Биофизические характеристики сенсорных свойств криптогамов на примере лишайников

Бондаренко, Павел Владимирович

Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему
Биофизические характеристики сенсорных свойств криптогамов на примере лишайников
ВАК РФ 03.01.02, Биофизика

Автореферат диссертации по теме "Биофизические характеристики сенсорных свойств криптогамов на примере лишайников"

На правах рукописи

Бондаренко Павел Владимирович

БИОФИЗИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ СЕНСОРНЫХ СВОЙСТВ КРИПТОГАМОВ НА ПРИМЕРЕ ЛИШАЙНИКОВ

Специальность 03.01.02 - биофизика

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Воронеж 2013

і ь'ся т

005537405

Работа выполнена в Федеральном государственном автономном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский физико-технический институт (государственный университет)» (ФГАУ ВПО «МФТИ»)

Научный руководитель: кандидат биологических наук, доцент

Журавлева Светлана Евгеньевна

Официальные оппоненты: Епринцев Александр Трофимович

доктор биологических наук, профессор Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Воронежский государственный университет», биолого-почвенный факультет, кафедра биохимии и физиологии клетки, заведующий;

Иваненков Ян Андреевич

кандидат биологических наук, Исследовательский институт химического разнообразия, отдел компьютерно-медицинской химии, руководитель.

Ведущая организация: Федеральное государственное учреждение

науки Институт фундаментальных проблем биологии РАН (г.Пущино)

Защита состоится «29» ноября 2013 г. в 16:00 часов на заседании диссертационного совета Д.212.038.03 при Воронежском государственном университете по адресу: 394006, г.Воронеж, Университетская пл. 1, комната 59

Автореферат диссертации размещен на официальном сайте Минобрнауки Российской Федерации и на сайте Воронежского государственного университета www.vsu.ru

С диссертацией можно ознакомиться в Зональной научной библиотеке Воронежского государственного университета.

Автореферат разослан «25» октября 2013 года

Ученый секретарь

диссертационного совета с Грабович

доктор биологических наук Маргарита Юрьевна

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Актуальность темы работы определяется острой необходимостью изучения биофизических характеристик, определяющих сенсорные свойства криптогамов на примере лишайников. В научной практике целые таксоны организмов трактуют как криптогамы, т.к. термин «криптос» означает тайнобрачные из-за малоисследованных аспектов размножения, поэтому изучение именно таких организмов на примере лишайников поможет понять причины их особой чувствительности к негативному воздействию различных поллютантов.

Актуальны исследования с применением метода электронного парамагнитного резонанса (ЭПР), направленные на изучение фундаментальной проблемы, а именно, на поиск механизма ответной реакции лишайников на негативное воздействие и причин экологической приуроченности лишайников. Метод ЭПР — один из основных прямых методов обнаружения свободных радикалов и комплексов металлов переменной валентности, имеющих неспаренный электрон на молекулярной орбитали, фотовозбужденных триплетных состояний молекул. Основаниями для применения метода ЭПР в изучении биофизических характеристик лишайников служат их низкая способность к авторегуляции и высокая степень зависимости от физико-химических параметров среды. Кроме того, на данный момент возможности ЭПР-спектроскопии для биоиндикации не получили должного научного обоснования. Поэтому исследования, направленные на оптимизацию биомониторинга путем изучения механизма ответной реакции лишайников по биофизическим характеристикам приобретают особое значение.

Работа выполнена в соответствии с планом фундаментальных научно-исследовательских работ Московского физико-технического института, проводимых в рамках государственного задания Министерства образования и науки РФ (номер госрегистрации: 01201261131; 01201261133).

Цель работы — изучение биофизических характеристик талломов лишайников методом ЭПР-спектроскопии.

Задами исследования: '

— определение парамагнитных характеристик синантропных широкораспространенных эпифитных видов лишайников;

— анализ и сравнение парамагнитных характеристик талломов лишайников разных видов, собранных на фоновых и урбанизированных территориях;

— регистрация парамагнитных характеристик талломов лишайников в модельном эксперименте под воздействием диоксида серы;

— оценка соотношения вклада биотических и абиотических факторов в параметры биофизических характеристик исследуемых лишайников;

— изучение роли биоактивных металлов в лишайниках и их связь с ЭПР-спектрами;

— выявление регулирующего механизма, определяющего смену эпифитных чувствительных видов на толерантные виды лишайников в экосистемах урбанизированных территорий.

Научная новизна:

Разработана методика определения биофизических характеристик различных таксонов биоты методом ЭПР-спектроскопии.

Установлена связь между определенными биофизическими характеристиками талломов лишайников и их сенсорными (индикаторными) свойствами.

Установлено, что в талломе лишайника при усилении негативного воздействия увеличивается выработка свободных радикалов. Количество парамагнитных центров (ГТМЦ) отражает концентрацию вторичных лишайниковых метаболитов, относящихся к париетиновому комплексу, обладающему защитной функцией.

Узкоспециализированный ботанический метод определения зон загрязнения среды по наличию и обилию проективного покрытия индикаторных видов лишайников получает дополнительное и достоверное биофизическое обоснование, осуществленное методом ЭПР-спектроскопии.

Научна и практическая значимость работы. Методом ЭПР установлено, что количество ПМЦ в талломах лишайников зависит от интенсивности антропогенного воздействия.

Методом ЭПР подтверждена закономерность распределения лишайников по лихеноиндикационным шкалам, а именно количество ПМЦ в талломе лишайников характеризует уровень чувствительности определенного вида лишайника.

урбанизированных территориях позволит выявить динамику загрязнения окружающей среды.

Разработанный способ может служить основой при разработке инновационных исследований лихенобиоты и программ долговременного мониторинга качества окружающей среды. Результаты позволят картировать значительные территории городов и прилегающие области для кадастровой оценки значимости объектов и обеспечения безопасности жизнедеятельности человека.

Поданы две заявки на изобретение и полезную модель для исследования воздействия поллютантов на лишайники.

Результаты, полученные в ходе работы, будут внедрены в учебный процесс Московского физико-технического института по направлению 010600 «Прикладные математика и физика» и 010400 «Прикладная математика и информатика».

Положения, выносимые на защиту:

— впервые получены результаты параметров биофизических характеристик различных таксонов биоты;

— выявлена закономерность между параметрами биофизических характеристик талломов лишайников и их сенсорными (индикаторными) свойствами.

— обнаружена зависимость биофизических характеристик талломов лишайников от антропогенных и абиотических факторов;

— найден новый способ определения качества окружающей среды методом ЭПР-спектроскопии;

— получены результаты годового мониторинга изменения окружающей среды на примере лишайника X. рапепНпа.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на пяти международных, семи всероссийских и одной региональной научных конференциях и семинарах: на научной конференции МФТИ «Современные проблемы фундаментальных и прикладных наук» (Москва, 2010), Всероссийской молодёжной конференции «Перспективы развития фундаментальных наук» (Москва, 2011), Всероссийской молодёжной научной школы «Прикладные математика и физика: от фундаментальных исследований к инновациям», научной конференции МФТИ «Проблемы фундаментальных и прикладных естественных и технических наук в современном информационном обществе» (Москва, 2012), международной конференции «Биодиагностика в экологической оценке почв и сопредельных сред» (Москва, 2013); на международной научно-практической конференции «Экология. Риск. Безопасность» (Курган,

2010); на Международной научной конференции «Сахаровские чтения 2011 года: экологические проблемы XXI века» (Минск, 2011) и Международной научной конференции «Сахаровские чтения 2012 года: экологические проблемы XXI века» (Минск, 2012); на всероссийской научно-практической конференции «Техносферная безопасность, надежность, качество, ресурсосбережение» (Ростов-на-Дону, 2011); на Международной научно-технической конференции «Наука, образование, производство в решении экологических проблем» (Уфа, 2012); на международной экологической конференции «Экология России и сопредельных территорий» (Новосибирск, 2012); на международной научно-методической конференции «Современные проблемы биофизики сложных систем. Информационно-образовательные процессы» (Воронеж, 2013).

Публикации. По теме диссертации опубликованы 18 работ, в том числе две статьи в журналах, входящих в перечень ВАК, девять статей — в сборниках трудов научных конференций, семь тезисов, изданных в материалах конференций, и поданы две заявки на выдачу патентов РФ.

Основные результаты исследования были отражены в научной работе, удостоенной дипломом победителя Всероссийского молодёжного конкурса научных работ (ВМКНР) по современным проблемам фундаментальных и прикладных наук в 2012 г. от министерства образования и науки РФ.

Структура и объем работы. Диссертация изложена на 121 стр. машинописного текста, которая состоит из введения, из пяти глав, заключения, выводов, списка литературы и приложения. Работа содержит рис. 37, табл. 12. Список литературы включает 147 источников, в том числе 65 на отечественном и 82 на иностранном языках.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Глава 1. МЕТОДЫ ЭПР-СПЕКТРОСКОПИИ И ЛИХЕНОИНДИКАЦИИ

Дан обзор работ в области изучения влияния окружающей среды на биологические организмы методом ЭПР-спектроскопии и оценки техносферной безопасности методами лихеноиндикации (метод картирования отдельных распространенных видов лишайников, либо всей лихенобиоты).

Пионерами в области применения метода ЭПР для изучения биологических организмов были Л.А. Блюменфельда и др., в работах которых были получены ЭПР-спектры культур животных и растительных клеток, результаты которых свидетельствовали о закономерных

изменениях ряда физиологических характеристик клеток в процессе клеточного цикла.

Микроволновое излучение с длиной волны 0,2-10,0 см, используемое в спектрометрах ЭПР, проникает внутрь биологических тканей. Поэтому методом ЭПР можно следить за превращениями парамагнитных молекул внутри оптически плотных образцов. Последнее обстоятельство особенно важно при изучении электрон-транспортных процессов в тканях.

Метод ЭПР использовали для оценки полезных свойств различных органических материалов (почвы, торф, бурые угли). Метод ЭПР находит применение при экологических исследованиях. При исследовании подстилки хвойных лесов методом ЭПР была изучена аллелопатическая активность растительных выделений опад-подстилки хвойных пород Раифского лесничества Волжско-Камского заповедника. Во всех образцах опад-подстилки обнаружены сигналы ЭПР с g-фактором, равным 2.0039±0.0003, который отнесен к свободнорадикальным производным фенольных соединений. Показано, что токсическое воздействие опада хвои обусловлено высоким содержанием свободнорадикальных производных фенольных соединений и разлагающиеся опавшие части растений (листья или хвоя) являются главным источником аллелопатических соединений в лесных массивах.

Методом ЭПР проведено исследование более 800 образцов лишайников из Нижней Силезии на юго-западе Польши. Для талломов лишайника Н. рЪузойез была установлена косвенная корреляция между среднегодовым содержанием диоксида серы в атмосфере и концентрацией свободных радикалов.

Распространенный в большинстве европейских стран биоиндикационный метод, такой как, лихеноиндикация, является перспективным и наиболее разработанным способом экологического мониторинга. Большой интерес представляют исследования с точки зрения физиологического отклика лишайников на загрязнители атмосферы. К настоящему времени еще не получило должного развития изучение механизма ответной реакции в лишайниках урбанизированных территорий (эффект лишайниковых пустынь в зонах повышенной нагрузки) на антропогенное воздействие. Определены толерантные и чувствительные виды лишайников, но не найден механизм отклика организма лишайника на воздействие поллютантов. Кроме того, неизвестно, что является регулирующим фактором смены доминантных видов лишайников в эпифитных сообществах на форофитах (стволы определенных пород деревьев) урбанизированных территорий.

Таким образом, метод ЭПР можно рассматривать, как универсальный инструмент позволяющий фиксировать изменения гомеостаза организмов, выполняющих индикативные функции в определении неблагоприятных факторов. Однако на данный момент возможности ЭПР-спектроскопии для биоиндикации не получили должного научного обоснования.

Глава 2. ОБОСНОВАНИЕ ВЫБОРА ОБЪЕКТА ИССЛЕДОВАНИЯ

Выбросы предприятий и автотранспорта в атмосферу оказывают негативное воздействие на талломы лишайников, а именно, на лихенизированные водоросли, представляющие автотрофный компонент. Негативное влияние проявляется: в снижении содержания хлорофилла и каротиноидов, в изменении структур мембран хлоропластов, что отрицательно сказывается на интенсивности фотосинтеза. Исследование воздействия диоксида серы на лишайники показывают: с увеличением концентрации Б02 в воздухе увеличивается проницаемость мембран органелл клетки. Диоксид серы, действуя, как акцептор или донор электронов, препятствует транспорту метаболитов и разрушает как мембрану клеток, так и ее внутренний гомеостаз. Внутри клетки разрушаются молекулы ферментов, ассоциированные с мембраной. Большинство ферментов содержат в своем составе ионы металлов, ферментативная активность которых обычно сопровождается изменением валентности этих металлов. Поскольку изменения валентности часто связаны с возникновением неспаренного электрона в окружении металла, то такие вещества удобно регистрировать методом электронного парамагнитного резонанса.

У лишайников нет восковой кутикулы или другого внешнего слоя для защиты от негативного влияния окружающей среды. Вся их поверхность в течение суток открыта для диффузии химического вещества, находящегося в воздухе. В итоге любое химическое вещество, к которому клетки лишайника не могут адаптироваться, представляют опасность, если концентрация этого вещества достигает высокого уровня и лишайник погибает. Эффект полного исчезновения лишайников в городах получил название «лишайниковой пустыни» и был впервые зафиксирован в середине 19-го века Ньюландером, который назвал лишайники «гигиенометрами».

Способ лихеноиндикации на протяжении ста лет позволяет достоверно и без больших затрат определять степень загрязнения воздуха, почвы и оценивать воздействие предприятий на окружающую среду. В европейских странах многие города (более 300-т), государства (Нидерланды, Великобритания) имеют лихенологические карты своих

территорий, в которых отражен многолетний фактический материал, отражающий реакцию несколько сотен видов лишайников на антропогенное изменение окружающей среды. В России исследованы и имеют лихенологические карты мегаполисы городов Санкт-Петербурга, Москвы, Казани, Воронежа, Уфы и др.

Для обоснования применения метода ЭПР в исследовании парамагнитных характеристик сенсорных свойств лишайников были сняты исходные ЭПР-спектры основных представителей биоты для того, чтобы определить, насколько параметры характеристик ЭПР-спектра информативны именно для лишайников. Из грибов исследовались дрожжи (Saccheromyces), листоватый лишайник {Xanthoria parientina (L.)Th. Fr), кустистый лишайник (Cladonia stellaris (Opiz) Pouzar & Vezda), из низших растений - водоросль (Cladophora aegagropila L.j, из высших -мохообразные на примере мха (Sphagnum macrophyllum Bernh) и голосеменные растения на примере можжевельника (Juniperus communis L.). Приведены результаты анализа ЭПР-спектров основных представителей биоты: низших и высших растений, грибов (рис.1).

□Широкий пик

X 2

□ У;

зкии пик

¿і і §■ £ е.

I е I

^ и е

и % &

я -

'Е "С £

с :S

а ~ а U й |

и с Й

2 '-с £ 5 .2 3

а. к

3 = 3 а г j

J о | '-JUS

Рис. 1. Значения интенсивности амплитуд широкого и узкого пика ЭПР-спектров разных таксонов биоты.

Установлено, что в исследованных таксонах грибов, низших и высших растений амплитуды широкого и узкого пика спектра ЭПР имеют разное значение. Максимальное значение амплитуд широких пиков зафиксировано в образцах листоватого лишайника ХапіИогіа рагіепґта

(Ь.)ТІг. Рг и кустистого лишайника Сіасіопіа хіеііагі.ч (Оріг) Роигаг & Уегс/а (Рис.1).

Получен характерный вид ЭПР-спектра лишайника (X. рагіепіїпа), который имеет два пика в спектре: узкий пик с g2-фaктopoм (2,0032-2,0040) и шириной Л#2=5,3±0,4 Гс и широкий пик с gl-фaктopoм (2,1-2,2) и шириной Д#|=400±23 Гс (Рис. 2).

Н(Гс)

Рис. 2. Характерный вид ЭПР-спектра листоватого лишайника Xanthoria parientina (L.) Th. Fr

По литературным данным узкий пик ЭПР-спектра лишайников со значениями g-фактора в диапазоне от 2,003 до 2,004 относят к фенолу и меланину. Сигнал широкого пика ЭПР-спектра со значениями g-фактора от 2,135 до 2,200 характеризует парамагнитные свойства как органических, так и неорганических компонентов таллома лишайников.

Таким образом, количество ПМЦ природных стабильных радикалов в исследуемых образцах биоты является достоверной характеристикой организма. Исследование талломов лишайников методом ЭПР наиболее информативно, т.к. количество ПМЦ в лишайниках больше, чем количество ПМЦ в других таксонах биоты. В ЭПР-спектрах лишайников соотношение амплитуды узкого пика к амплитуде широкого пика ярко выражено.

Глава 3. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Для радиоспектроскопического изучения парамагнитных характеристик сенсорных свойств лишайников и механизма ответного отклика на изменение качества окружающей среды применялся радиоспектрометр ЭПР «СПЕКТР 001», который имеет следующие

характеристики: рабочий диапазон частот 9,8±0,3 ГГц; чувствительность не менее 2x10й спин/Тл; диапазон регулирования мощностей СВЧ-генератора от 10 до 50 мВт; добротность СВЧ — резонатора не менее 6000; амплитуда модуляции индукции магнитного поля на частоте 100 кГц (1-4)х10 4 Тл; диапазон развертки индукции магнитного поля не менее 0,37 Тл; диапазон значений постоянной времени накопления сигнала ЭПР от 0,1 до 10 с (сертификат о калибровке № 910-13-01 от 09.07.2013 г. выдан ВНИИФТРИ).

Измеряемыми характеристиками ЭПР спектров были g-фактор; ширина линии А Я; интенсивность сигнала J' (амплитуда). Количество ПМЦ (парамагнитных центров) N определяли при помощи известного метода построения линейных анаморфоз по экспериментальным данным, сравнивая спектры от исследуемого образца и эталона рубина, который был закреплен в резонаторе.

Объектом исследования являлись широкораспространенные синантропные эпифитные лишайники (Hypogymnia physodes (L.) Nyl.; Parmelia sulcata Tayl; Physcia stellaris (L.) Nyl Xanthoria parientina (L.)Th. Fr.), собранные в фоновых и антропогенных зонах. Сбор образцов лишайников проводился общепринятыми лихенологическими методами. Выбор площадки сбора лишайников сделан на основе геоботанического подхода: закладывались пробные участки размером 25x25 м2, на котором исследовали 5-10 деревьев одного вида, с равными диаметрами стволов. На стволе дерева (форофите) от уровня почвы до 200 см делали эколого-флористическое описание обнаруженных лишайниковых сообществ, в которых выделяли доминантные виды лишайников с максимальным проективным покрытием.

Основные типы форофитов были представлены породами Tilia cordata, Acer platanoides, Populas trémula, Betida pendula, Sorbits aucuparia, формирующие лесообразующую растительность урбанизированных территорий Средней России. Сбор и обработка' лихенологического материала исследований проводилась по общепринятым методам (Определитель лишайников СССР, 1971-1978; Методы лихеноиндикации загрязнений окружающей среды, 1997; Патент РФ № 2260934 С1, 2005). Пробные участки заложены в фоновой территории Московской области и в городе Долгопрудном той же области. В фоновую зону входили два участка, удаленных не менее 50-ти км от промышленных предприятий и автотрасс с учетом «розы ветров»: территория поселка «Алешины Сады» и территория поселка Банино. Участки с антропогенной нагрузкой изучались на примере территории города Долгопрудного: дороги с интенсивным движением автотранспорта; территория кампуса Московского физико-технического института; городской сквер около

центральной площади г.Долгопрудного. Для изучения закономерности распределения лишайников по классам толерантности использована шкала полеотолерантности Трасса, эколого-флористическая классификация лишайниковых сообществ и лихеноиндикационные районированные шкалы для территории Средней России.

Для выявления природы парамагнитных характеристик сенсорных свойств лишайников проведены исследования парамагнитных и биоактивных металлов (Fe, Mg, Zn, Mn, Си) с помощью спектрометра ИСП-ОЭС Varian 720 ES.

Глава 4. СПЕКТРЫ И КОЛИЧЕСТВО ПМЦ ЛИШАЙНИКОВ В МОДЕЛЬНЫХ ЭКСПЕРИМЕНТАХ

Проведены серии экспериментальных работ по изучению состояния лишайников по парамагнитным характеристикам методом ЭПР-спектроскопии при контроле параметров влажности, температуры (абиотические факторы) и загрязнении воздуха диоксидом серы.

Для создания искусственных условий по влажности и загрязнению диоксидом серы воздуха применялась установка, на которую подана заявка как на полезную модель. Установка представляет собой набор разных по объему емкостей: в основной емкости идет процесс формирования загрязненной воздушной среды, в дополнительные емкости помещаются образцы талломов лишайников. Емкости последовательно соединяются между собой гибкими полиэтиленовыми трубками в замкнутую систему с насосом, создающего циркуляцию воздуха для образования однородной воздушной смеси.

Концентрация диоксида серы в воздушной среде замкнутой системы установки составляла 0,5 мг/м3, так как среднесуточная предельно допустимая концентрация диоксида серы составляет 0,05 мг/м3, а максимальная разовая — 0,5 мг/м3. В экспериментах использовались образцы эпифитных видов лишайника Н. physodes, образцы которого были собраны в фоновой зоне (пос. Банино, 56° 26' 56" с. ш. 37° 19' 48" в. д.) со стволов деревьев (В. pendula). Эксперимент состоял из трех серий, в которых менялась только влажность: первая серия (С1)-32%; вторая серия (С2) - 54%; третья серия (СЗ) - 81%. Продолжительность воздействия диоксида серы на талломы лишайников составляла четыре недели, при этом температура во время эксперимента составляла 24 °С. В модельном эксперименте за четырехнедельный период воздействия на лишайник Н. physodes диоксидом серы в установке были получены результаты значений ПМЦ широкой линии ЭПР спектра, отражающие парамагнитные свойства талломов лишайника (табл. 1).

Таблица 1.

Количество ПМЦ широкой линии ЭПР спектра ^=2,1-2,2) лишайника _Н. рИузснЗез в модельном эксперименте

Количество ПМЦ (1017 спин/мг)

1 неделя 2 неделя 3 неделя 4 неделя

Контроль(57%) 3,4 ± 0,3 2,6 ±0,2 2,8 ±0,2 3,2 ±0,3

С1 (32%) 3,6 ± 0,3 2,9 ± 0,3 3,2 ±0,3 5,1 ±0,1

С2 (54%) 2,4 ± 0,3 2,3 ±0,1 2,3 ± 0,3 4,6 ± 0,3

СЗ (81%) 2,1 ±0,1 2,4 ±0,1 2,7 ± 0,2 3,2 ± 0,3

По результатам эксперимента установлено, что количество ПМЦ в первой серии возрастает относительно контроля (в конце четвертой неделе разница значений ПМЦ между контролем и серией один составила 1,9Х1017 спин/мг). Во второй серии количество ПМЦ в течение первой и второй недели ниже значений ПМЦ контроля, но к концу четвертой недели значение ПМЦ увеличивается относительно контроля на 1,4x1017 спин/мг. В третьей серии количество ПМЦ после первой недели ниже значений ПМЦ контроля, тем не менее, количество ПМЦ увеличивается в продолжение всего эксперимента и к концу четвертой недели сравнивается со значением ПМЦ в контроле.

Следовательно, при действии диоксида серы на талломы лишайника Н. рИу$ос1ез во всех сериях в течение четырех недель увеличивается количество ПМЦ. Установлено, что к концу эксперимента (четвертая неделя) количество ПМЦ уменьшается с ростом значений влажности воздуха, содержащего 0,5 мг/м3 диоксида серы.

Данные результаты можно применить для оценки качества воздуха фоновой и урбанизированной зон, сравнивая значения количества ПМЦ (табл. 2). Значение количества ПМЦ образцов лишайника урбанизированной зоны больше на 1,2><1017 спин/мг, чем в фоновой зоне. Кроме того, количество ПМЦ в лишайнике из этой зоны приближается к значению количества ПМЦ лишайника, выдержанного в течение четырех недель в воздухе с диоксидом серы, концентрация которого соответствовала максимальной разовой ПДК по 802 в модельном эксперименте (С2). Следовательно, можно оценить качество окружающей среды в урбанизированной зоне как неблагополучное.

Таблица 2.

Количество ПМЦ (1017 спии/мг) в образцах лишайника Н. physodes

Фон Урбанизированная территория* Модельный эксперимент серия 2

Количество ПМЦ (1017 спин/мг) 3,2 ±0,3 4,4 ± 0,4 4,6 ± 0,3

* городской сквер г.Долгопрудный 55° 93' 20" с. ш. 37° 51' 45" в. д.

Таким образом, параметры биофизических (парамагнитных) характеристик лишайников отражают изменение процессов, которые лежат в основе механизма ответной реакции лишайника на изменение качества окружающей среды и связаны с образованием свободных радикалов.

Глава 5. СПЕКТРЫ И КОЛИЧЕСТВО ПМЦ ТОЛЕРАНТНЫХ И ЧУВСТВИТЕЛЬНЫХ ВИДОВ ЛИШАЙНИКОВ

Даны результаты исследования толерантных и чувствительных видов лишайника, собранных с ненарушенных и нарушенных мест обитания, годовой динамики изменения ЭПР-спектра талломов лишайника X. parietina, собранного на территориях с интенсивной антропогенной нагрузкой.

Для изучения методом ЭПР закономерности распределения лишайников по классам толерантности в зависимости от типа местообитания использована шкала полеотолерантности Трасса, а также эколого-флористическая классификация лишайниковых сообществ и лихеноиндикационные районированные шкалы для территории Средней России.

Поскольку используемые ботанические методики отработаны для многих городских мегаполисов, то была собрана коллекция образцов четырех широкораспространенных видов лишайников на территории г.Долгопрудного Московской области по стандартам традиционных методов сбора лишайников. Наиболее толерантным видом лишайника оказался вид Ph. stellaris, вид лишайника X. parietina обнаружен на стволах деревьев вдоль оживленных автострад, также отнесен к толерантным, вид лишайника P. sulcata отмечен в городских скверах является чувствительным. Вид лишайника Н. physodes как правило, характеризует ненарушенные места обитания и является самым чувствительным к качеству воздуха. Например, эстонский лихенолог Трасс Х.Х. определил лишайник Н. physodes в IV класс чувствительности шкалы полеотолерантности, отражающей типы местообитания эпифитных

лишайниковых сообществ Эстонии от естественных до антропогенно умеренно изменённых местообитаний.

В данном исследовании методом ЭПР-спектроскопии установлены две индикаторные группы лишайников по соотношению амплитуды узкого пика к амплитуде широкого пика:

1. Толерантные виды лишайников Ph. stellaris и X. parietina, соотношение составило J\IJ\ » 1,

2. Чувствительные виды лишайников P. sulcata и Н. physodes, соотношение составило J'\U'i « 1 (Рис. 3).

О Широкий пик □ Узкий пик

Physciа stellaris

Xanthoria parietina

РагтеЧа su/cata

Hypogymnia physodes

Рис. 3. Значения интенсивности амплитуд широкого и узкого пика ЭПР-спектров (^1=2,1-2,2 £2=2,0032-2,0040) индикаторных видов

лишаиников.

Методом ЭПР-спектроскопии выявлено, что амплитуда широкого пика наиболее толерантного вида лишайника РІ1. зґеНагіз в десять раз больше амплитуды широкого пика лишайника Н. рігузосіез, который является самым чувствительным видом в данном эксперименте (рис.4).

Physcia Xanthoria Panuclia Hypogymnia stellaris (I) parietina (П) sulcata (Ш) physodes (IV)

Рис. 4. Количество ПМЦ широкой линии ^=2,1-2,2) ЭПР-спектра широкораспространенных видов лишайников, принадлежащих к разным классам шкалы полеотолерантности Трасса.

При изучении зависимости содержания количества ПМЦ широкой линии ЭПР-спектра данных видов лишайников и их места положения в шкале полеотолерантности была доказана закономерность распределения этих видов лишайников по классам чувствительности.

Таким образом, при помощи ЭПР-спектроскопии повысилась достоверность оценки сенсорных свойств лишайников для ранее установленной взаимосвязи известных и отличительных признаков чувствительности лишайников.

Для подтверждения того, что количество ПМЦ в талломе лишайников является достоверной характеристикой состояния организма, отражающей состояние окружающей среды был проведен эксперимент. В экперименте использовались образцы эпифитных видов лишайников X. рапе/1па (один из толерантных видов) и Н. рИузос1е5 (один из чувствительных видов), собранные виды были из фоновой (точка 1) и из урбанизированной зон (точка 2).

8 6 4

Точка 1 Точка 2 Точка 1 Точка2

X. рагШта н_ р}1узо^

Рис. 5. Количество ПМЦ широкого пика ^=2,1-2,2) ЭПР-спектра в образцах лишайников X. рагіеііпа и Н. Ркузосіез, собранных в фоновой (точка 1) и урбанизированной зонах (точка 2).

Установлено, что количество ПМЦ широкого пика ЭПР-спектра в образцах лишайника X. рагіеНпа больше на 3,9><1017 спин/мг в точке 2 (урбанизированная зона), чем в точке 1 (фоновая зона) (Рис. 5). Аналогичные результаты получились с образцами лишайника Н. рИузосІез, изменение количества ПМЦ широкого пика ЭПР-спектра образцов с разных зон составило 1,2x1017 спин/мг.

Таким образом, установлено, что количество ПМЦ широкого пика ЭПР-спектра отражает физиологическое состояние таллома любого лишайника и значение количества ПМЦ широкого пика может стать индикатором качества окружающей среды. Кроме того, количество ПМЦ

широкого пика ЭПР-спектра любого лишайника из фоновой зоны может служить базовым значением для создания шкалы антропогенной нагрузки данного региона.

Смена чувствительных видов лишайников на толерантные виды — один из этапов исчезновения многих видов лишайников на урбанизированных территориях. Нарушение физиологического состояния фотобионта является одной из причин исчезновения таких видов лишайников. Однако, немаловажную роль в защите от неблагоприятных воздействий окружающей среды играет микобионт. Например, в весенний период значительно, почти в два раза, по сравнению с осенним периодом, в поверхностном слое таллома широко распространенного лишайника X. рапеНпа увеличивается содержание париетиного комплекса, который синтезирует микобионт, защищающий фотобионт лишайника от чрезмерной солнечной радиации. Поэтому для исследования связи парамагнитных характеристик (ПМЦ; ^-фактора широкого пика), относительной массой париетиного комплекса лишайника X. рапеПпа и некоторыми параметрами среднемесячных значений солнечной инсоляции и температуры выполнены серии ежемесячных экспериментов в течение года. В процессе экспериментов установлено, что физиологические характеристики талломов лишайников меняются незначительно за недельный период времени, поэтому для мониторинговых работ необходимо осуществлять сбор образцов лишайников с фоновых и нарушенных мест обитаний в течение этого периода времени.

По результатам экспериментов установлено, что значения количества ПМЦ в образцах таллома лишайника меняется в зависимости от сезона года. Например, минимальное содержание приходится на февраль (3,9х1017 спин/мг), а максимум на ноябрь (17,2х 1017 спин/мг), т.е. происходит четырехкратное увеличение количества ПМЦ широкого пика ЭПР-спектра (рис.6). Среднемесячные минимальные и максимальные значения относительной массы париетиного комплекса в этих же образцах, собранные в марте (0,22 мг/г) и октябре (0,91 мг/г), также различаются в четыре раза (рис. 6).

Значения массы париетиного комплекса и ПМЦ широкого пика ЭПР-спектра так же могут быть связаны со среднемесячными значениями солнечной активности (рис. 6). Следовательно, лишайник X. рапеНпа, который является толерантным и способным адаптироваться к широкому кругу неблагоприятных воздействий окружающей среды, вырабатывает вторичные метаболиты в ответ на стресс, которые дают свой вклад в увеличение количества ПМЦ широкого пика ЭПР-спектра.

5 -&

2,22

2,18

2,14

—1—-»«-Д™«*«™^^ ................................Ль................ л

у Г ^^ —- к <

Рис. 6. Динамика сезонных колебаний значений парамагнитных характеристик, значений концентрации париетиного комплекса и значениями некоторых абиотических факторов окружающей среды на примере лишайника^. рагіеПпа.

Таким образом, установлено, что количество ПМЦ широкого пика ЭПР-спектра на примере лишайника X. рапейпа связано с образованием вторичных лишайниковых метаболитов, относящихся к париетиновому комплексу, обладающему защитной функцией.

Для выявления природы парамагнитных характеристик сенсорных свойств лишайников проведены исследования парамагнитных и биоактивных металлов (Ре, Ъъ, Мп, Си). Для понимания причин возникновения широкого пика ЭПР-спектра в лишайниках со значением ^'-фактора 2,1-2,2 изучена взаимосвязь количества ПЦМ широкого пика и содержание металлов в одних и тех же образцах. Эксперимент состоял из серии ежемесячных измерений парамагнитных характеристик и содержания металлов в талломах с ноября 2011 по март 2012 года в талломах лишайника X. рапейпа на урбанизированной территории г.Долгопрудного Московской области.

Таблица 3

Коэффициенты корреляции между каждой парой значений переменных.

Си Бе Mg Мп гп ПМЦ

Бе 0,75

0,56 0,80

Мп 0,95 0,86 0,62

Ъл 0,67 0,41 0,27 0,69

ПМЦ 0,87 0,95 0,64 0,94 0,56

ё, 0,15 -0,09 -0,11 0,20 0,55 0,06

По результатам исследования проведен корреляционный анализ содержания металлов между собой и количеством ПМЦ в талломах лишайника X. рапейпа. Для парамагнитных металлов (Бе, Мп, Си) коэффициенты корреляции больше 0,85, а для непарамагнитных металлов (Mg, Zn) коэффициенты корреляции меньше 0,65. Значимые корреляции выделены жирным шрифтом (табл. 3). Для лишайника X. рапейпа по содержанию металлов была обнаружена самая высокая концентрация по железу. Содержание металлов в данном лишайнике уменьшается согласно ряду: Ре>М§>гп>Мп>Си.

Таким образом, количество ПМЦ в данных образцах положительно коррелирует с наличием металлов. В условиях возрастания негативного воздействия на лишайник в микобионте увеличивается производство вторичных метаболитов, которые образуют металлоорганические комплексы, находящиеся в неклеточном пространстве, что ведет к увеличению ПМЦ широкого пика ЭПР-спектра.

ВЫВОДЫ

1. Методом ЭПР-епектроскопии доказано, что реакцией организма лишайника на стрессовые ситуации (абиотические и антропогенные факторы) является увеличение свободных радикалов, а именно: увеличение ПМЦ широкого пика ЭПР-спектра. Значения количества ПМЦ широкого пика ЭПР-спектра могут стать индикатором качества окружающей среды

2. Методом ЭПР была подтверждена закономерность распределения лишайников по шкале полеотолерантности. Выделены две индикаторные группы лишайников по отношению амплитуд широкого пика к узкому пику:

Ph. s tel lar is, X. parie tina — J\U'i » 1, P. sulcata, H. physodes — J'\IJf2 « 1 •

3. Экспериментально установлено, что при повышенной влажности воздуха уменьшается негативное воздействие поллютантов.

4. Установлено, что физиологические характеристики талломов лишайников меняются незначительно за недельный период времени.

5. Количество ПМЦ положительно коррелирует с наличием металлов в лишайниках.

6. Для лишайника X. parietina установлено, что количество ПМЦ широкого пика ЭПР-спектра отражает концентрацию вторичных лишайниковых метаболитов, относящихся к париетиновому комплексу, обладающему защитной функцией.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ. ДИССЕРТАЦИИ:

Статьи, опубликованные в рецензируемых журналах рекомендованных ВАК

1. Журавлёва С.Е., Бондаренко П.В. Парамагнитные характеристики

талломов лишайников на примере Hypogymnia рИуяосіея (Ь.) Му1. // Экологический Вестник, 2011. № 3 (17) — С. 100-104.

2. Журавлёва С.Е., Бондаренко П.В., Трухан Э.М. Биомониторинг

индикаторных видов лишайников методом ЭПР-спектроскопии // Биофизика, 2013. Т. 58. Вып. 2 — С. 329-333.

Статьи, опубликованные в сборниках трудов конференций

3. Бондаренко П.В. Исследование биологической активности лишайника

с помощью электронного парамагнитного резонанса // Труды 53-й науч. конф. МФТИ «Современные проблемы фундаментальных и прикладных наук». Часть IV. Молекулярная и биологическая физика.

— М.: МФТИ, 2010. — С. 4-6.

4. Бондаренко П.В., Журавлёва С.Е. Изменение количества свободных

радикалов в лишайнике — как критерий состояния качества окружающей среды // Сборник тр. всерос. молодёжной конф. «Перспективы развития фундаментальных наук» — М.: МФТИ, 2011.

— С. 95-96.

5. Бондаренко П.В., Журавлёва С.Е., Беляев Д.В. Сезонные накопления

металлов в лишайниках как фактор антропогенной нагрузки // Сборник тр. Всерос. молодёжной науч. школы «Прикладные математика и физика: от фундаментальных исследований к инновациям» — М.: МФТИ, 2012. — С. 119-120.

6. Бондаренко П.В., Журавлёва С.Е. ЭПР исследование изменения

состояния таллома макролишайника при воздействии диоксида серы in vitro // Труды 55-й научн. конф. МФТИ: Всероссийской научной конференции. Молекулярная и биологическая физика. —М.: МФТИ, 2012, —С. 33.

7. Бондаренко П.В., Журавлёва С.Е. Роль металлов в жизнедеятельности

лишайников в условиях in vitro // Труды 55-й науч. конф. МФТИ: Всероссийской научной конференции. Молекулярная и биологическая физика. — М.: МФТИ, 2012. — С. 189-190.

8. Федоренко A.A., Журавлёва С.Е., Бондаренко П.В. Пигментный

анализ индикаторных видов лишайников для экомониторинга // Труды 55-й науч. конф. МФТИ: Всероссийской научной конференции. Молекулярная и биологическая физика. — М.: МФТИ, 2012, —С. 190-191

9. Куценко В.Е., Бондаренко П.В., Бабаев Е.В. Связь вторичных

метаболитов с устойчивостью лишайников к антропогенной нагрузке // Труды 55-й науч. конф. МФТИ: Всероссийской научной конференции. Молекулярная и биологическая физика. — М.: МФТИ, 2012. — С. 192-193.

10. Бондаренко П.В., Журавлёва С.Е. Содержание металлов и

парамагнитных частиц в лишайниках // Наука, образование, производство в решении экологических проблем (Экология 2012): Сб. научн. статей 1Х-Й Междун. науч.-техн. конф. — Уфа: УГАТУ, 2012. T. II — С.124-129.

П.Бондаренко П.В., Журавлёва С.Е. Применение ЭПР-спектроскопии в экологической экспертизе окружающей среды // Труды междун. науч.-метод, конф. «Современные проблемы биофизики сложных систем. Информационно-образовательные процессы» — Воронеж: ВГУ, 2013, —С. 106-108.

Тезисы, опубликованные в материалах конференций

12. Журавлёва С.Е., Бондаренко П.В. Маркер качества природной среды

//Экология. Риск. Безопасность: Материалы Междунар. науч.-практ. конф. (20-21 октября 2010).Т. 1 — Курган, 2010. — С. 103-104.

13. Красногорская H.H., Журавлёва С.Е., Бондаренко П.В. ЭПР-

спектроскопия природных стабильных радикалов биоты как метод контроля и мониторинга безопасности окружающей среды // Техносферная безопасность, надежность, качество,

ресурсосбережение: материалы всерос. науч.-практ. конф. Ростов-на-Дону: РГСУ, 2011. Т. 38. Вып. 13 — С. 68-71.

14. Бондаренко П.В., Журавлёва С.Е. Биофизические механизмы

ответной реакции лишайников на воздействие поллютантов // Сахаровские чтения 2011 года: экологические проблемы XXI века: материалы 11-й междунар. научи, конф. — Минск: МГЭУ им. А.Д. Сахарова, 2011. — С. 227.

15. Бондаренко П.В., Журавлёва С.Е. Парамагнитные центры —

индикаторы загрязнения окружающей среды // Спектроскопия и томография электронного парамагнитного резонанса в химии и биологии: материалы всерос. конф. с междунар. участием — М.: 2011, —С. 68.

16. Бондаренко П.В., Журавлёва С.Е. Различие индикаторных видов

лишайников по количеству ПМЦ и металлов // Сахаровские чтения 2012 года: экологические проблемы XXI века: материалы 12-й междунар. научн. конф. — Минск: МГЭУ им. А.Д. Сахарова, 2012. — С. 182.

17. Федоренко A.A., Бондаренко П.В., Байзигитова P.P. Взаимосвязь

абиотических факторов и некоторых свойств талломов лишайника Xantoria parientina (L.) Th. Fr. II Экология России и сопредельных территорий: Материалы XVII междунар. экологической студенческой конф.— Новосибирск, 2012. Т. 2. — С. 75.

18. Бондаренко П.В., Журавлёва С.Е. Применение ЭПР-спектроскопии в

лихеноиндикации // Биодиагностика в экологической оценке почв и сопредельных сред: Тезисы докладов Междунар. конф. — М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2013. — С. 26.

Подписано в печать 23.10.2013. Формат 60 х 84 '/16. Усл. печ. л. 1,0. Тираж 80 экз. Заказ № 320.

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московский физико-технический институт (государственный университет)» Отдел оперативной полиграфии «Физтех-полиграф» 141700, Моск. обл., г.Долгопрудный, Институтский пер., д. 9 +7(495) 408-84-30 E-mail: polygraph@mipt.ru

Текст научной работыДиссертация по биологии, кандидата биологических наук, Бондаренко, Павел Владимирович, Долгопрудный

04201364342

БОНДАРЕНКО Павел Владимирович

БИОФИЗИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ СЕНСОРНЫХ СВОЙСТВ КРИПТОГАМОВ НА ПРИМЕРЕ ЛИШАЙНИКОВ

Специальность 03.01.02 - биофизика

диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Научный руководитель: к.б.н., доцент Журавлева С. Е.

Долгопрудный - 2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ.........................................................................................3

ВВЕДЕНИЕ.....................................................................................................................4

ГЛАВА 1. МЕТОДЫ ЭПР-СПЕКТРОСКОПИИ И ЛИХЕНОИНДИКАЦИИ13

ГЛАВА 2. ОБОСНОВАНИЕ ВЫБОРА ОБЪЕКТА ИССЛЕДОВАНИЯ.........38

ГЛАВА 3. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ..............................44

3.1 Методика сбора и определения лишайников.................................................44

3.2 Метод электронного парамагнитного резонанса (ЭПР)..............................50

3.3 Метод индуктивно связанной плазмы оптической эмиссионной спектрометрии. Определение содержания металлов в талломе лишайников. ......................................................................................................................................55

3.4 Методика моделирования искусственных условий по влажности и содержанию диоксида серы....................................................................................57

ГЛАВА 4. СПЕКТРЫ И КОЛИЧЕСТВО ПМЦ ЛИШАЙНИКОВ В МОДЕЛЬНЫХ ЭКСПЕРИМЕНТАХ......................................................................61

ГЛАВА 5. СПЕКТРЫ И КОЛИЧЕСТВО ПМЦ ТОЛЕРАНТНЫХ И ЧУВСТВИТЕЛЬНЫХ ВИДОВ ЛИШАЙНИКОВ................................................69

5.1 Исследования толерантных и чувствительных видов методом ЭПР.........69

5.2 Исследование лишайников, собранных с ненарушенных и нарушенных мест обитания............................................................................................................75

5.3 Сезонные накопления металлов в лишайниках как фактор антропогенной нагрузки......................................................................................................................85

ВЫВОДЫ......................................................................................................................94

ЛИТЕРАТУРА.............................................................................................................95

Список сокращений

ОТЛ — образец таллома лишайника

ОС — окружающая среда

ПМЦ — парамагнитные центры

ЭПР — электронный парамагнитный резонанс

ВВЕДЕНИЕ

Актуальны исследования с применением метода электронного парамагнитного резонанса (ЭПР), направленные на изучение фундаментальной проблемы, а именно, на поиск механизма ответной реакции лишайников на негативное воздействие и причин экологической приуроченности лишайников. Метод ЭПР — один из основных прямых методов обнаружения свободных радикалов и комплексов металлов переменной валентности, имеющих неспаренный электрон на молекулярной орбитали, фотовозбужденных триплетных состояний молекул. Основаниями для применения метода ЭПР в изучении биофизических характеристик лишайников служат их низкая способность к авторегуляции и высокая степень зависимости от физико-химических параметров среды. Кроме того, на данный момент возможности ЭПР— спектроскопии для биоиндикации не получили должного научного обоснования. Поэтому исследования, направленные на оптимизацию биомониторинга путем изучения механизма ответной реакции лишайников по биофизическим характеристикам приобретают особое значение.

Работа выполнена в соответствии с планом фундаментальных научно-исследовательских работ Московского физико-технического института,

проводимых в рамках государственного задания Министерства образования и науки РФ (номер госрегистрации: 01201261131; 01201261133).

Цель работы — изучение биофизических характеристик талломов лишайников методом ЭПР-спектроскопии.

Задачи исследования:

— изучение роли биоактивных металлов в лишайниках и их связь с ЭПР-спектрами;

Научная новизна:

Установлено, что в талломе лишайника при усилении негативного

воздействия увеличивается выработка свободных радикалов. Количество

парамагнитных центров (ПМЦ) отражает концентрацию вторичных

лишайниковых метаболитов, относящихся к париетиновому комплексу, обладающему защитной функцией.

Научная и практическая значимость работы. Методом ЭПР установлено, что количество ПМЦ в талломах лишайников зависит от интенсивности антропогенного воздействия.

Методом ЭПР подтверждена закономерность распределения лишайников по лихеноиндикационным шкалам, а именно, количество ПМЦ в талломе лишайников характеризует уровень чувствительности определенного вида лишайника.

Разработан новый способ определения качества окружающей среды методом ЭПР-спектроскопии лишайников. Создание базы данных по биофизическим характеристикам распространенных лишайников на урбанизированных территориях позволит выявить динамику загрязнения окружающей среды.

Поданы две заявки на изобретение и полезную модель для исследования воздействия поллютантов на лишайники.

Положения, выносимые на защиту:

— впервые получены результаты параметров биофизических характеристик различных таксонов биоты;

—найден новый способ определения качества окружающей среды методом ЭПР-спектроскопии;

— получены результаты годового мониторинга изменения окружающей среды на примере лишайника X. раНейпа.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ: Статьи, опубликованные в рецензируемых журналах рекомендованных ВАК

1. Журавлёва С.Е., Бондаренко П.В. Парамагнитные характеристики талломов лишайников на примере Hypogymnia physodes (L.) Nyl. // Экологический Вестник, 2011. №3(17) —С. 100-104.

2. Журавлёва С.Е., Бондаренко П.В., Трухан Э.М. Биомониторинг индикаторных видов лишайников методом ЭПР-спектроскопии // Биофизика, 2013. Т. 58. Вып. 2 — С. 329-333.

Статьи, опубликованные в сборниках трудов конференций

3. Бондаренко П.В. Исследование биологической активности лишайника с помощью электронного парамагнитного резонанса // Труды 53-й науч. конф. МФТИ «Современные проблемы фундаментальных и прикладных наук». Часть IV. Молекулярная и биологическая физика. — М.: МФТИ, 2010. — С. 4-6.

4. Бондаренко П.В., Журавлёва С.Е. Изменение количества свободных радикалов в лишайнике — как критерий состояния качества окружающей среды // Сборник тр. всерос. молодёжной конф. «Перспективы развития фундаментальных наук» — М.: МФТИ, 2011. — С. 95-96.

5. Бондаренко П.В., Журавлёва С.Е., Беляев Д.В. Сезонные накопления металлов в лишайниках как фактор антропогенной нагрузки // Сборник тр. Всерос. молодёжной науч. школы «Прикладные математика и физика: от фундаментальных исследований к инновациям» — М.: МФТИ, 2012. — С. 119-120.

6. Бондаренко П.В., Журавлёва С.Е. ЭПР исследование изменения состояния таллома макролишайника при воздействии диоксида серы in vitro // Труды 55-й научн. конф. МФТИ: Всероссийской научной конференции. Молекулярная и биологическая физика. — М.: МФТИ, 2012. — С. 33.

7. Бондаренко П.В., Журавлёва С.Е. Роль металлов в жизнедеятельности лишайников в условиях in vitro // Труды 55-й науч. конф. МФТИ: Всероссийской научной конференции. Молекулярная и биологическая физика,—М.: МФТИ, 2012, —С. 189-190.

8. Федоренко A.A., Журавлёва С.Е., Бондаренко П.В. Пигментный анализ индикаторных видов лишайников для экомониторинга // Труды 55—й науч. конф. МФТИ: Всероссийской научной конференции. Молекулярная и биологическая физика. —М.: МФТИ, 2012. — С. 190-191.

9. Куценко В.Е., Бондаренко П.В., Бабаев Е.В. Связь вторичных метаболитов с устойчивостью лишайников к антропогенной нагрузке // Труды 55—й науч. конф. МФТИ: Всероссийской научной конференции. Молекулярная и биологическая физика. —М.: МФТИ, 2012. — С. 192-193.

10. Бондаренко П.В., Журавлёва С.Е. Содержание металлов и парамагнитных частиц в лишайниках // Наука, образование, производство в решении экологических проблем (Экология 2012): Сб. научн. статей IX-й Междун. науч.-техн. конф. — Уфа: УГАТУ, 2012. Т. II — С. 124-129.

11. Бондаренко П.В., Журавлёва С.Е. Применение ЭПР-спектроскопии в экологической экспертизе окружающей среды // Труды междун. науч.-метод, конф. «Современные проблемы биофизики сложных систем. Информационно—образовательные процессы» — Воронеж: ВГУ, 2013. — С. 106-108.

Тезисы, опубликованные в материалах конференций

12. Журавлёва С.Е., Бондаренко П.В. Маркер качества природной среды //Экология. Риск. Безопасность: Материалы Междунар. науч.-практ. конф. (20-21 октября 2010).Т.1 — Курган, 2010. — С. 103-104.

13. Красногорская H.H., Журавлёва С.Е., Бондаренко П.В. ЭПР-спектроскопия природных стабильных радикалов биоты как метод контроля и мониторинга

безопасности окружающей среды // Техносферная безопасность, надежность, качество, ресурсосбережение: материалы всерос. науч.-практ. конф. Ростов-на-Дону: РГСУ, 2011. Т. 38 Вып. 13 — С 68-71.

14. Бондаренко П.В., Журавлёва С.Е. Биофизические механизмы ответной реакции лишайников на воздействие поллютантов // Сахаровские чтения 2011 года: экологические проблемы XXI века: материалы 11-й междунар. научн. конф. — Минск: МГЭУ им. А.Д. Сахарова, 2011. — С. 227.

15. Бондаренко П.В., Журавлёва С.Е. Парамагнитные центры — индикаторы загрязнения окружающей среды // Спектроскопия и томография электронного парамагнитного резонанса в химии и биологии: материалы всерос. конф. с междунар. участием — М.: 2011. — С. 68.

16. Бондаренко П.В., Журавлёва С.Е. Различие индикаторных видов лишайников по количеству ПМЦ и металлов // Сахаровские чтения 2012 года: экологические проблемы XXI века: материалы 12—й междунар. научн. конф. — Минск: МГЭУ им. А.Д. Сахарова, 2012. — С. 182.

17. Федоренко A.A., Бондаренко П.В., Байзигитова Р.Р. Взаимосвязь абиотических факторов и некоторых свойств талломов лишайника Xantoria parientina (L.) Th. Fr. II Экология России и сопредельных территорий: Материалы XVII междунар. экологической студенческой конф.— Новосибирск, 2012. Т. 2. — С. 75.

18. Бондаренко П.В., Журавлёва С.Е. Применение ЭПР-спектроскопии в лихеноиндикации // Биодиагностика в экологической оценке почв и сопредельных сред: Тезисы докладов Междунар. конф. — М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2013. — С. 26.

Степень достоверности и апробация работы. Основные положения

диссертационной работы докладывались и обсуждались на пяти международных,

семи всероссийских и одной региональной научных конференциях и семинарах: на научной конференции МФТИ «Современные проблемы фундаментальных и прикладных наук» (Москва, 2010), Всероссийской молодёжной конференции «Перспективы развития фундаментальных наук» (Москва, 2011), Всероссийской молодёжной научной школы «Прикладные математика и физика: от фундаментальных исследований к инновациям», научной конференции МФТИ «Проблемы фундаментальных и прикладных естественных и технических наук в современном информационном обществе» (Москва, 2012), международной конференции «Биодиагностика в экологической оценке почв и сопредельных сред» (Москва, 2013); на международной научно-практической конференции «Экология. Риск. Безопасность» (Курган, 2010); на Международной научной конференции «Сахаровские чтения 2011 года: экологические проблемы XXI века» (Минск, 2011) и Международной научной конференции «Сахаровские чтения 2012 года: экологические проблемы XXI века» (Минск, 2012); на всероссийской научно-практической конференции «Техносферная безопасность, надежность, качество, ресурсосбережение» (Ростов-на—Дону, 2011); на Международной научно-технической конференции «Наука, образование, производство в решении экологических проблем» (Уфа, 2012); на международной экологической конференции «Экология России, и сопредельных территорий» (Новосибирск, 2012); на международной научно-методической конференции «Современные проблемы биофйзики сложных систем. Информационно-образовательные процессы» (Воронеж, 2013).

По теме диссертации опубликованы 18 работ, в том числе две статьи в журналах, опубликованные в рецензируемых журналах рекомендованных ВАК, девять статей — в сборниках трудов научных конференций, семь тезисов, изданных в материалах конференций и поданы две заявки на выдачу патентов РФ.

Основные результаты исследования были отражены в научной работе, удостоенной дипломом победителя Всероссийского молодёжного конкурса

научных работ (ВМКНР) по современным проблемам фундаментальных и прикладных наук в 2012 г. от министерства образования и науки РФ.

Объем и структура диссертации. Диссертация изложена на 121 стр. машинописного текста, которая состоит из введения, пяти глав, выводов, списка литературы и приложения. Работа содержит рис. 37, табл. 12. Список литературы включает 147 источника, в том числе 65 на отечественном и 82 на иностранном языках.

ГЛАВА 1. МЕТОДЫ ЭПР-СПЕКТРОСКОПИИ И ЛИХЕНОИНДИКАЦИИ

Электронный парамагнитный резонанс (ЭПР, ЕРЯ, Е8Я) — один из основных прямых методов обнаружения и идентификации (изучения строения) свободных радикалов и комплексов металлов переменной валентности, имеющих неспаренный электрон на молекулярной орбитали.

Метод был открыт Евгением Константиновичем Завойским в Казанском Университете в 1944 году. Он заметил, что монокристалл СиС12, помещенный в постоянное магнитное поле поглощает радиоволны в микроволновом диапазоне.

Метод электронного парамагнитного резонанса (ЭПР) служит для изучения парамагнитных центров (неспаренных электронов) в веществах и в их окружениях. Его применение связано с изучением органических свободных радикалов, комплексных ионов парамагнитных металлов и фотовозбужденных триплетных состояний молекул.

Примерами парамагнитных частиц служат свободные радикалы, возникающие как в результате повреждающего действия радиации на биологические структуры, при фотохимическом окислении хлорофилла, так и промежуточные продукты биохимических реакций, ионы металлов переменной валентности, таких как железо, медь, марганец и др. (Ингрем, 1975).

Ионы парамагнитных металлов Бе, Со, N1, Си, Мп являются распространенными в биологических системах парамагнитными частицами, входящими в состав энзимов. Парамагнетизм этих ионов обусловлен особенностями заполнения электронных оболочек, в результате чего энергетически выгодным оказывается наличие неспаренных электронов на некоторых внутренних орбиталях. Метод ЭПР позволяет наблюдать окислительно-восстановительные превращения этих металлов и судить, таким образом, об их функционировании (Блюменфельд и др., 1962).

Методом ЭПР исследуют и фотобиологические реакции, так как триплетные состояния молекул, возникаю

Информация о работе

Бондаренко, Павел Владимирович
кандидата биологических наук
Долгопрудный, 2013
ВАК 03.01.02

Диссертация

Биофизические характеристики сенсорных свойств криптогамов на примере лишайников - тема диссертации по биологии, скачайте бесплатно

Автореферат

Похожие работы