КОНЦЕПЦИЯ В И ВЕРНАДСКОГО О БИОГЕННОЙ МИГРАЦИИ АТОМОВ

КОНЦЕПЦИЯ В. И. ВЕРНАДСКОГО О БИОГЕННОЙ МИГРАЦИИ АТОМОВ ХИМИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ И НОВЫЕ ФАКТЫ О ВЗАИМОДЕЙСТВИИ БИОМАССЫ (ЖИВОГО ВЕЩЕСТВА) С МЕТАЛЛАМИ 19 -е Биогеохимические чтения памяти В. В. Ковальского Институт геохимии и аналитической химии им. В. И. Вернадского РАН Сергей Андреевич Остроумов, д. б. н. , МГУ; ar 55@yandex. ru 8 июня 2015

благодарность коллеги аспиранты 2

Структура доклада: Концепция Вернадского Новые факты Следствия из этих фактов – на пути к уточнению концепции 3

В. И. Вернадский в своих публикациях сформулировал концепцию биогенной миграции атомов. Характерные особенности этой концепции: 1) акцент на движении, перемещении, активной мобильности атомов – «вихрь жизни» ; 2) роль био-фактора – активная роль именно живого вещества, живых организмов. Где он писал об этом? Примеры – следующие публикации: книга «Биосфера» и другие. 4

В книге «Биосфера» (цитирую по изданию 2001 года): «Организмы, … - все эти разнородные, неисчислимые механизмы улавливают атомы в изменяющейся среде, удерживают их в жизненных вихрях, переводя их из одного в другой» (п. 62, стр. 74). 5

В книге «Биосфера» «Жизнь захватывает значительную часть атомов составляющей земную поверхность материи. Под ее влиянием эти атомы находятся в непрерывном, интенсивном движении» (п. 19, с. 34). 6

В книге «Биосфера» «…проявление…энергии жизни в биосфере. Эта энергия проявляется в работе, производимой жизнью, - в переносе химических элементов…» (п. 25, стр. 40). 7

В книге «Биосфера» [… геохимической истории фосфора, кальция, магния…] «… явления вызывают биогенную миграцию… атомов…» (п. 149, с. 146). 8

Эти примеры суммированы в сжатом виде в таблице. Табл 1. Формулировка В. И. Вернадским концепции биогенной миграции атомов в книге «Биосфера» . (ориг. ) Использованные Вернадским выражения, формулировки Номер раздела книги “Биосфера” Стр. по изданию 2001 г. Организмы улавливают атомы, удерживают их в жизненных вихрях 62 74 Жизнь захватывает атомы, под ее влиянием эти атомы – в непрерывном интенсивном движении 19 34 Энергия жизни проявляется в работе, производимой жизнью, – в переносе химических элементов Биогенная миграция атомов 25 40 149 146 9

Каков современный статус этой концепции? Этот статус – в проявлении двух крайностей: Восхваление, повторение этого термина как мантры. Полное отторжение, полное непонимание. ЦЕЛЬ этого доклада – внести вклад в -поиск золотой середины -модернизация этой концепции, если это окажется необходимым 10

Каковы новые факты? Иммобилизация металлов биогенным материалом нескольких типов. Иммобилизация нескольких металлов. А именно, иммобилизация биогенным материалом следующих типов. 1 - Биомасса. 2 - Мортмасса и детрит строго определенного (детерминированного) состава (один биол. вид). 3 - Детрит смешанного состава 11

Примеры. Табл. 2. Типы биогенного материала, участвующего в иммобилизации химических элементов (ориг. ) Типы биогенного материала 1 -Биомасса 2 -мортмасса и детрит строго определенного (детерминированного) состава (один биол. вид) 3 -детрит смешанного состава примеры ссылки Красные термофильные водоросли Galdieria sulphuraria Ceratophyllum demersum Тропин и др. , 2015 Ostroumov, Kolesov, 2010; Dokl. Biol. Sci. Мортмасса водных растений S. A. Ostroumov, S. V. Kotelevtsev, Monique Johnson, J. Tyson, B. Xing. Experimental research: biogenic substance, ecotoxicants, and nanoparticles. Moscow, MAKS Press. 2013. Биодетрит в водных Ostroumov, Kolesov, 2010 микрокосмах Contemporary Problems of Ecology, 12

Табл. 3. Примеры элементов, иммобилизуемых биогенным материалом (ориг). Металлы Ссылки медь золото Тропин и др. 2015 Ostroumov, Kolesov, 2010; Dokl. Biol. Sci. Тяжелые металлы Zn, Cu, Co Ostroumov, Kolesov, 2010; Contemporary Problems of Ecology; Пухов В. В. , Лубкова Т. Н. , Шестакова Т. В. , Тропин И. В. , Котелевцев С. В. , Остроумов С. А. Биосорбция металлов эукариотными микроорганизмами – анализ методом ICP-MS. Black Sea, 21 ( 3): 10 -15. Европий, церий, S. A. Ostroumov, S. V. Kotelevtsev, Monique индий и др. Johnson, J. Tyson, B. Xing. Experimental research: biogenic substance, ecotoxicants, and nanoparticles. 13 Moscow, MAKS Press. 2013.

Примеры конкретных цифр для иммобилизации трех тяжелых металлов (кобальта, меди, цинка) биомассой термофильных водорослей даны ниже на следующем слайде 14

Zn, ppm Sr Cu Co 12 0, 29 7, 0 7, 4 Биомасса без инкубации (контроль) 6 0, 72 0, 8 1, 4 Мортмасса Galdieria sulphuraria после 23 3, 0 5 0, 32 12 3, 2 10 0, 32 Образцы материала (водоросли Galdieria sulphuraria), в которых измеряли содержание химических элементов (стронция и др. ) Биомасса Galdieria sulphuraria после инкубации Мортмасса без инкубации (контроль) 15

Величина эффекта иммобилизации в относительных единицах (%, увеличение кол-ва связанного металла, к фоновому содержанию в биомассе водорослей G. s. ). Метод ICP-MS Цинк 200% 16

Величина эффекта иммобилизации в относительных единицах (%, увеличение кол-ва связанного металла, к фоновому содержанию в биомассе водорослей G. s. ). Метод ICP-MS Цинк 200% Кобальт 529% 17

Величина эффекта иммобилизации в относительных единицах (%, увеличение кол-ва связанного металла, к фоновому содержанию в биомассе водорослей G. s. ). Метод ICP-MS Цинк 200% Кобальт 529% Медь 875% 18

При изучении поведения следующих трех тяжелых металлов иммобилизации не было обнаружено 19

Образцы материала (водоросли Ni Pb Cd 0, 49 0, 54 менее 0, 01 1, 2 0, 55 0, 071 менее 0, 04 менее 0, 01 Galdieria sulphuraria), в которых измеряли содержание химических элементов Биомасса Galdieria sulphuraria после инкубации Биомасса без инкубации (контроль) Мортмасса Galdieria sulphuraria после 0, 28 инкубации Мортмасса без инкубации (контроль) 0, 45 20

Как это соотносится с мировой литературой? Хорошо соотносится. Примеры работ, в которых выявлена биосорбция тяжелых металлов биомассой водорослей, приведены ниже. 21

Медь. Табл. 4. Связывание меди биомассой, примеры. Виды водорослей авторы Остроумов С. А. , Galdieria sulphuraria Шестакова Т. В. , Тропин И. В. Sargassum sp. Sheng et al. Padina sp. Sheng et al. Fucus spiralis Romera et al. Ascophyllum nodosum. Romera et al. год 2014 2004, 2007 2004 2007 22

Свинец Табл. 5. Связывание свинца биомассой Sargassum sp. Sheng et al. 2004 Padina sp. Sheng et al. 2004 Fucus vesiculosus Mata et al. 2008 23

Данные, приведенные в таблицах выше, свидетельствуют о том, что результаты наших опытов согласуются с полученными многими авторами данными о выявлении биосорбции меди биомассой других видов организмов (на примерах водорослей и других организмов). 24

Что из этих фактов, включая наши результаты и опыты, можно извлечь для концепции? - существенную роль имеет именно иммобилизация (в противоположность миграции); - существенную роль играет и живое, и мертвое вещество. - дифференциальная иммобилизация. 25

По вопросу о пункте – дифференциальная иммобилизация. В пользу такой концепции говорят наши опыты, показавшие принципиальное отличие в поведении разных металлов, а также в поведении живой и мертвой биомассы. 26

Фундаментальные выводы для теории и практики. Вывод для теории – концепция В. И. Вернадского нуждается в дополнении. Вернадский: биогенная миграция атомов Наш вариант: биогенная миграция и иммобилизация… Вывод для практики – мы выявили новое полезное явление – противогаз биосферы, с компонентами – представленными живым и неживым веществом. 27

Как это соотносится с нашими предыдущими работами? Это дополнительно поддерживает и разъясняет нашу концепцию – поствитального вещества – ex-living matter 28

Взгляд в будущее. Что хотел бы и мог рассказать в будущих докладах: Новые концепции, связанные с биосферой и В. И. Вернадским, Новая концепция биосферы Благодарю за внимание. Сергей Андреевич Остроумов, д. б. н. , МГУ; ar 55@yandex. ru 8 июня 2015 Приглашаем на конференцию Экологические и биологические системы 23 июня 2015, Москва. 29

Литература Вернадский В. И. Биосфера М. : Издательский дом Ноосфера, 2001, 244 с. С. А. Остроумов. Химико-биотические взаимодействия и новое в учении о биосфере В. И. Вернадского. Москва, МАКС-пресс. 2009, 52 с. ISBN 9788 -5 -317 -03005 -6. (S. A. Ostroumov. Chemico-Biotic Interactions and the New in the Teaching on the Biosphere by V. I. Vernadsky. Moscow, MAX Press. 2009. 52 p. ) Тропин И. В. , Шестакова Т. В. , Остроумов С. А. Термофильные водоросли: взаимодействие с металлами как фактор воздействия на геохимическую среду // BLACK SEA SCIENTIFIC JOURNAL OF ACADEMIC RESEARCH, 2015, том 20, № 2, с. 27 -30. Пухов В. В. , Лубкова Т. Н. , Шестакова Т. В. , Тропин И. В. , Котелевцев С. В. , Остроумов С. А. Биосорбция металлов эукариотными микроорганизмами – анализ методом ICP-MS // BLACK SEA SCIENTIFIC JOURNAL OF ACADEMIC RESEARCH, 2015. том 21, № 3, с. 10 -15. Ostroumov S. A. , Kolesov G. M. The Aquatic Macrophyte Ceratophyllum demersum Immobilizes Au Nanoparticles after Their Addition to Water // Doklady Biological Sciences, 2010, том 431, с. 124 -127 DOI Ostroumov S. A. , Kolesov G. M. The role of biodetritus in accumulation of elements in aquatic ecosystems // Contemporary Problems of Ecology, 2010, том 3, № 4, с. 369 -373 DOI Остроумов С. А. , Котелевцев С. В. , Джонсон Моника, Тайсон Дж, Шин Б. Экспериментальные исследования: биогенное вещество, экотоксиканты и наночастицы. МАКС Пресс Москва, ISBN 978 -5 -317 -04522 -7, 28 с. (S. A. Ostroumov, S. V. Kotelevtsev, Monique Johnson, J. Tyson, B. Xing. Experimental research: biogenic substance, ecotoxicants, 30 and nanoparticles. Moscow, MAKS Press. 2013. - 28 p.

Литература Вернадский В. И. Биосфера М. : Издательский дом Ноосфера, 2001, 244 с. С. А. Остроумов. Химико-биотические взаимодействия и новое в учении о биосфере В. И. Вернадского. Москва, МАКС-пресс. 2009, 52 с. ISBN 9788 -5 -317 -03005 -6. (S. A. Ostroumov. Chemico-Biotic Interactions and the New in the Teaching on the Biosphere by V. I. Vernadsky. Moscow, MAX Press. 2009. 52 p. ) Тропин И. В. , Шестакова Т. В. , Остроумов С. А. Термофильные водоросли: взаимодействие с металлами как фактор воздействия на геохимическую среду // BLACK SEA SCIENTIFIC JOURNAL OF ACADEMIC RESEARCH, 2015, том 20, № 2, с. 27 -30. Пухов В. В. , Лубкова Т. Н. , Шестакова Т. В. , Тропин И. В. , Котелевцев С. В. , Остроумов С. А. Биосорбция металлов эукариотными микроорганизмами – анализ методом ICP-MS // BLACK SEA SCIENTIFIC JOURNAL OF ACADEMIC RESEARCH, 2015. том 21, № 3, с. 10 -15. Ostroumov S. A. , Kolesov G. M. The Aquatic Macrophyte Ceratophyllum demersum Immobilizes Au Nanoparticles after Their Addition to Water // Doklady Biological Sciences, 2010, том 431, с. 124 -127 DOI Ostroumov S. A. , Kolesov G. M. The role of biodetritus in accumulation of elements in aquatic ecosystems // Contemporary Problems of Ecology, 2010, том 3, № 4, с. 369 -373 DOI Остроумов С. А. , Котелевцев С. В. , Джонсон Моника, Тайсон Дж. , Шин Б. Экспериментальные исследования: биогенное вещество, экотоксиканты и наночастицы. МАКС Пресс Москва, ISBN 978 -5 -317 -04522 -7, 28 с. (S. A. Ostroumov, S. V. Kotelevtsev, Monique Johnson, J. Tyson, B. Xing. Experimental research: biogenic substance, ecotoxicants, 31 and nanoparticles. Moscow, MAKS Press. 2013. - 28 p. )

Sheng P. X. , Ting Y. -P. , Chen J. P. , Hong L. Sorption of lead, copper, cadmium, zinc, and nickel by marine algal biomass: characterization of biosorptive capacity and investigation of mechanisms. J. Colloid Interface Sci. , 2004, 275, pp. 131– 141. Sheng P. X. , Ting Y. -P. , Chen J. P. Biosorption of heavy metal ions (Pb, Cu, and Cd) from aqueous solutions by the marine alga Sargassum sp. in single- and multiple-metal systems. Ind. Eng. Chem. Res. , 2007, 46, pp. 2438– 2444. Romera E. , González F. , Ballester A. , Blázquez M. L. , Muñoz J. A. Comparative study of biosorption of heavy metals using different types of algae. Bioresour. Technol. , 2007, 98, pp. 3344– 3353. Kleinübing S. J. , da Silva E. A. , da Silva M. G. C. , Guibal E. Equilibrium of Cu(II) and Ni(II) biosorption by marine alga Sargassum ﬁlipendula in a dynamic system: competitiveness and selectivity. Bioresour. Technol. , 2011, 102, pp. 4610– 4617. Mata, Y. N. , Blázquez, M. L. , Ballester, A. , González, F. , Muñoz, J. A. Characterization of the biosorption of cadmium, lead and copper with 32 the brown alga Fucus vesiculosus. J. Hazard. Mater. , 2008, 158, pp. 316