Научные статьи
Влияние состава субстрата на жизнедеятельность дождевых червей в условиях искусственн
Объектом исследований влияния искусственной микрогравитации был избран Красный калифорнийский гибридный червь. Выбор этого представителя беспозвоночных обусловлен тем, что он является довольно удобным объектом для наблюдений как в наземных, так и в космических экспериментах. Он полностью отвечает требованиям, которые предъявляются к компонентам замкнутой экологической системы космического аппарата: небольшой по размеру, имеет короткий цикл индивидуального развития, высокую плодовитость и т.п. В условиях продолжительных космических экспедиций дождевые черви могут использоваться с целью утилизации и рециклинга органических отходов жизнедеятельности космонавтов, пищевых отходов, водорослей, целлюлозы и других органических компонентов замкнутой системы космического аппарата, и получения органического удобрения – вермикомпоста (биогумус), который в дальнейшем можно использовать как полноценный искусственный грунт для выращивания растительной продукции, а также растений, необходимых для проведения наблюдений за их состоянием в условиях действия комплекса факторов космического полета.
При составлении разных вариантов пищевого субстрата для дождевых червей основное внимание уделяли изучению влияния содержания в нем белковых веществ. Так, были подобраны смеси, содержание белка в которых колебалось от 29,1 до 9,4%. Наблюдение за поведением червей в разных пищевых субстратах показало, что смесь №1, в состав которой входили: творог – 21,4%, белок куриного яйца – 21,4% и песок – 28,6% (среднее содержание белка составляло 29,1%) полностью усваивалась червями в течение суток. Но при влажности 75-80% и температуре 22-25°C через 2-3 суток из белкового субстрата начали выделяться аммиак и сероводород. Только через две недели, когда эти вещества перестали образовываться и выделяться из субстрата, заселенная новая партия червей нормально себя чувствовала в таком пищевом субстрате.
Близкие результаты были получены при испытании пищевых субстратов №2, в котором содержался горох – 14,2%, белок куриного яйца – 14,3% и песок – 28,6% (содержание белка – 27,5%), №3, содержащий белок куриного яйца – 42,8%, песок – 28,6% и опилки – 28,6% (среднее содержание белка – 22,5%) и №4, в котором было гороха – 42,8%, песка –28,6 и опилок – 28,6% (среднее содержание белка – 18%).
Несколько лучше чувствовали себя черви в пищевом субстрате №5 с содержанием белка 14,8%, в состав которого входили белок куриного яйца – 42,8%, песок – 28,6% и опилки – 28,6%. Выделение аммиака и сероводорода начиналось лишь на 5-6 суток и в значительно меньшем количестве.
Наилучшим для червей оказался пищевой субстрат №6 с содержанием белка 9,4%, в который входила капуста – 14,3%, морковь – 14,2%, свекла красная – 14,3%, песок – 28,6% и березовые опилки – 28,6% .
Субстратная смесь №7, в которую входила пшеничная мука – 42,8%, песок – 28,6% и опилки – 28,6%, не отвечала потребностям червей. Они отказывались в нее заползать, а при насильственном вселении их в этот субстрат, всяческими способами освобождались из него. Возможно, это обусловлено повышенной кислотностью мучного субстрата (5,0-5,5). Данный субстрат становится более пригодным для выращивания червей после нейтрализацией добавлением карбоната кальция (6,8-7,2) .
Проведено также изучение пригодности различных углеводных субстратов как основной среды для выращивания дождевых червей в условиях искусственной микрогравитации (клиностатировании).
Для питания червей при клиностатировании использовали углеводный субстрат №8, в состав которого входили следующие компоненты: картофель – 52,6%, песок – 31,6%, березовые опилки – 15,8%. Оказалось, что в данном пищевом субстрате черви чувствовали себя неодинаково в естественных условиях (контроль) и под влиянием микрогравитации. Так, через 28 суток эксперимента, в данном субстрате в контроле выжило 93,7% червей, а при микрогравитационной нагрузке – 56,3%.
При использовании пищевого субстрата №9 такого состава: красная свекла – 40,0%, капуста – 26%, сено – 34% черви чувствовали себя нормально и с готовностью его поглощали независимо от условий опыта. Как в контрольной, так и опытной группах наблюдали появление личинок.
Дождевые черви чувствовали себя лучше всего в пищевом субстрате №10, который состоял из гниющего сена – 38,5%, красной свеклы – 19,2%, капусты – 19,2%, картофеля – 19,2% и туалетной бумаги – 3,9%. Лишь в этом субстрате во время клиностатирования черви дали потомство. В этом субстрате было найдено значительное количество коконов и личинок. Через 28 суток появлелись ювенильные особи.
Таким образом, можно считать, что наиболее пригодным для жизнедеятельности Красного калифорнийского гибридного червя в условиях микрогравитации является пищевой субстрат, в котором содержание белка не превышает 9,0% при нейтральных значениях pH среды – 6,8-7,2.
По разработанной нами технологии после смешивания компонентов, которые входят в состав пищевых субстратов при соответствующей влажности (70-60%), необходимо выдерживать их при комнатной температуре в течение 7 дней с целью предварительного компостирования. В зависимости от состава субстрата (содержание белков, клетчатки, липидов, моно-, ди- и полисахаридов) преобладают те или иные типы брожения, которые определяют его качество.
Можно предположить, что в пищевых субстратах с содержанием белка (18,0-29,1%) и отсутствием растительных отходов (сена) преобладает активное бактериальное брожение. Поскольку бактерии утилизируют как белковые, так и углеводные вещества, то подавляющее большинство питательных веществ пищевого субстрата быстро включается в процесс бактериальной трансформации. В процессе анаэробного брожения происходят процессы сульфат- и нитрат-редукции. Отрицательными факторами, которые усиливают гнилостное анаэробное брожение являются: высокая температура, высокая влажность и высокая плотность субстрата, а также наличие минеральных примесей, которые содержат SO42– группы (речной песок, керамзит, измельченный известняк).
В субстратах, где преобладают такие органические отходы как гниющее сено и овощи, процессы брожения происходят совсем по-иному. На первых этапах брожения (3-5 дней) на сене может развиваться сенная палочка, которая усваивает легкодоступные моно- и дисахариды и растительные белки. Через 4-5 дней преобладает грибковая сапрофитная флора в зависимости от условий – родов Candida, Mucor, Archimicetes и др. Гниющие овощные остатки преимущественно усваиваются одноклеточными грибами – дрожжами, молочнокислыми бактериями, архимицетами, мукором. Однако в случае интенсивного протекания процессов брожения отрицательным явлением является снижение значений pH среды до 4-5 и чрезмерное выделение микотоксинов. Следует отметить, что при умеренном протекании процесса брожения по бактериально-грибному типу созданные условия оказываются целиком благоприятными для заселения червями пищевого субстрата. Они активно поглощают пищевой субстрат, активно размножаются и общая биомасса популяции увеличивается.
Необходимо обратить внимание, что через семь дней после подготовки субстрата основная масса питательных веществ – белки, углеводы (кроме углеводов клетчатки) и липиды теряет свою нативность. Значительный процент питательных веществ – это заново синтезированные сапрофитной микрофлорой бактериальные и грибковые белки, липиды, углеводы, которые имеют несколько иной химический состав, по-иному поддаются гидролизу пищеварительными ферментами червей.
Заселенные в такой пищевой субстрат дождевые черви переваривают, усваивают и включают в состав тканей своего организма вещества вторичносинтезированные. Одновременно органы выделения червей возвращают в субстрат продукты своей жизнедеятельности, которые менее энергоемкие и имеют более простое химическое строение – мочевина, мочевая кислота, фосфаты. Они обеднены по питательным веществам и содержат обработанный пищеварительными ферментами химус, СО2 и др.
Дождевые черви, переваривая субстрат, вносят в него продукты выделения, кроме того, на субстрат действует бактерицидная мукополисахаридная слизь, выделяемая внешними эпителиальными покровами и из кишечника. Все это может существенно изменять видовой и количественный состав микрофлоры, что в свою очередь, изменяет интенсивность и направление процессов брожения субстрата.
Показано, что химический состав пищевого субстрата, благодаря сложной динамике физико-химических и микробиологических процессов, которые определяют его и изменяют, неоднозначно и существенно зависит от условий эксперимента. Так, при наиболее низком уровне влажности (48,6% в контроле и 48,8% в опыте) на 21 день при использовании в качестве субстрата разных овощей и сена наблюдается наименьшее содержание в нем белков и липидов. Содержание этих составных компонентов субстрата возрастает к 28 дням одновременно с увлажнением пищевого субстрата до 59,8-63,7%. Низкое содержание белков и липидов, которые являются основными компонентами микроорганизмов, свидетельствует о том, что развитие сапрофитной флоры при низком уровне влажности замедляется и утилизация и рециклинг белковых и липидных веществ дождевыми червями происходит интенсивнее, чем их синтез сапрофитной микрофлорой. То есть, при низкой влажности субстрат становится менее питательным и уменьшается интенсивность трансформации его составных частей сапрофитами.
Нами было изучено изменение содержания белка в пищевых субстратах в зависимости от его начального уровня (13-15% – в субстрате с гниющим сеном, 7-10% – при внесении других источников целлюлозы). Установлено, что содержание белка в них мало зависело от времени его переработки дождевыми червями и плотности популяции, но определялось уровнем влажности и температурными условиями.
Иная закономерность прослеживается при анализе содержания липидов в пищевом субстрате. В популяциях микросапрофитов липиды в основном представлены сложными структурными липидами клеточных мембран бактерий, а также запасными энергоемкими веществами в вакуолях клеток грибков. Следует отметить, что содержание липидов в дождевых червях довольно высоко и достигает 2,5-5,1% при благоприятных условиях их существования.
В поставленных экспериментах установлено, что уровень содержания липидов в пищевом субстрате №10, благоприятный для дождевых червей, уменьшается по мере утилизации и реутилизации субстрата червями, он снижается с 5,4 до 2,0% на 28 день в контроле и с 5,0 до 3,5% в эксперименте с микрогравитацией. Пищевой субстрат №8, который неблагоприятен для культивирования дождевых червей, при высокой температуре инкубации и колебаниях уровня влажности и когда биомасса популяции червей почти не возрастала, уровень содержания липидов существенно не изменялся.
Это свидетельствует о том, что как в условиях микрогравитации, так и в естественных условиях результатом взаимодействия популяции дождевых червей с пищевым субстратом и сапрофитной микрофлорой, которая в нем обитает, является сдвиг равновесия в пользу бактериальной сапрофитной флоры и угнетения микофлоры.
Наиболее показательными являются изменения содержания клетчатки в субстратах по мере их утилизации сапрофитной микрофлорой и дождевыми червями. Содержание клетчатки, в первую очередь, зависит от активности микросапрофитной популяции, и несколько меньше зависит от активности бактериального брожения субстрата. В процессе гидролиза клетчатка выступает как источник энергоемких моносахаридов, которые обеспечивают жизнедеятельность сапрофитов. Уменьшение влажности подавляет скорость утилизации клетчатки в результате угнетения бактериального и грибкового брожения субстрата.
Автор(ы): Н.Ю.Евтушенко, В.Д.Соломатина, О.Г.Зиньковский, А.С.Потрохов, Ю.Д.Коновалов, Н.А.Моги
Источник: Материалы II научно-практической конференции "Дождевые черви и плодородие почв"
|
Статистика по сайту 
