernandez-Engo, A. Perez-Pastor, J.J. Vergara // J. Appl. Phycol. 2005. Vol. 17. - P. 557-567.
13. Барашков, Г.К. Сравнительная биохимия водорослей // Г.К. Барашков. М.: Книга по требованию, 2012. - 170 с.
14. Муравьева, И. П. Химический состав Ulva rigida Ag. Из разных по степени загрязненности акваторий Севастополя (Черное море) / И.П. Муравьев // Экология моря, - 2002. Вып. 59. - С. 74-79.
15. Покровский, А. А. О биологической и пищевой ценности пищевых продуктов// А.А. Покровский // Вопросы питания. 1975. № 3. - С. 25-40.
