Geum.ru
   Авторефераты по всем темам  >>  Авторефераты по биологии  

На правах рукописи

обкова Галина Викторовна

ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ВОЗДЕЙСТВИЯ АЦЕТАТОВ Ni2+, Co2+, Сu2+ и Pb2+  НА  ЖИВЫЕ СИСТЕМЫ

03.02.08 - экология (биологические науки)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени

кандидата биологических наук

Ульяновск  2012

Работа выполнена на кафедре экологии в Федеральном государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.

Научный руководитель:

доктор химических наук, профессор

Губина Тамара Ивановна

Официальные оппоненты:

доктор биологических наук, заведующая кафедрой биологии, ветеринарной генетики, паразитологии и экологии ФГОУ ВПО Ульяновская государственная сельскохозяйственная академия

Романова Елена Михайловна

доктор биологических наук, главный специалист ФГБ УН Институт биохимии и физиологии растений и микроорганизмов РАН

Антонюк Людмила Петровна

Ведущая организация:

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования
Астраханский государственный технический университет

Защита состоится л2 ноября 2012 г. в  13 час. 00 мин. на заседании диссертационного совета Д 212.278.07 при ФГБОУ ВПО Ульяновский государственный университет по адресу: г. Ульяновск, ул. Набережная реки Свияги, д.106, корпус 1, ауд.703.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Ульяновского государственного университета, а с авторефератом - на сайте ВУЗа и на сайте Высшей аттестационной комиссии при Министерстве образования и науки РФ

Отзывы на автореферат направлять по адресу: 432017, г. Ульяновск, ул. Л. Толстого,
д. 42, Ульяновский государственный университет, управление научных исследований.

Автореферат разослан л___ октября 2012 года

Учёный секретарь диссертационного совета,

кандидат биологических наук, доцент                               С.В. Пантелеев

Общая характеристика работы

Актуальность проблемы. Связь между организмами и средой в экосистемах осуществляют химические вещества, выполняющие при этом многообразные функции, которые называют химическими экорегуляторами или хемомедиаторами. Многие химические элементы, находящиеся в окружающей среде входят в состав растительных организмов. Между растениями и окружающей средой (почва, вода, воздух) имеет место обмен веществ, которые поступают  в растительные ткани, где трансформируются в сложные органические соединения (Никитин С.И., Порохорова Н.В., 1992; Матвеев Н.М. и др., 1992, 1994, 1995; Добруцкая Е.Г. и др, 2008). Причиной многих патологических состояний растений и животных являются особенности, среды обитания. Известно, что 24 химических элемента относятся к необходимым элементам питания растений, а двадцать  элементов считаются условно необходимыми. Биогенными химическими элементами являются  металлы: Na, К, Ca, Ва, Mg, Zn, Fe, Mn, Cu, Co, Mo, Cr, Ni, V (Виноградов А.П., 1985), среди которых находятся и тяжелые металлы (ТМ).

Соединения ТМ  в свою очередь в настоящее время являются наиболее распространенными загрязнителями, поступающими в биоценозы с промышленными отходами и  представляющими значительную опасность для живых организмов разных уровней организации при достижении в них концентрации выше жизненно необходимой. Воздействие ТМ на биообъекты изучено достаточно полно, но имеющиеся данные в основном отражают изменение морфологических и некоторых физиологических показателей организмов в зависимости от токсичности металлов. 

Среди методов исследования действия различных факторов на биообъекты широко используют  биотестирование, которое позволяет оценить острую и хроническую токсичность используемых токсикантов. Известно о действии солей ТМ, имеющих разные катионы и анионы,  на наземные и водные растения, ветвистоусых рачков - дафний (Prasad M.N.V. et al., 2001; Sandalio  L.M. et al., 2001; Mendelssohn I.A. et al., 2001; Martinez Garcia M.J. et al., 2001; Zhang Z.Q. et al.,  2001; Иванов В.Б. и др., 2003; Демченко Н.П.
и др., 2005). Однако имеющиеся данные не дают полной комплексной характеристики функционирования организмов и не позволяют в достаточной мере оценить ответные реакции представителей различных таксономических групп. Мало изучено действие ТМ на фотосинтетическую активность растений, изменения в цитогенезе растительных клеток, трофическую активность беспозвоночных животных. Поэтому представляется важным и актуальным исследование воздействия ацетатов Ni2+, Co2+, Сu2+ и  Pb2+, т.е. солей с разными катионами и одинаковым анионом, на различные показатели растений и животных, по которым можно оценить комплексное экологическое действие ТМ на организм.

Цель и задачи исследования.

Целью работы является: изучить морфологические, физиологические и цитогенетические показатели организмов различных экологических групп при действии на них ацетатов Ni2+, Co2+, Сu2+ и Pb2+ .

В ходе реализации цели решались следующие задачи:

  1. Определить влияние ацетатов Ni2+, Co2+, Сu2+, Pb2+ в различных  концентрациях на прорастание семян и ростовые характеристики бархатцев тонколистных (Tagetes tenuifolia Cav.); на морфологические характеристики элодеи канадской (Elodea сanadensis Rich. et Michx.), ряски малой (Lemna minor L.).
  2. Исследовать влияние различных концентраций солей ТМ на  показатели жизнедеятельности Daphnia magna Straus.: время наступления половозрелости, время появления первого помета, общее количество родившейся молоди, показатели эмбриогенеза, частоту сердечных сокращений.
  3. Изучить цитогенетические изменения в клетках растительных организмов при действии на них солей ТМ.
  4. По  изменению интенсивности флуоресценции хлорофиллов а и b, их содержанию  и  количественному соотношению определить влияние солей ТМ на пигментный комплекс растений T. tenuifolia, L. minor и E. сanadensis.
  5. По интенсивности флуоресценции хлорофилла хлореллы (Chlorella vulgaris Beijer) оценить трофическую активность дафний при действии на них солей ТМ.
  6. Изучить процесс фитопоглощения ацетатов Ni2+, Co2+, Сu2+ и  Pb2+  водными растениями в зависимости от времени их экспозиции.

Научная новизна. Проведено комплексное сравнительное изучение  морфологических, физиологических, цитологических показателей растений при действии на них ацетатов тяжелых металлов: Ni2+, Co2+, Сu2+ и Pb2+ в разных концентрациях и выстроены ряды по степени токсичности ацетатов ТМ на все изучаемые биообъекты. По интенсивности флуоресценции хлорофиллов а и b и их количественному соотношению установлено нарушение функционального состояния растений при воздействии катионов Ni2+, Co2+, Cu2+, Pb2+ на их пигментный комплекс. Определено ингибирующее действие ацетатов ТМ на показатели D. magna: время наступления половозрелости, сроки появления первого помета, а также на показатели эмбриогенеза. Показано подавление трофической активности дафний в зависимости от концентрации ацетатов различных ТМ. Определена высокая степень фитопоглощения  E. сanadensis ацетата Cu2+.

Научно-практическая значимость работы. Полученные результаты расширяют представления о воздействии тяжелых металлов на живые объекты разных таксономических групп. На основе  морфологических физиологических, цитогенетических показателей получены новые данные об ответных реакциях разнообразных биообъектов, позволяющие оценить  действие ТМ. Результаты найдут применение при проведении мониторинга водных и почвенных сред.

Апробация работы. Результаты работы докладывались на конференциях: II, IV и V Всероссийских научно-практических конференциях Экологические проблемы промышленных городов (Саратов, 2005, 2009, 2011), Международной конференции Проблемы биодеструкции техногенных загрязнителей окружающей среды (Саратов, 2005),  Всероссийской научно-практической конференции  Проблемы региональной экологии в условиях устойчивого развития (Киров, 2007), Международной научно-практической конференции  Вавиловские чтения-2009 (Саратов, 2009), на I и II Всероссийском  научно-практическом форуме Экология: синтез естественно-научного, технического и гуманитарного знания (Саратов, 2010, 2011).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 15 научных работ, из них 2 статьи в журналах, рекомендованных ВАК.

ичный вклад автора. Диссертантом выполнен весь объем экспериментальной работы, проведены обработка и анализ результатов, сформулированы положения, выносимые на защиту и выводы. В совместных работах доля участия автора составила 70-80%.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 7 глав, выводов. Работа изложена на 168 странице, содержит 64 рисунков, 11 таблиц и список литературы, включающий 338 источников, из которых 84 на иностранных языках.

Положения, выносимые на защиту:

1. На прорастание  семян  и  ростовые характеристики T. tenuifolia Cav., а также на морфологические характеристики E. сanadensis Rich. et Michx, L. minor L. ацетаты Ni2+, Co2+, Сu2+, Pb2+ оказывают ингибирующее действие.

2. Параметры жизнедеятельности дафний D. magna Straus.: выживаемость, время наступления половозрелости, появление первого помета, а также  показатели эмбриогенеза и частота сердечных сокращений зависят от концентрации солей и природы катиона  ацетатов (Ni2+, Co2+, Сu2+, Pb2+). Трофическая активность дафний уменьшается при увеличении концентрации солей ТМ.

3. При действии ацетатов ТМ изменяются размеры и количество ядер и хлоропластов в клетках растений; ацетат никеля вызывает нарушение клеточного деления с образованием микроядер (МЯ).

4. Изменение интенсивности флуоресценции хлорофиллов а и b и их количественного соотношения свидетельствуют о нарушении фотосинтети-ческой активности пигментного комплекса растений.

5. Концентрационная зависимость фитопоглощения водными расте-ниями  ацетатов Ni2+, Co2+, Сu2+ и  Pb2+  от времени экспозиции имеет  колебательный  характер.

Содержание работы

Во введении обосновывается актуальность исследования, его практическая и научная значимость, формулируются основная цель и задачи исследования.

Глава 1. Влияние  тяжелых  металлов  на  наземные,  водные растения  и  животных  (обзор литературы)

В данной главе на основании анализа работ отечественных и зарубежных авторов описана  роль некоторых металлов, являющихся микро- и макроэлементами, для живых организмов. Микроэлементы входят в состав ферментов, гормонов, витаминов и других жизненно важных соединений.  Активность ферментов в  регуляции биохимических реакций зависит от состава и соотношения микроэлементов. Показано, что ряд тяжелых металлов, таких как Ni2+, Co2+, Сu2+, Pb2+, являясь жизненно необходимыми для большинства растений, при относительно высоких концентрациях могут оказывать токсическое действие. Описано токсическое действие перечисленных катионов на жизнедеятельность различных живых организмов и обсуждены ответные реакции биообъектов. Представлены основные методы исследования влияния ТМ на различные системы живых организмов и обсуждены возможности их применения в данном исследовании.

Глава 2. Материалы и  методы исследований

В работе использовались следующие виды растений и животных: бархатцы тонколистные (T. tenuifolia) сорт Урсула, ряска малая (L. minor.), элодея канадская (E. canadensis), дафнии  (D. magna), хлорелла (C. vulgaris).

Опыты проводили в трех повторностях на модельных растворах Co(CH3COO)2, Ni(CH3COO)2, Cu(CH3COO)2, Pb(CH3COO)2 в концентрациях 5,00,  2,00,  1,00, 0,50,  0,25,  0,12,  0,06 мг/л, приготовленных последователь-ным разбавлением начальных растворов отстоянной водопроводной водой.

О действии тяжелых металлов судили по морфофизиологическим показателям жизнедеятельности растений: по всхожести семян, длине корней и стеблей проростков T. tenuifolia, по внешнему состоянию водных растений  L. minor, E. canadensis (изменению окраски, хлорозу и количеству листецов), выживаемости, репродуктивной функции и трофической активности D. magna. Опыты с растениями велись в течение 14 дней, с дафниями - в течение 21 суток.

Изменения клеточных структур изучали на микропрепаратах, приготовленных из растительных тканей. Предварительная обработка материала, фиксация, окрашивание и приготовление препаратов велись по стандартным методикам. (Барыкина Р.П. и др., 2004). Наблюдения проводили под микроскопом МикМед-1 при 40 кратном увеличение.

Интенсивность флуоресценции хлорофиллов а и b определяли при двух длинах волн: 646 нм (люминесценция хл. б), 666 нм (люминесценция хл. а) (Гольд В.М. и др., 1984) на спектрофлуориметре УФлюорат-02-ПанорамаФ. Концентрацию хлорофиллов и их соотношение рассчитывали по описанной методике (Паушева З.П., 1980).

Культуру дафний выращивали в климатостате-Р01. В качестве корма использовали протококковые зеленые водоросли (хлорелла) и 1-2  раза  в неделю хлебопекарные  дрожжи (ПНД Ф Т 14.1:2:3:4:5 - 2000; Ф.Р.1.39.2001.00284). Опыты проводили в течение 21 суток.

Трофическую активность дафний определяли по интенсивности флуоресценции хлорофилла хлореллы до и после кормления рачков на спектрофлуориметре УФлюорат-02-ПанорамаФ (Маторин Д.Н., Венедиктов П.С., 1990). Хлореллу выращивали на жидких и агаризированных средах  в культиваторе КВ-05 (Григорьев Ю.С., 2004).

Фитопоглощение ацетатов Ni2+, Co2+, Cu2+, Pb2+ водными растениями  L. minor, E. canadensis оценивали по изменению концентраций ионов ТМ в водной среде. Измерения проводили на фотометре КФК-3 и ионометре И-160 М согласно методике (РД.52.24.494-2006). Статистическую обработку результатов проводили по методике с использованием пакета программ Microsoft Office Excel 2007 (Боровиков,2003). Достоверность результатов оценивали по значению t-критерия Стьюдента.

Глава 3. Изучение морфологических, физиологических и цитогенетических характеристик растений и животных при действии на них  солей тяжелых металлов 

Изучена зависимость морфологических и физиологических характерис-тик наземных и водных растений при действии на них ацетатов Ni2+, Co2+, Cu2+, Pb2+ в концентрациях 5,00,  2,50,  1,25,  0,62,  0,31,  0,15,  0,07,  0,03 мг/л.

Определены всхожесть семян бархатцев (T. tenuifolia) и их ростовые характеристики.  Показано, что все соли, начиная с концентрации  0,03 мг/л, проявляют ингибирующее действие на прорастание семян (рис. 1а). Наличие солей меди и никеля в концентрации 1,25 мг/л обеспечивает 90-100% всхожесть семян соответственно.

Показано, что имеет место  стимулирование роста корней T. tenuifolia при действии растворов соли никеля в концентрациях 0,03,  0,15,  0,31,  0,62,  1,25, 2,50 мг/л,  кобальта  во  всех  концентрациях, кроме 0,15 и 5,00 мг/л, и  соли свинца во всех концентрациях, кроме 0,03 и 5,00 мг/л: длина корней заметно превышает контрольные показатели (рис. 1б). Ацетат меди либо подавляет рост корней растения,  либо его действие  аналогично  контролю. 

Установлено, что все тестируемые соли  ингибируют рост и развитие стеблей T. tenuifolia (рис. 1в). Полученные данные согласуются с литератур-ными аналогиями (Скрипниченко И.И.,  Золотарева Б.Н., 1981; Wierzbicka M., 1987; Enstone D.E., Peterson C.A., 1992; Ильин В.Б., 1991; Серегин И.В., Иванов В.Б.,  1997).

а)

б)

в)

Рис. 1. Зависимость всхожести семян (а), длины  корней проростков (б),  длины  стеблей проростков (в) T. tenuifolia от концентрации растворов ацетатов Ni2+, Cо2+, Cu2+, Pb2+

Определены морфологические изменения у водных растений (L. minor,  E. canadensis) под действием ацетатов ТМ. Установлено, что при культиви-ровании L. minor в растворах всех ацетатов у растения наблюдается хлороз листецов, что согласуется с литературными данными (Малюга Н.Г., Цаценко Л.В. 1996). При этом более выраженное влияние на ряску отмечено для растворов ацетата меди во всех перечисленных концентрациях. Численность ряски увеличивается по сравнению с контролем. Одновременно наблюдается изменение количества листецов. Больше всего их образуется в растворах ацетатов Cо2+ при концентрациях 0,03, 0,07, 0,31 мг/л  и  Pb2+ при всех концентрациях.

При изучении ответной реакции погруженного высшего водного растения E. сanadensis установлено, что соли никеля и кобальта в  концентрациях 0,03-0,15 мг/л не оказывают влияния на морфологические характеристики растения, а при концентрациях 0,31 мг/л и выше имеет место  обесцвечивание окраски и хлороз листьев. Ацетат Cu2+ во всех концентрациях вызывает изменение цвета листовых пластин и их разрушение. У E. canadensis, инкубированной в растворах ацетата свинца с концентрациями 0,03-0,62 мг/л, окраска становится более насыщенной, а при  концентрациях 1,25 и 2,50 мг/л наблюдается разрушение листовых пластин.

Изучена ответная реакция D. magna на действие солей ТМ в диапазоне концентраций 0,03-5,00мг/л. Прослеживаются аналогии в действии ацетатов никеля и кобальта на выживаемость дафний: увеличение концентрации солей вызывает гибель рачков. Раствор ацетата  никеля в  концентрациях 1,25, 2,50 и 5,00 мг/л вызывает 100% гибель дафний на 15, 14 и 4 сутки соответственно,  а раствор ацетата кобальта в концентрациях 2,50 и 5,00 мг/л - на 18 и 1 сутки соответственно.

Наибольшее токсическое действие оказывает ацетат меди. Он вызывает 100%  гибель рачков  на  15 и 12 сутки при концентрациях  0,03,  0,07 мг/л соответственно. 100%-ая гибель дафний в течение 48 часов наблюдается  в растворах соли меди с концентрациями 0,62, 0,31, 0,15 мг/л, а с концентрациями 5,00,  2,50,  1,25 мг/л  в течение 24 часов.

Действие ацетата свинца на дафний отличается от действия на них других солей. Соль свинца в концентрациях от 0,03 до 0,3 мг/л не вызывает гибели особей. При концентрациях соли свинца 0,62 и 1,25 мг/л гибель дафний составляет 10%,  начиная с 18 и 8 суток соответственно, а  при 5,00 мг/л численность дафний на 13 сутки составляет 60% и сохраняется таковой до конца опыта.

При изучении влияния различных концентраций солей на репро-дуктивную активность дафний получены следующие результаты (табл. 1).

При всех концентрациях солей, указанных в таблице 1, имеет место задержка наступления половозрелости дафний и уменьшение количества родившейся молоди по сравнению с контролем.  Исключение составляет концентрация 0,31 мг/л ацетата свинца.

В ходе экспериментов в присутствии всех солей во всех концентрациях  отмечено появление особей мужского пола, что, как свидетельствует из литературных источников, указывает на  неблагоприятную среду обитания (Lampert W., 2002). В присутствии всех солей независимо от их концентрации наблюдается изменение частоты сердечных сокращений дафний в сторону увеличения и достигает 320-460 уд/мин, при норме 140-160 уд/мин.

Таблица 1

Зависимость репродуктивной активности D. magna от концентрации ацетатов ТМ

День

опыта

Количество молоди, шт.

Конт

роль

Концентрация  солей, мг/л

Ni(CH3COO)2

Co(CH3COO)2

Pb(CH3COO)2

0,03

0,07

0,03

0,07

0,15

0,03

0,07

0,15

0,31

0,62

1,25

10

8

11

10

12

11

5

13

12

5

14

13

5

4

2

10

15

15

5

4

10

11

16

16

16

6

4

11

11

11

2

17

17

16

6

4

11

11

15

5

4

17

18

17

6

6

11

13

15

6

2

6

19

19

19

6

6

13

13

17

8

5

9

20

20

21

6

6

13

14

18

9

8

12

20

21

24

6

6

13

14

18

10

10

12

26

4

5

Глава 4. Цитогенетические исследования растений при действии на них солей тяжелых металлов

Представлены данные цитогенетических исследований, основанные на определении характера изменений качественного и количественного состава клеток растений (T. tenuifolia и L. minor,  E. canadensis).

Изучено влияние ацетатов Ni2+, Co2+, Cu2+ и Pb2+ в концентрациях от 0,03, 0,62, 1,25, 2,50, 5,00 мг/л на процесс деления клеточных ядер  T. tenuifolia. МЯ как показатель нарушения митоза обнаружены только при воздействии ацетата никеля с концентрациями 1,25-5,00 мг/л и  количество их составляет 0,5 % от всех просмотренных клеток. В образцах проростков  T. tenuifolia, выращенных на растворах солей кобальта, меди, свинца во всех концентрациях, имеет место изменение размеров клеточных ядер и мест их локализации по сравнению с контролем. Наблюдается  уменьшение размеров клеточных ядер в растворе соли Cu2+ в концентрации 0,03 мг/л, а в остальных растворах  размер и форма ядер сохраняется, но имеет место их смещение к клеточной стенке.

Влияние на клеточные структуры L. minor  ацетатов Ni2+, Co2+, Cu2+ и  Pb2+  во всех  концентрациях  проявляется  только в изменении форм и размеров ядер, МЯ не обнаружены. При действии солей меди в концентрации 1,25 мг/л и никеля - 0,62 мг/л отмечено разрушение ядерных оболочек и хаотичное распределение хромосом в цитоплазме, во всех других растворах данных солей ядра становятся мельче, чем в контроле, и локализуются на периферии клетки. Ионы кобальта и свинца в большинстве концентраций вызывают уменьшение размеров ядер растения. Ацетат свинца в концентрациях 2,50 и 5,00 мг/л способствует разрушению 30 и 50% клеточных ядер соответственно. На витальных препаратах листецов L. minor показано, что растворы солей всех металлов в диапазоне концентраций от 0,15 до 5,00 мг/л подавляют фототаксис, что согласуется с литературными данными (Цаценко Л.В., Малюга Н.Г., 1998).

У элодеи, инкубированной в растворе соли никеля с концентрацией 2,50 мг/л, аналогично бархатцам, в 50% клеток формируются МЯ с размерами от 50 до 70% от  размеров  основного ядра. Влияние  на процесс митоза других солей во всех изучаемых концентрациях не установлено.

Изучение витальных препаратов листьев E. canadensis позволило констатировать, что ацетаты Ni2+, Co2+, Cu2+, Pb2+ подавляют фототаксис в диапазоне концентраций, аналогичных для L. minor.

Глава 5. Изучение влияния тяжелых металлов на фотосинтетическую активность  растительных организмов

Известно, что о  состоянии растительного организма судят по функционированию его фотосинтетического аппарата. Фототаксис является  отражением  физиологического состояния хлоропластов, что влияет на  оптические свойства листа, а, следовательно, на интенсивность и продуктивность фотосинтеза. Описано, что при повышении температуры окружающей среды имеет место снижение обводненности хлоропластов,  изменяется  скорость их перемещения в цитоплазме, возникает  дефицит АТФ (Гаврилова Т.М., 1965). На примере клеток погруженных гидрофитов установлено, что скорость движения хлоропластов зависит от присутствия различных химических соединений (Метейко Т.Я. и др., 1977). О нарушении работы фотосинтетического аппарата растений, в основном, судят по изменению интенсивности флуоресценции. Увеличение или уменьшение данного показателя связывают с нарушениями работы соответственно  фотосистем I или II (ФСI и ФСII).

Определена зависимость интенсивности флуоресценции хлорофиллов a и  b растений  T. tenuifolia, L. minor, E. canadensis  от концентрации  солей изучаемых металлов. Вид полученных кривых зависимостей для всех расте-ний имеет колебательный характер. Вероятно, это свидетельствует об одина-ковом  характере  отклика  фотосинтетических  пигментов  на  их действие.

Для растения T. tenuifolia наибольшие значения интенсивности флуоресценции хлорофилла а получены для образцов, выращенных на растворах  соли  никеля  с  концентрацией  1,25,  кобальта  Ц  0,03,  1,25,  5,00, 

меди - 0,07  и  свинца - 0,15 мг/л (рис. 2 а), а для  хлорофилла  b  у образцов, выращенных на растворах  ацетата никеля с концентрацией 1,25, кобальта - 0,03, 1,25, 5,00 мг/л,  меди - 0,07, 0,15,  свинца - 0,03, 0,15,  0,31,  1,25 мг/л (рис. 2 б).

а)

б)

Рис. 2. Зависимость интенсивности  флуоресценции  хлорофиллоа а (а) и  хлорофилла b (б) у  растения T. tenuifolia  от  концентрации  ацетатов Ni2+, Co2+, Cu2+, Pb2+

Данные по интенсивности флуоресценции хлорофиллов а и b у растения L. minor в зависимости  от  концентрации  ионов  ТМ  в  пробах  представлены  на рис. 3 а, б.

Соль никеля при всех концентрациях вызывает увеличение интенсивности флуоресценции хлорофиллов а и b по отношению с контролем, а соль свинца подавляет её. Ацетат Co2+ ингибирует флуоресценцию хлорофилла а при концентрациях исходных растворов 0,03-0,31 и 2,50 мг/л, и хлорофилла b при всех концентрациях, кроме 0,62, 1,25 и 2,50 мг/л. Для ацетата меди характерны максимумы флуоресценции хлорофиллов a и b при концентрациях 0,03, 0,15, 1,25 и 2,50 мг/л. Концентрация ацетата меди 0,07 мг/л  вызывает  значительное  снижение интенсивности флуоресценции  обоих хлорофиллов.

а)

б)

Рис. 3. Зависимость интенсивности флуоресценции  хлорофилла  а (а) и хлорофилла b(б)  у растения L. minor  от  концентрации  ацетатов  Ni2+,  Co2+,  Cu2+,  Pb2+

В отношении растения E. canadensis установлено, что соли всех металлов во всех концентрациях вызывают снижение рассматриваемого показателя относительно контроля для хлорофилла a (рис. 4 а) и увеличивают его в случае хлорофилла b (рис. 4 б).  Исключение  составляет действие ацетатов меди и свинца с концентрацией 1,25 мг/л,  при которых интенсивность флуоресценции хлорофилла b сохраняется на уровне контроля. Такое отличие результатов по интенсивности флуоресценции названных водных растений, вероятно, связано с особенностями светопоглощения плавающего (L. minor) и  погруженного (E. canadensis)  растений.

Определено содержание хлорофиллов a и b и их количественное соотношение у растений T. tenuifolia, L. minor, E. canadensis в зависимости от концентрации растворов ацетатов Ni2+, Co2+, Cu2+, Pb2+.

По данным таблицы 2 видно, что соотношение хлорофиллов а/b у  T. tenuifolia и L. minor увеличивается относительно контроля.

а)

б)

Рис. 4. Зависимость интенсивности флуоресценции хлорофилла а (а) хлорофилла b (б)  у растения E. canadensis от  концентрации ацетатов Ni2+, Co2+, Cu2+, Pb2+

У E. canadensis соотношение хлорофиллов а/b (табл. 2) в присутствии ионов никеля и кобальта снижается по сравнению с контролем, а в присутствии ионов меди при всех концентрациях исходных растворов увеличивается. Соль свинца вызывает  увеличение  значения  а/b.

Таким образом, установлено, что присутствие в культивационной среде ацетатов Ni2+, Co2+, Cu2+, Pb2+ во всех концентрациях оказывает влияние на количественные и качественные характеристики хлорофиллов a и b, что свидетельствует о  нарушении процесса фотосинтеза. Данные по изменению соотношения хлорофиллов a/b позволяют сделать вывод о неравнозначном действии ТМ на фотосистемы I и II (ФСI и ФСII), а также на светособирающий хлорофилл а/b белковый комплекс.

Таблица 2

Соотношение хлорофиллов а/b в листьях  T. tenuifolia, L. minor, E. canadensis

при действии на них ацетатов ТМ

Концент-рация

растворов солей,

мг/л

Количественное соотношение хлорофиллов а/b

T. tenuifolia

L. minor

E. canadensis

Ni2+

Co2+

Cu2+

Pb2+

Ni2+

Co2+

Cu2+

Pb2+

Ni2+

Co2+

Cu2+

Pb2+

контроль

1:2,8

  1:2,8

1:2,8

1:2,8

1:2,5

1:2,5

1:2,5

1:2,5

1:2,5

1:2,5

1:2,5

1:2,5

0,03

1:3,0

  1:3,0

1: 2,9

1:3,1

1:2,9

1:2,8

1:2,8

1:3,6

1:1,8

1:1,5

1:9,0

1:52,0

0,07

  1:2,9

  1:3,2

1:2,8

1:2,9

1:2,8

1:2,9

1:3,5

1:3,6

1:1,8

1:1,3

1:3,0

1:16,7

0,15

1:3,0

  1:3,2

1:2,9

1:3,1

1:2,6

1:2,8

1:3,1

1:3,6

1:1,7

1:1,5

1:3,8

1:74,3

0,31

1:2,9

  1:3,3

1:3,5

1:2,5

1:2,9

1:2,8

1:3,0

1:3,6

1:1,3

1:2,0

1:3,1

1:16,0

0,62

1:2,7

  1:3,3

1:2,8

1:2,8

1:2,9

1:2,9

1:2,9

1:3,0

1:1,6

1:1,3

1:2,8

1:58,0

1,25

1:3,8

  1:3,4

1:3,2

1:2,9

1:3,0

1:2,9

1:3,1

1:3,0

1:1,5

1:2,1

1:3,0

1:25,4

2,50

1:2,9

  1:3,5

1:2,8

1:2,9

1:2,9

1:2,8

1:2,8

1:3,4

1:1,7

1:1,7

1:2,8

1:31,2

5,00

1:3,2

1:3,4

1:3,6

1:2,8

1:2,9

1:2,8

1:3,0

1:3,4

1:1,7

1:1,8

1:3,3

1:68,7

Глава 6. Изучение действия  ацетатов Ni2+, Co2+, Cu2+, Pb2+  на трофическую активность  D. magna

Уменьшение активности питания дафний является  реакцией организма  на действие токсикантов. Трофическую активность (F) D. magna определяют по изменению флуоресценции хлорофилла хлореллы, используемой в качестве корма. 

Таблица 3

Зависимость трофической активности D. magna от концентрации растворов ацетатов

концентрация солей, мг/л

F, мл/даф.час

Ni2+

Co2+

Cu2+

Pb2+

контроль

3,70,5

3,70,5

3,70,5

3,70,5

0,03

3,50,3

3,20,2

3,00,4

3,30,2

0,07

3,30,1

2,80,3

2,70,2

3,00,3

0,15

3,30,2

2,80,3

2,60,3

2,80,3

0,31

2,60,2

2,80,3

-

2,60,1

0,62

2,80,3

2,70,1

-

2,40,3

1,25

2,50,1

2,90,1

-

2,40,1

2,50

1,90,2

2,50,2

-

2,30,1

5,00

1,90,1

2,50,1

-

1,60,2

Известно, (Мелихова О. П., Евсеева Е.И., 2007) что у 6-8 суточных дафний значение F в норме в среднем составляет 3-4 мл/даф.час. Исследования показывают снижение показателей активности питания дафний, что является одной из причин гибели тест-объектов (табл.3). 

Глава 7. Изучение зависимости фитопоглощения  ацетатов Ni2+, Co2+, Сu2+ и  Pb2+  L. minor,  E. canadensis от времени их экспозиции

Изучена динамика поглощения катионов металлов водными растениями от времени их культивирования. Полученные кинетические кривые зависимостей для L. minor и E. canadensis имеют волнообразный характер,  что свидетельствует о поглощении и выбросе соли в течение времени инкубирования. Следует отметить различные амплитуды колебаний кривых для различных исходных концентраций исследуемых солей.

а)

б)

Рис. 5.  Зависимость концентрации ионов Ni2+ в растворе от времени экспозиции  L. minor (а) и E. canadensis (б)

На конец эксперимента (10 сутки) установлено, что поглощение  L. minor ионов Ni2+ имеет место только при  начальных концентрациях растворов соли 0,07, 0,15, 0,31 мг/л, при остальных концентрациях содержание ацетата никеля в растворах остается на уровне начальных значений или чуть выше (рис.5 а). Наибольший уровень фитоэкстракции ионов Ni2+ имеет место у элодеи,  инкубированной в растворах с концентрациями 0,07-0,31 мг/л (рис. 5 б).

а)

б)

Рис.6. Зависимость концентрации ионов Co2+  в растворе от времени экспозиции L. minor (а) и E. сanadensis (б)

Динамика экстракции растениями L. minor и E. canadensis ионов Co2+ из растворов соответствующего ацетата с заданными концентрациями представлены на рис. 6 а, б. Установлено, что в течение первых суток ряска активно поглощает ацетат кобальта при концентрациях растворов 0,15, 0,62, 1,25, 2,50, 5,00 мг/л, а элодея - при 0,07-2,50 мг/л. Высокая степень экстракции L. minor и E. canadensis ионов Co2+ после 10 дней их инкубирования имеет место только при начальных концентрациях растворов  1,25 и 0,62 мг/л.

Содержание ионов Cu2+ в средах, на которых культивировалась L. minor,  активно снижается в течение 2-3-х суток (рис. 7 а).

а)

б)

Рис. 7.  Зависимость концентрации ионов Cu2+ в растворе  от времени экспозиции

L. minor (а) и E. сanadensis (б)

В растворах соли меди с начальными концентрациями 0,62-5,00 мг/л на 3-6 сутки отмечается увеличение содержания ионов Cu2+, что совпадает с моментом начала развития хлороза у растений. Поглощение ионов Cu2+ ряской после 10 дней её инкубирования практически не имеет места. Процесс поглощения ионов Cu2+ растением E. canadensis  более выражен, чем у  L. minor (рис. 7 б). Установлено, что фитоэкстракция ионов Cu2+  элодеей в течение первых суток протекает наиболее интенсивно. Результатом такой активной фитоэкстракция,  является изменение окраски  листьев и стеблей элодеи.

Зависимость, характеризующая динамику поглощения ионов Pb2+ в присутствии L. minor, для концентраций ацетата свинца 0,62-5,00 мг/л имеет  линейный характер (рис. 8 а).

а)

б)

Рис. 8.  Зависимость концентрации ионов Pb2+ в растворе  от времени экспозиции L. minor (а) и E. сanadensis (б)

Наиболее активно процесс протекает в течение первых суток наблюдения. Для других концентраций (0,03-0,31 мг/л) процесс поглощения ряской приобретает колебательный характер. По истечении 10 суток  концентрация ионов свинца во всех исследуемых растворах убывает незначительно.

При инкубировании растения  E. canadensis  во всех растворах ацетата свинца в течение первых 2-3 суток наблюдается увеличение содержания Pb2+. Далее зависимость приобретает волнообразный  характер (рис. 8 б). По истечении 10 суток содержание ионов свинца ниже исходных значений отмечено только для раствора с концентрацией соли  0,03 мг/л.

Таким образом, установлено, что процесс поглощения ацетатов ТМ водными растениями имеет в основном колебательный характер. Однако ко времени окончания экспозиции концентрация ионов ТМ в среде остается на прежнем уровне, что свидетельствует о нецелесообразности использования этих растений для фиторемедиации водных объектов.

ВЫВОДЫ

1) Ацетаты Ni2+, Co2+, Сu2+ и  Pb2+  в диапазоне концентраций
0,03-5,00 мг/л оказывают ингибирующее действие на прорастание семян и ростовые характеристики Tagetes tenuifolia Cav.; на морфологические характеристики Elodea сanadensis Rich. et Michx,  Lemna minor L.

2) Гибель дафний Daphnia magna Straus, время наступления половозрелости, появление первого помета, снижение показателей эмбриогенеза и увеличение частоты сердечных сокращений зависят от концентрации соли ТМ и от природы катиона. Большую токсичность проявляет ацетат меди.

3) Размеры и количество клеточных  ядер и хлоропластов изменяются в зависимости от природы катиона и концентрации солей. Ацетат никеля в концентрациях 1,25-5,00 мг/л нарушает процесс клеточного деления и вызывает появление МЯ.

4)  Действие ТМ нарушает работу фотосинтетического аппарата растений, что проявляется в изменениях интенсивности флуоресценции хлорофиллов а и b и их количественном соотношении.

5) Увеличение концентрации солей ТМ приводит к снижению трофической активности дафний;

6) Фитопоглощение  ацетатов Ni2+, Co2+, Сu2+ и  Pb2+  L. minor,  E. canadensis зависит от времени их экспозиции и имеет колебательный характер. Элодея обладает большей фитоэкстракционной способностью по отношению к  Сu2+.

Список публикаций по теме диссертации

Публикации в журналах, рекомендованных ВАК РФ

  1. обкова, Г.В. Изучение влияния ацетатов Ni2+, Cu2+, Co2+, Zn2+, Pb2+ на морфофизиологические характеристики Daphnia magna / Г.В. Лобкова, Т.И. Губина // Естественные и технические науки, 2009. - № 4. - С. 131-132.
  2. обкова, Г.В. Изучение влияния ацетатов Ni2, Co2+, Cu2+, Pb2 на фотосинтетическую активность Tagetes tenuifolia Cav. / Г.В. Лобкова, Т.И.  Губина // Естественные и технические науки, 2010. - № 2. - С. 198-200.

Публикации в других изданиях

  1. обкова, Г.В. Влияние токсикантов на рост и развитие растений / Г.В. Лобкова  // Сб. научных трудов Всероссийской научно-практической конференции Экологические проблемы промышленных городов. Саратов, 2005. - С. 96-98.
  2. обкова, Г.В. Разработка цитологического теста для определения токсичности природных и сточных вод / Г.В. Лобкова, Т.И. Губина // Проблемы биодеструкции техногенных загрязнителей окружающей среды: Материалы конференции / Международная конференция. Саратов, 14-16 сентября 2005 г. Саратов: Изд-во Научная книга, 2005. - С. 143-144.
  3. обкова, Г.В. Влияние тяжелых металлов на прорастание Tagetes tenuifolia Cav. / Г.В Лобкова, Т.И. Губина // Материалы Всероссийской научно-практической конференции Проблемы региональной экологии в условиях устойчивого развития. Киров, 2007. - С.139-142.
  4. обкова, Г.В. Особенности действия солей тяжелых металлов на ряску малую (L. minor) / Г.В. Лобкова // Сб. научных трудов Всероссийской научно-практической конференции Экологические проблемы промышленных городов. Саратов, 2009. - Ч.2. - С. 152-154.
  5. обкова, Г.В. Оценка воздействия солей Co2+, Ni2, Pb2, Cu2+ на функциональные характеристики Elodea Canadensis / Г.В. Лобкова // Вавиловские чтения - 2009: Материалы Межд. науч.-практ. конф. - Саратов: ООО Изд-во КУБиК, 2009. - С. 151-152.
  6. обкова, Г.В. Влияние солей никеля, цинка и меди на содержание хлорофилла в Elodea canadensis / Г.В. Лобкова, Н.А. Шилова, С.М. Рогачева // Вавиловские чтения - 2009: Материалы Межд. науч. - практ. конф. - Саратов: ООО Изд-во КУБиК, 2009. - С. 176-178.
  7. обкова, Г.В. Изучение реакции элодеи канадской Elodea canadensis на воздействие тяжелых металлов / Г.В. Лобкова, И.М. Иванова // Экология: синтез естественнонаучного, технического и гуманитарного знания: Мат. Всерос. науч.-практ. конференции. - Саратов: СГТУ, 2010. - С. 139-141.
  8. обкова, Г.В. Оценка воздействия тяжелых металлов на организмы в модельных водных экосистемах / Г.В. Лобкова // Экология: синтез естественнонаучного, технического и гуманитарного знания: Мат. Всерос. науч.-практ. конференции. - Саратов: СГТУ, 2010. - С. 149-151.
  9. обкова, Г.В. Изучение действия тяжелых металлов на фотосинтетическую активность Бархатца тонколистного (Tagetes tenuifolia Cav.) / Г.В. Лобкова, Е. Бойченко // Экология: синтез естественнонаучного, технического и гуманитарного знания: Мат. Всерос. науч.-практ. конференции. - Саратов: СГТУ, 2010. - С. 123-124.
  10. обкова, Г.В. Оценка токсического действия солей тяжелых металлов на Lemna minor L. / Г.В. Лобкова, Ж.М. Кузбакова // Вавиловские чтения - 2010: Материалы Межд. науч.-практ. конф. - Саратов: Изд-во КУБИК, 2010. - Т.1. - С. 224.
  11. обкова, Г.В. Изучение зависимости фотосинтетической активности Elodea canadensis от концентрации в среде ионов тяжелых металлов / Г.В. Лобкова // Экологические  проблемы промышленных городов: сб. науч. тр. - Саратов: СГТУ, 2011. - Ч.1. - С. 242-244.
  12. Лобкова, Г.В. Оценка токсического действия солей тяжелых металлов на фотосинтетическую активность Lemna minor L. / Г.В. Лобкова, Ж.М. Кузбакова // Современные проблемы контроля качества природной и техногенной сред: мат-лы IV Междунар.  науч.-практ. конф. - Тамбов: Изд-во ТРОО Бизнес-Наука-Общество. 2011. - С. 30-34.
  13. обкова, Г.В. Комплексная эколого-токсикологическая оценка влияния солей тяжелых металлов на живые организмы / Г.В Лобкова, Т.И. Губина // Экология: синтез естественнонаучного, технического и гуманитарного знания. Мат. II Всерос. науч.-практ. форума - Саратов: Изд-во СГТУ, 2011. - С. 192-195.
   Авторефераты по всем темам  >>  Авторефераты по биологии