Введение к работе
Актуальность темы. Высшие растения - один из ключевых звеньев биологической системы жизнеобеспечения (БСЖО). Постоянным компонентом биоценоза фототрофного звена БСЖО является сопутствующая микрофлора, в постоянном взаимодействии с которой находятся высшие растения. Микроорганизмы - индикаторы состояния высших растений (Тирранен, Шиленко, 2008; Gitelsonetal., 2003; Tirranen, 2008), способны быстро и разнообразно отзываться на влияние окружающей их внешней среды (Кожевин, 2000; Заварзин, 2003 и др.).
Установлено, что ингибирует рост растений, снижает их продуктивность и влияет на микробный пейзаж звена высших растений в замкнутой экосистеме комплекс факторов, важнейшими из которых являются: длительное использование питательного раствора, введение в него внутрисистемной сточно-бытовой воды и газовое замыкание системы(Tirranen, 2001;Gitelsonetal., 1997;Tirranen, 2008).
В ранее проведенных экспериментах в замкнутой экологической системе «БИОС-3» растительные отходы и экзометаболиты человека (нативные выделения испытателей) выносились из БСЖО(Gitelsonetal., 2003).
Создание биологической системы жизнеобеспечения (БСЖО) нового поколения с более высокой степенью замкнутости круговорота веществ возможно за счет повышения эффективности утилизации растительных и физиологических отходов человека.
Какие изменения произойдут в микробиоте питательного раствора при введении в него жидких выделений человека при бессубстратном (воздушно-субирригационном) методе выращивания разновозрастной монокультуры пшеницы в замкнутой экологической системе и справится ли микрофлора раствора с ролью деструктора жидких выделений человека?
Кроме того, предстояло выяснить, не приведет ли выращивание одновозрастной монокультуры пшеницы в течение нескольких ротаций на почвоподобном субстрате (ППС), созданной на биологически переработанной соломе, к явлению, сходному с почвоутомлением? Известное ингибирование роста высших растений в замкнутых системах жизнеобеспечения человека (Лисовский, Шиленко, 1975; Gitelsonetal, 2003) определяет необходимость поиска токсикантов, вызывающих это явление. В ряде работ (Беркович, Следь, 1989; Gitelsonetal, 2003 и др.) показано, что угнетение роста растений взамкнутойБСЖО связано с особенностями газового состава ее атмосферы.Одним из направлений поиска ингибиторов может быть исследование влияния газообразных веществ атмосферы замкнутой системы на рост микроорганизмов. Известно, что микроорганизмы быстрее реагируют на изменения в замкнутой системе, чем растения, и могут рассматриваться в качестве биоиндикаторов состояния атмосферы (Tirranen,Gitelson, 2006).
Цель работы состоит в анализе и оценке реакции микроорганизмов на воздействие экологических факторов в фототрофном звене замкнутой системы жизнеобеспечения человека.
Основные задачи:
-
Выявить изменения в микробиоте раствора с жидкими выделениями человека при бессубстратном методе выращивания разновозрастной монокультуры пшеницы в замкнутой экосистеме;
-
Охарактеризовать микрофлору раствора, используемого для культивирования одновозрастных растений пшеницы на почвоподобном субстрате (ППС) без экзометаболитов человека, на ППС с нативными и минерализованными физико-химическим способом физиологическими отходами человека;
-
Оценить влияние отдельных газообразных веществ – возможных источников загрязнения атмосферы замкнутой экосистемы на рост тест-микроорганизмов.
Научная новизна. Впервые показано, что микрофлорапитательного раствора при дробном введении в него жидких выделений человека и 70 % замене нитратного азота на азот мочи при воздушно-субирригационном способе выращивания разновозрастной монокультуры пшеницы успешно справляется с ролью деструктора жидких выделений человека. Обнаружено, чтовыращивание растений на ППС с использованием физико-химического метода переработки физиологических отходов человека целесообразнее, чем введение в ППС нативных продуктов жизнедеятельности человека.Изучено действие разных концентраций этилена на рост Bacilluscereus 60 в ростовой микрокамере О.К. Кузнецова для ускорения отклика микроорганизмов.
Практическая значимость. Полученные результаты могут быть востребованы при разработке биологических систем жизнеобеспечения, основанных на использовании высших растений и предусматривающих длительное пребывание в таких системах человека в условиях полной изоляции от земной биосферы (в космосе, под водой), в труднодоступных районах планеты - в полярных широтах, пустынях, в высокогорье.
По микробиологическим показателям выращивание растений на почвоподобном субстрате (ППС) с использованием физико-химического метода переработки экзометаболитов человека целесообразнее, чем введение в ППС нативных продуктов жизнедеятельности человека.
Выявленная индивидуальная чувствительность тест-микроорганизмовк разным концентрациям газообразных веществ подтверждает перспективность использования микроорганизмов в качестве биотестов загрязнения атмосферы.
Положения, выносимые на защиту:
1.Микробное сообщество питательного раствора при 70 % замене нитратного азота на азот мочи успешно справляется с ролью деструктора нативной мочи человека.
2.Наблюдаемые изменения в микрофлоре и состоянии одновозрастной пшеницы, культивируемой на почвопообном субстрате, используемом в течение 3 ротаций, аналогичны изменениям при почвоутомлении.
Наибольшие изменения выявляются в микробиоте раствора и массе зерна одновозрастной монокультуры пшеницы при выращивании ее на почвоподобном субстрате (ППС) с нативными экзометаболитами человека.
3.Индивидуален спектр действия отдельных газообразных веществатмосферына рост использованных тест-культур. Спектр чувствительности тест-микроорганизмов к влиянию разных концентраций исследуемых токсикантов также индивидуален.
Апробация работы. Основные положения диссертации доложены и обсуждены на Международных совещаниях по искусственным замкнутым экосистемам, Красноярск, 1990, 1991; Всесоюзной конференции “Биотехнология и биофизика микробных популяций”, Алма-Ата, 1991; Всесоюзном симпозиуме «Микробиология охраны биосферы Урала и Северного Прикаспия», Оренбург, 1991; XXV и XXXIV Научных чтениях, посвященных разработке творческого наследия К.Э. Циолковского, Калуга, 1990, 1999;Международной конференции «Физиология растений – наука III тысячелетия», Москва, 1999; Международных ассамблеях по космическим исследованиям:Вашингтон, США, 1992; Гамбург, Германия, 1994; Бирмингем, Англия, 1996; Нагоя, Япония, 1998; Варшава, Польша, 2000; Хьюстон, США, 2002; Париж, Франция, 2004; Пекин, Китай, 2006; на 17 Международном симпозиуме «Человек в космосе» IAA, Москва, Россия, 2009.
Публикации.По теме диссертации опубликовано20работ, в том числе 4 статьи в журналах, включенных в перечень изданий, рекомендованных ВАК РФ.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа изложена на 115 страницах, содержит 16 рисунков и 14 таблиц, состоит из введения, обзора литературы, материала и методики исследования, результатов и их обсуждения, практических рекомендаций, выводов, списка литературы, содержащего ссылки на 127 источников, из которых42 – на иностранных языках.
