Features of formation of colonial settlements of marine benthic diatoms on the surface of synthetic polymer

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.

Ключевые слова: диатомеи, диатомовые водоросли, Bacillariophyta, колонизация пластика, СВМПЭ, устойчивые материалы, пластик в морской среде