Особенности формирования колониальных поселений морских бентосных диатомей на поверхности синтетического полимера
Features of formation of colonial settlements of marine benthic diatoms on the surface of synthetic polymer
Features of formation of colonial settlements of marine benthic diatoms on the surface of synthetic polymer
Дата
2020
Название журнала
Номер ISSN
Название тома
Издатель
Аннотация
Тема взаимодействий пластика и природных сообществ к настоящему времени актуальна как никогда прежде. Постепенное накопление изделий из искусственных полимеров и их фрагментов в природной среде достигло того уровня, при котором уже невозможно не считаться с влиянием этих материалов на живые организмы. В первую очередь воздействию подвергаются сообщества микроорганизмов, населяющих разные биотопы (как водные, так и наземные). Эти существа находятся на переднем крае взаимодействия с пластиком, в том числе в морских экосистемах. Тем не менее для понимания данных процессов необходимо принимать во внимание несколько аспектов таких взаимодействий: влияние разных видов пластика на сообщества микроорганизмов через выделение в среду продуктов их разложения, формы использования пластика самими микроорганизмами, в том числе механизмы колонизации его поверхности, а также возможные процессы биодеструкции полимеров за счёт деятельности микроорганизмов. При этом разные виды пластика могут отличаться не только механической прочностью, но и устойчивостью к биодеструкции, вызываемой микроорганизмами. Эксперименты с колонизацией поверхности видов пластика, разных по составу и механической прочности, позволяют получить широкий спектр результатов, актуальных не только для понимания современных природных процессов с участием пластика: эти результаты важны и для применения в некоторых областях развития технологий (например, при создании композитных материалов). В частности, представляют большой интерес исследования форм и механизмов устойчивой колонизации особо прочных полимеров видами диатомовых водорослей из состава природных сообществ. За счёт обрастания поверхности особо прочных синтетических полимеров диатомеями возможно формирование единого диатомово-полимерного композита, общие свойства которого уже существенно отличаются от свойств полимера как такового. Например, при обрастании полимера диатомеями, плотно удерживающимися на его поверхности за счёт физиологических механизмов, обеспечивающих им надёжную фиксацию, суммарная площадь поверхности композита возрастает на 2–3 порядка по сравнению с таковой голого полимера. Такие композиты и их свойства формируются за счёт механизмов колонизации субстратов, используемых диатомеями из естественных морских ценозов, — при перенесении этих механизмов на новый, перспективный для заселения диатомеями материал. Возможности практического применения этих композитов лежат в сфере тепло- и звукоизоляции, а также в области создания протезирующей ткани при операциях на костях. В наших экспериментах отслежены последовательности развития устойчивого композита при колонизации диатомеями поверхности образцов особо прочного синтетического полимера, стойкого к коррозии. Процесс заселения образцов происходил на базе сообществ, сформированных в накопительных культурах из природной морской среды. Образцы сверхвысокомолекулярного полиэтилена низкого давления (СВМПЭ) с гладкой и пористой структурой поверхности (с открытой ячейкой, до 80 объёмных % пористости) были подвергнуты колонизации диатомовыми водорослями Karayevia amoena (Hust.) Bukht., 2006, Halamphora coffeaeformis (C. Agardh) Levkov, 2009 и Halamphora cymbifera (W. Greg.) Levkov, 2009. Лабораторные эксперименты продолжались три недели. Накопительные культуры микрофитов, на базе которых проводили эксперименты, были получены из Балтийского моря (район г. Балтийска, Россия) и Аравийского моря (район г. Мумбаи, Индия). Типы и стадии развития колониальных поселений на различных элементах микрорельефа фронтальной поверхности и в подлежащих полостях изучали с помощью сканирующего электронного микроскопа на образцах, подвергнутых постадийной термической сушке. Отдельные клетки K. amoena, H. coffeaeformis и H. cymbifera, их цепочковидные агрегаты и распростёртые колониальные поселения занимают различные по степени неоднородности элементы поверхности микрорельефа, образуя структуры мощностью в 1–2 слоя со средней высотой поселения 1–1,3 высоты единичной особи. Клетки K. amoena плотно фиксируются на полимерном субстрате, используя поровый аппарат нижней створки панциря. При этом наблюдения с помощью сканирующего электронного микроскопа выявили отпечатки панцирей на субстрате, являющиеся признаками внедрения полимерной подложки в ареолы гипотеки. Рассмотрены механизмы распространения диатомей трёх указанных видов по различным элементам поверхности СВМПЭ, а также формирования характерных элементов колониальных поселений, в том числе для K. amoena — последовательно в форме «горшков» и сфер, посредством взаимодействия с поверхностью полимера и её растяжения по мере нарастания количества плотно прикреплённых клеток в колониальном поселении.
Аннотация (alternative)
The topic of interactions between plastic and natural communities is now more relevant than ever before. Gradual accumulation of artificial polymer products and their fragments in the natural environment has reached a level at which it is already impossible to ignore the affect of these materials on living organisms. First and foremost, microorganism colonies inhabiting different biotopes, both aquatic and terrestrial, have been affected. These species are at the front-end of interaction with plastic, including those present in marine ecosystems. Nevertheless, in order to understand these processes, it is necessary to take into account several aspects of such interactions: the impact of different types of plastic on microbial community through the release of their decomposed products into the environment, the forms of plastic usage by microorganisms themselves, including mechanisms for surface colonization, as well as possible biodegradation processes of polymers due to the actions of microorganisms. At the same time, types of plastic may differ not only in mechanical strength, but also in their resistance to biodegradation caused by microorganisms. Experiments with surface colonization of types of plastic, which are different in composition and mechanical strength, provide a wide range of results that are not just relevant for understanding modern natural processes involving plastic: these results are also important for application in certain areas of technology development (for example, when creating composite materials). In particular, researches into the forms and mechanisms of sustainable colonization of particularly strong polymers by diatoms from natural communities are of great interest. Due to the fouling of surface of particularly strong synthetic polymers by diatoms, it is possible to form a single diatom-polymeric composite with general properties being already substantially different from those of the polymer itself. For example, when a polymer is fouled with diatoms that are firmly held on its surface due to physiological mechanisms that ensure their reliable fixation, total surface area of the composite increases by 2–3 orders of magnitude compared with this of bare polymer. Such composites and their properties are formed due to mechanisms of substrate colonization used by diatoms from natural marine cenoses – during the transfer of these mechanisms to a new material being prospective for diatom settlement. The practical applications of these composites lie in the sphere of heat and sound insulation, as well as in the field of creating prosthetic tissues for bone operations. In our experiments, we tracked the sequence of development of a stable composite when diatoms colonized the surface of samples of a particularly strong synthetic polymer being resistant to corrosion. In this case, the sample population process took place on the basis of colonies formed in accumulative cultures from the natural marine environment. Samples of ultra-high molecular weight polyethylene (UHMWPE) with a smooth and porous surface structure (with an open cell, bulk porosity up to 80 %) were colonized by diatoms Karayevia amoena (Hust.) Bukht., 2006, Halamphora coffeaeformis (C. Agardh) Levkov, 2009, and Halamphora cymbifera (W. Greg.) Levkov, 2009. These laboratory experiments lasted for three weeks. Accumulative microphyte cultures, on the basis of which the experiments were conducted, were obtained from the Baltic Sea (Baltiysk area, Russia) and the Arabian Sea (Mumbai area, India). The types and stages of development of colonial settlements on various elements of the frontal surface microrelief and in the underlying caverns were studied using a scanning electron microscope on samples subjected to stepwise thermal drying. Individual cells of K. amoena, H. coffeaeformis, and H. cymbifera, their chain-like aggregates, and outstretched colonial settlements occupied varying in degree non-homogeneous microrelief surface elements, forming structures with a thickness of 1–2 layers with an average settlement height of 1–1.3 single specimen height. K. amoena cells were tightly fixed to the polymer substrate using the pore apparatus of the flap of the frustule. Observations using scanning electron microscope revealed shell imprints on the substrate, which were signs of a polymer substrate introduction into hypotheca areoles. The spread mechanisms of diatoms of three mentioned species on various elements of UHMWPE surface were explored, as well as the formation of the characteristic elements of colonial settlements, including for K. amoena – consecutively in the form of “pots” and spheres, by means of interaction with polymer surface and its extension with the increase in the number of tightly attached cells in the colonial settlement.
Ключевые слова
диатомеи, диатомовые водоросли, Bacillariophyta, колонизация пластика, СВМПЭ, устойчивые материалы, пластик в морской среде
Библиографическое описание
Сапожников Ф. В., Салимон А. И., Корсунский А. М., Калинина О. Ю., Сенатов Ф. С., Статник Е. С., Цветинович Ю. Особенности формирования колониальных поселений морских бентосных диатомей на поверхности синтетического полимера // Морской биологический журнал. - 2020. - Т. 5, № 2. - С. 88-104. https://doi.org/10.21072/mbj.2020.05.2.08