Публикация научных статей.
Вход на сайт
E-mail:
Пароль:
Запомнить
Регистрация/
Забыли пароль?
Вакпрофи. Публикация статей ВАК, Scopus
Научные направления
Поделиться:
Статья опубликована в №56 (апрель) 2018
Разделы: Биотехнологии
Размещена 01.04.2018. Последняя правка: 06.05.2018.

Особенности двигательной активности гидробионтов при изменениях рН воды

Степанюк Иван Антонович

доктор физико-математических наук, профессор

Российский государственный гидрометеорологический университет

профессор кафедры океанологии

Баландина Наталья Львовна, канд.физ.-мат.наук, РГГМУ. Фролова Наталия Сергеевна, ст. преподаватель, РГГМУ Комарова О.В., инженер, РГГМУ Емелина Антонина Владимировна, научный сотрудник, Мурманский морской биологический институт


Аннотация:
Рассматриваются результаты экспериментов по определению двигательной активности карповых рыб Cyprinidae при изменениях рН воды. Эксперименты проводились в контролируемых лабораторных условиях. Описаны методики проведения экспериментов и обработки данных. При анализе средних значений активности и функций спектральной плотности биоритмики выявлены: зона толерантности (рН=6,5÷9,5) и зоны «дискомфорта» в кислотной и щелочной областях. При этом в каждой из зон «дискомфорта» выделены участки с вероятностью летальных исходов.


Abstract:
The experiments described in this article were intended to determine the connection between the moving activity of carps Cyprinidae and variations of the pH of water. These experiments were conducted under a set of controlled laboratory conditions. The experimental procedure and the data processing method are described in the article. The analysis of the mean values of the activity and the spectral density function of biorhythms has determined that there are several areas: a tolerance area (pH = 6.5÷9.5) and two discomfort areas in acidic and alkaline conditions. The regions with the risk of mortality have also been identified in each discomfort area.


Ключевые слова:
гидробионты; двигательная активность; рН воды; лабораторные эксперименты; спектральные характеристики активности

Keywords:
hydrobionts; moving activity; pH of water; laboratory experiments; spectral characteristics of activity


УДК 639.37+ 557.3

Введение. Известно, что многие гидрофизические факторы являются экологически значимым для гидробионтов. Особый интерес вызывает рН воды. При обитании в естественной среде гидробионты самостоятельно могут выбрать наиболее комфортные условия. Однако в системах аквакультуры эти условия задаются искусственно. Тем самым становится необходимым изучение особенностей влияния гидрофизических факторов на поведение выращиваемых гидробионтов.

Обычно при  изучении роли факторов среды представляют наибольший интерес их влияние на такие характеристики как  потребление гидробионтами пищи, эффективность наращивания ими своего веса и выживаемость. Иные характеристики жизнедеятельности меньше принимаются во внимание.

Обзор литературных источников по влиянию рН на гидробионтов приводит к выводу, что чаще всего рассматривается такая характеристика как «выживаемость».  Принятая в литературе зона толерантных условий 6,5÷8,5 значений рН преимущественно основана на этом критерии. Какие-либо экспериментальные данные о «комфортности» либо «дискомфортности» условий рН нами не обнаружены.

Ранее в наших работах (например [1,4,5]) было показано, что весьма эффективными методиками исследования условий жизнедеятельности гидробионтов являются методики по определению числовых значений двигательной активности (ДА) с последующим статистическим анализом получаемых данных. Методики были многократно апробированы при изучении роли крайне низкочастотных электромагнитных полей.

Ввиду необходимости интенсификации развития систем аквакультуры в РФ (см. например, доклад [6]), становится необходимым изучать различные особенности жизнедеятельности гидробионтов в искусственных условиях, в том числе – их двигательную активность. Обычно с двигательной активностью животных связана их пищевая активность (см. например [9]), а тем самым  – эффективность аквакультурных хозяйств.

Разработанные нами методики определения двигательной активности (ДА) были применены для оценки роли рН воды в жизнедеятельности карповых рыб.

Методики исследований. Для определений двигательной активности (ДА) в наших экспериментах использовалась следующая методика: определение интенсивности перемещений гидробионтов между секциями лабораторного бассейна, при этом опыты проводились как в продольном бассейне (длиной примерно 2 м, 4-5 секций, границы только отмечены), так и в прямоугольном, где секции  фиксировались плоскими границами на дне).

Схемы экспериментальных бассейнов приведены на рис. 1. Здесь на рис.1,а показан  продольный бассейн с 4-мя секциями, на рис. 1,б – прямоугольный бассейн с автоматической регистрацией положения рыб видеокамерой в режиме покадровой съемки с задаваемой дискретностью.

 

 1.png

Рисунок 1 –  Схемы конструкций для определения двигательной активности гидробионтов

Более подробно эти установки описаны в наших работах (например  [5,8] и др.).

Методики проведения экспериментов и обработки результатов.  Влияние рН на двигательную активность изучалось нами преимущественно на карповых рыбах Cyprinidae. Выбор этих рыб обусловлен наибольшей распространенностью их как объекта аквакультуры (например [2,7]).

Влияние рН на карповых рыб оценивалось ранее  в работе [2]. Выявлялась их выживаемость при значительных изменениях рН. Было показано, что выживаемость максимальна в интервале рН=6,5÷8,5.

В нашей работе изучалась изменчивость более дифференцированной характеристики, а именно – двигательной активности, в зависимости от изменений рН. Эксперименты начинались через 20-30 минут после помещения рыб в бассейн. Это обеспечивало их адаптацию. Количество рыб во всех  экспериментах не менялось. Длитель­ность каждого эксперимента составляла 4 часа. Количество рыб было фиксированным. Значения ДА определялись с дискретностью 1 мин как изменения расположения рыб за интервал 15 с. За­тем производился расчет ДА по следующей формуле:

|(ai - ai+1 )| + |(bi + bi+1)| + |(ci – ci+1)| +|(di – di+1)| = Ri,

где   ǀ(ai- ai+1)ǀ, |(bi + bi+1)|, |(ci – ci+1)| , |(di – di+1)|  -  модули разностей  количества рыб в каждой из секций в моменты времени (i) и  (i+1);

           Ri – характеристика двигательной активности.

Для экспериментов предварительно готовился раствор с определенным значением рН. Контроль рН производился на рН-метре «Delta 320рН» при ав­томатической температурной компенсации. Основные характеристики рН-метра: рабочий диапазон рН: от 0.0 до 14.00, разрешающая способность: рН = 0.01, t = 1°С; относительная погрешность рН = ± 0.01, t = ± 1°; цена деления на дис­плее: 0.2 рН.

Все измерения проводились при постоянной температуре с отклонениями не более ± 0,5°С.

Поскольку на двигательную активность карповых рыб оказывают существенное влияние геомагнитные возмущения, как это было выявлено ранее в наших работах (например [5]), то для каждой серии экспериментов оценивалась геомагнитная обстановка. Использовались данные обсерватории Соданкюля (www.sgo.fi).

Статистическая обработка результатов проводилась как с помощью стандартного пакета «MESOSAUR», так и с использованием оригинального пакета «PRIZMA S» (автор пакета Густоев Д.В., РГГМУ), преимуществом которого являлась возможность расчета характеристик шумов при спектральном анализе рядов. Грубые погрешности («промахи») исключались из анализа в соответствиями с метрологическим критерием (например [3]).

Результаты. Пример спектрального анализа, полученного в пакете «PRIZMAS», показан на рис. 2. Трендовая составляющая и шумы дискретизации перед этим анализом были устранены полосно-пропускающим фильтром Поттера из пакета  «MESOSAUR». Рассчитанная кривая красного («коричневого») шума указана с доверительными интервалами. Пики спектральной плотности, превышающие верхнюю кривую доверительно интервала, считались значимыми и учитывались в дальнейшем анализе.
Практически на всех характеристиках спектральной плотности при различных рН выделяются два спектральных максимума: в области 5-7 мин, и в области 9-13 мин. При этом изменения рН часто приводят к разделению этих пиков на два участка, например, в первом пике могут проявиться участки 5,3 мин и 6,7 мин (рН=10,65). Это, в свою очередь влечет уменьшение плотности второго пика до уровня верхней границы красного шума.
 

2.png

Рисунок 2 – Спектральная плотность двигательной активности
карповых рыб Cyprinidae при рН=7,2. Выделенная красным цветом кривая –
спектральная плотность красного шума с доверительными интервалами.
Геомагнитная возмущенность – менее 40 нТл.

 Анализ всех полученных данных позволил выделить характерные зоны рН: зону толерантности рыб к изменениям рН – от 6,5 до 9,5, и две зоны «дискомфорта» – в щелочной и кислотной областях, при этом зоны «дискомфорта» условно разделены нами – каждая на два участка (рис.3). При этом в щелочной зоне «дискомфорта» активность существенно выше, чем в кислотной –  вся кривая сильно смещена вправо по отношению к нейтральному значению рН=7.

Следует отметить, что  выявленная нами по ДА зона толерантности примерно соответствует зоне «выживаемости» различных видов гидробионтов, рассмотренной в работе [2].  Однако зона толерантности по ДА получается шире (6,5÷9,5), чем принятая как допустимый предел для живых организмов (6,5÷8,5) [2]. 

3.png

Рисунок 3 – Зависимость средней двигательной активности карповых
рыб Cyprinidae от рН воды по данным экспериментов.
Красные точки – грубые «промахи». Обозначения: 1 – зона толерантности;
2 – слабокислотная зона «дискомфорта»; 3 – слабощелочная зона «дискомфорта»;
4 – опасные зоны «дискомфорта» (с возможностью летальных исходов).

При спектральном анализе ДА выявлены следующие особенности.

Биоритмы двигательной активности изменяются в зависимости от рН, при этом изменяются как характерные периоды, где спектральная плотность превышает верхнюю границу красного шума, так и сами значения плотности.

В основу дальнейшего обобщения были положены максимальные, средние и минимальные значения спектральной плотности в характерной области периодов 5-7 мин. На наш взгляд, они характеризуют уровень «комфорта» либо «дискомфорта» рН воды (рис. 4, 5, 6).

4.png

Рисунок 4 – Характер зависимости от рН максимальных значений
спектральной плотности на выделенных энергонесущих периодах.
Шкала ординат – значения спектральной плотности, умноженные на 10.

 Оценки максимальных значений функций спектральной плотности на выделенных энергонесущих периодах (рис.4) демонстрируют существенное смещение в щелочную область. Возможно, такое увеличение активности связано с чувством «опасности» и стремлением уйти от повышения рН.

Оценки средних значений функций спектральной плотности (рис.5) близки к оценкам максимальных значений, при этом возрастает ширина «полосы пропускания» – преимущественно за счет значений в нейтральной области рН.

5.png

Рисунок 5 – Характер зависимости от рН средних значений спектральной плотности на выделенных энергонесущих периодах.
Шкала ординат – значения спектральной плотности, умноженные на 10.

 

6.png

Рисунок 6 – Характер зависимости от рН минимальных значений спектральной плотности на выделенных энергонесущих периодах.
Шкала ординат – значения спектральной плотности, умноженные на 10.

 При оценках минимальных значений (рис. 6) ширина «полосы пропускания» возрастает еще больше.

Здесь применен термин «полоса пропускания», обычно характерный для передаточных функций динамических систем. Именно к таким системам, на наш взгляд, относятся гидробионты, которые рассматриваются нами как «черный ящик» с нормированным сигналом на входе и регистрируемой реакцией на выходе. Более подробно эти вопросы рассмотрены в монографии [4]).

 Обсуждение.

1. Как уже отмечалось, двигательная активность рыб в значительной мере определяет их пищевую активность, а соответственно – наращивание веса. При этом системы аквакультуры в любом из вариантов их функционирования (садки, пруды и т.д.) связаны с окружающей средой, и рН воды в этих  системах может варьировать. Тем самым, выявленные особенности целесообразно   учитывать при эксплуатации аквакультурных хозяйств не только с позиций «выживаемости», но и с позиций «комфортности».

2. Представляется, что выявленное в экспериментах смещение зоны толерантности в слабощелочную область (повышение активности) не связано с какой-либо «привлекательностью» этой области, а с другими причинами, например, с чувством опасности и стремлением ухода из таких условий. Однако при этом аналогичного повышения значений спектральной плотности в слабокислой области не наблюдается, хотя она тоже относится к зоне «дискомфорта».

Авторы благодарны Д.В. Густоеву за предоставленную возможность использования авторского статистического пакета «PRIZMAS» для наших задач.

Библиографический список:

1. Баландина Н.Л. Роль и особенности учета космогеофизических экологических факторов в рыбопромысловых технологиях.– Автореф. дисс. на соиск. уч. степ. канд. физ.-мат. наук.– СПб.: РГГМУ, 2005.– 20 с.
2. Потехина Г. В. Комплексная оценка качества поверхностных вод рек Ижоры и Оредежа по гидрохимическим показателям. //Внешкольная экология: Сайт межрегионального общественного экологического движения «Гатчина – СПб – Кронштадт» [Электронный ресурс]. – СПб. – Режим доступа: http://есо.nw.ги/lib/data/08/3/020308.html.
3. Селиванов М.Н., Фридман А.Э., Кудряшова Ж.Ф. Качество измерений. – Л.: Лениздат, 1987. – 295 с.
4. Степанюк И.А. Особенности реакций биологических и физико-химических систем на внешние факторы.– СПб.: Изд-во РГГМУ, 2004.– 97 с.
5. Степанюк И.А., Фролова Н.С. Возможности использования рыб в прогностических целях для предсказания опасных процессов в природе [Текст]. // Общество. Среда. Развитие.: Научно-теорет. журнал/ Гл. ред. В.Г. Егоркин – Спб.: ЦНИТ Астерион, 2011. – №3. – С.218-222.
6. Стратегия развития аквакультуры в Российской Федерации на период до 2020 г. Доклад. Электронный ресурс: https://www.ronl.ru/doklady/ekologiya/861495/.– 16 с.
7. Федорова З.В. Зарубежная марикультура в 1988 – 1997 гг.: Статистические данные ФАО //Рыбное хозяйство. Сер. Марикультура, вып. 1. Аналитическая и реферативная информация [Текст] / З.В Федорова.– М., 2000.– С. 4 – 9.
8. Фролова Н.С. Устройство для регистрации двигательной активности гидробионтов.: патент № 148670 РФ: МПК G01D 3/036/; заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВПО «Российский государственный гидрометеорологический университет». – №2014100788/28; заявл. 10.01.2014; опубл. 10.12.2014, Бюл. № 34.
9. Шпарковский И. А. Физиология пищеварения рыб: двигательная функция [Текст] / И.А Шпарковский.– Л.: Наука, 1986.– 176 с.




Комментарии пользователей:

Оставить комментарий


 
 

Вверх