Введение к работе
АКТУАЛЬНОСТЬ ПРОБЛЕМУ. Природные водные экосистемы являются сложными динамическими системами, состоящими из огромного количества компонент. Многокомпонентность и масштабность природных водных экосистем обуславливают необходимость применения системного подхода в гидроэкологических исследованиях. В рамках системного подхода особую важность преобретают интегральные кинетические показатели, характеризующие состояние экосистемы в целом, для экспериментального измерения которых необходимо разрабатывать специальные методы и аппаратуру.
Одним из перспективных направлений экспериментальных интегратив-ных исследований является зарождающаяся научная дисциплина - экологическая биофизика. Задачи и предмет экологической биофизики состоят в следующем (Гительзон и др., 1Э93): 1) изучение физических процессов, являющихся отражением интегральных кинетических свойств экосистем, и создание на их основе соответствующих методов мониторинга; 2) осуществление практической абстракции - физическое и математическое моделирование; 3) исследование роли живых организмов в физических процессах экосистемного масштаба. В связи с этим эколо-го-биофизический подход представляется наиболее адекватным при изучении такого уникального природного объекта как поверхностная пленка водоемов. Поверхностная пленка воды, как и всякая поверхность раздела, обладает особыми физико-химическими характеристиками и является ключевым звеном во взаимодействии водоема и атмосферы. Природные сурфактанты, такие как свободные жирные кислоты, аккумули-рувдиеся в поверхностной пленке, могут влиять яа ее свойства, меняя тем самым тепло-, массобмен водоема и атмосферы. Поэтому воздействие сурфактантов на свойства поверхностной пленки заслуживает самого тщательного изучения.
Поверхностная пленка тесно взаимосвязана с водной толщей вследствие миграций организмов и флотации веществ - биогенных сурфактантов, поступающих из нижележащего столба воды. Вполне возможно, что состав органического вещества поверхностной пленки отражает экологические процессы, происходящие в нижележащем столбе воды. Таким образом, расшифровка информации, интегрированной в поверхностных пленках органических веществ, представляется перспективной задачей, поскольку дает потенциальную возможность получить представление о состоянии водной экосистемы в целом.
ЦЕЛЬЮ диссертационной работы явилось изучение свободных жирных
4 кислот (СЯК) поверхностной пленки природного водоема как природных интеграторов информации об экологических процессах, происходящих в толще воды, а также воздействия пленок СЖК на, теплообмен вода-воздух. Были поставлены следующие ЗАДАЧИ:
-
Изучить состав СЖК поверхностной пленки природного водоема и рассмотреть потенциальную возможность использовать состав этих кислот как биомаркер экологических процессов, происходящих в толще воды.
-
Исследовать состав внеклеточных СЖК в лабораторных культурах водорослей на разных стадиях роста культуры и при лимитировании роста ее биогенными элементами.
-
Экспериментально исследовать воздействие пленок СЖК на температурный режим поверхностного микрослоя вода и оценить потенциальную возможность регистрации наличия поверхностно-активных веществ (ПАВ) на поверхности воды на основании измерений температуры поверхностной пленки.
На защиту выносятся следующие ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ.
Состав свободных жирных кислот поверхностной пленки природных водоемов определяется состоянием Оиоты нижележащего слоя воды, в частности, фазами сезонной динамики фитопланктона.
Состав внеклеточных СЖК лабораторных культур водорослей отражает их состояние, а именно фазу роста культуры и наличие или отсутствие лимитирования роста недостатком биогенных элементов.
—^МонослойЧ!ЖК-влияет-іїа-температуру-поверхности-вода-^даойствешшм образом, уменьшая температуру холодной пленки и увеличивая температуру теплой пленки, что накладывает физическое ограничение на создание методов дистанционного определения ПАВ по измерению разности температур поверхностной пленки и толщи воды.
НАУЧНАЯ НОВИЗНА И ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ РАБОТЫ. Установлена зависимость состава СЖК поверхностной пленки природного водоема от фазы сезонной динамики фитопланктона. Показана возможность решения обратной задачи. Сформулировано представление о поверхностной плен-
ке ПАВ как интеграторе информации о. функционировании экосистемы всей толщи воды. На основании анализа состава различных групп СЖК поверхностной пленки и данных лабораторного эксперимента показано, что в основе идентификаторных признаков СЖК лежат физиолого-Сиохимические механизмы. В лабораторных опытах продемонстрирована потенциальная возможность определения лимита роста фитопланктона по составу внеклеточных СЖК. Предложена гипотеза о механизмах выделения СЖК клетками водорослей.
Доказано и объяснено двойственное влияние мономолекулярного слоя СЖК на температуру поверхностной пленки воды, а именно увеличение температуры теплой пленки и снижение температуры холодной пленки.
ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ. Предлагаемое в работе использование СЖК-идентификаторов для определения интегральных функциональных характеристик водных экосистем может оказаться весьма перспективным направлением экологического мониторинга. Обнаруженная неоднозначность влияния пленок ПАВ на температуру поверхностной пленки свидетельствует сЛалоперспективности попыток создания дистанционных методов оценки ПАВ на поверхности водоемов на основе измерения температуры. Найдена частотно-амплитудная характеристика колебаний температуры холодной поверхностной пленки воды, которая может использоваться при проведении полевых экспериментов, направленных на создание методов дистанционного определения ПАВ. Разработан метод определения состава и концентраций СЖК в полевых условиях на базе отечественного высокоэффективного жидкостного хроматографа "Миллихром".
АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Материалы диссертации докладывались на XVIII Международном симпозиуме по колоночной жидкостной хроматографии (Миннеаполис, США, 1^94), семинарах Института биофизики СО РАН (Красноярск, 1991-94).
ПУБЛИКАЦИИ. По теме диссертации опубликовано 5 работ.
СТРУКТУРА И ОБЪЕМ РАБОТЫ, диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, выводов, списка литературы и приложений. Работа изложена на 165 страницах машинописного текста, содержит 26 рисунков и 14 таблиц. Список литературы включает 157 источников, из них 110 - на английском языке.