Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Физико-химические показатели высших водяных растений как тест-реакция на действие токсикантов (на примере тяжелых металлов)

ВАК РФ 03.00.12, Физиология и биохимия растений

Автореферат диссертации по теме "Физико-химические показатели высших водяных растений как тест-реакция на действие токсикантов (на примере тяжелых металлов)"

КИ1'ВСЬКШ УН1ВЕРСИТЕТ 1МЕН1 ТАРАСА ШЕВЧЕНКА ^ На правах рукопису

о 19$5

ОЛЬХОВИЧ ОЛЬГА ПЕТР1ВНА

УДК 631.873:661.665.2

Ф1310Л0Г0-БЮХ1М1ЧИ ПОКАЗНШШ ВШЦИХ ВОДЯНИХ РОСЛИН ЯК ТЕСТ-РЕАКЦ11 НА Д1Ю ТОКСИКАНТГВ (НА ПРШШД1 ВАШИ !ХЕТАЛ1В)

. 03.00.12 - Ф1з1олог1я рослин

Автореферат на здобуття науксвого ступэня кандидата 61одог1чних наук

Ки1'в - 94

Дисертац1ею е рукопис.

Робота виконана на кафедр1 ф1з1ологП та ексыюгН' рослин Ки1'вського ун!верситету 1м.Тараса Шевченка та у в1дд1л1 еколог1чно1" ф1з1олог11 водяних рослин Институту г1дроб1ологП HAH Укра1'ни.

Науков1 кер1вники: доктор б1олог1чних наук, професор Мус1снко Микола Ыиколайович кандидат 61олог1чних наук, старший науковий сп1вроб1тник См1рнова Каталiя Микола1'вна 0ФШ1ЙН1 опоненти: доктор б1олог1чних наук, професор Мусатенко Людмила 1ван1вна кандидат 61 олоИчних наук Лук1на Л1д1я Федор1вна Пров 1 дна орган!зац1я: Центральний <5о,-ан1чиий сад

im. K.M. Гришка HAH Украхни

Захист дасертац11 в1дбудеться " 71995 р. 0 ■fif годин 1 на зас1данн1 спец1ал1зоваяоГ вченоГ ради Д 01.01.07 для захисту дасертац1й на б1олог1чному факультет1 КиХвського ун1верситету 1 м.Тараса Шевченка за адресов: м.Ки1'в, *127, проспект Глушкова,2.

Поштова адреса:252601, м.Ки1'в, 33 МПС. вул.Володимирська, 64.

3 дисертац1ею можна ознайомитись в б10л1отец1 ун1верситету. Автореферат роз1слано KJ.6* С-с^'т-Н^ 1995 р.

Вчений секретар спец1ал1зовано1 ради, кандидат 01олог1чних наук, професор ¡гб.Брайон

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальн1сть проблеми. 3 п1дсиленням антропогенного пресу на Ьодн! екосистеми зростас забруднення природних, водойм, що Ьризводить до значно! зм1ни х1м!чного складу води, до порушення С1олог1чно\' р1вноваги 1 процес1в самоочищения. 1 якщо не йерешкодхати цьому, то це зумовить в к1нцевому результат1 серйозну еколог1чну кризу. Все ран1ше зазначене Шдкреслюе гостру Необх1дн1сть розроОок ефективних 1 над1йних ме^од!в оц1нки б1олог!чно'1 небезпеки забруднених вод.

Охорона в1д забруднення водних природних ресурс1в, Шдвищення продуктивное? 1 1'х зумовлюе необх!дн1сть вивчення особливостей взасмозв'язк1в г1дробЮнт1в з водним середовицем п1д час порушення природного балансу його !нгред1снт1в.

В тепер1шн!й час для оц!нки ступеня токсичност! вод, Ьбгрунтування гранично допустимих кондентрац1й (ГДК) шк1дливих |>ечовин I розробки водоохоронних заход!в все б1льше застосовують Метода б1олог1чного тестування, як1 грунтуються на анал1з1 Ндпов1дши реакц!й водяних орган1зм1в, на як1 д1с токсикант.

У зв'язку з цим, дуке важливо в1дшукати най01льш чутлив1 до Токсично! д!1 вида г1дроб1онт1в, а такок 1'х ф!з!олог1чн! йоказники, як! в!дкрили б мохлив1сть експрес-д! агностики в1дхилень Ыд норми у житт! водойм.

Персгтективним для вир1шення цього питания горедбачаеться використання вищих водяних рослин.

Мета 1 завдання досл!джень. Головна мэта робота - провести пор1вняльну оцТнку чутливост! деяких основних ф!з!олог1чних функц!й вищих водяних рослин на д1ю еталонних токсикант1в (на приклад! важких метал!в), виявити можлив! як!он1 1 к!льк1сн! ефекти ц1еГ д11' 1 на основ! цього визначити найб!льш прост! 1 зручш показники для практичного застосування п!д час О1от0стування природних 1 ст!чних вод.

Щоб досягти ц!е\' мети було поставлено так! завдання:

- провести пор1вняльний анал!з в!дгуку вищих водяних рос.пин р!зних еколог!чних груп на д!ю солей важких метал1в, ахцектуючи' особливу увагу на вида, що легко культивуються в лабораториях умовах, а такох вида, що мають нетривалий життевий цикл;

- вивчити характер в!дгуку ф!з1олого-01ох1м1чних процвс!в у

- г -

г1дгомзкроф1т1в на д!ю солей важких метал1в, враховуючи р1зн! р1вн1 1нт9грац1'1 тест-орган1зм!в: р1вня орган!зму, тканинного, кл!тинного;

- визначити чутлив1сть досл1дхуваних вищих водяних рослин на д!ю вакких метал1 в, виявити загальШ законом1рност1 реагування Ух, в!д1брати показники, як1 рееструються найб1льш оперативно для експрес-оц1нки гострого впливу, а такох найб1лыв 1нтегральн1 показники для виявлення хрон1чно1' д!1' токсикант1в;

- рекомондувати найб!льш зручн1 вида 1 чутлив! ф1з1олог1чн! показники вищих водяних рослин для використання 1'х у практиц1 б!отестувашш природних 1 ст1мних вод.

Наукова новизна. Вперше досл1дження впливу еталонних токсикант 1 в (нч гтриклад1 ьажких метал!в (ВМ)) на ф!з!олог1чн! показники вищих водяних рослин було проведено комплексно: на р1вн1 орган!з-му, тканинному 1 кл1 тинному р!внях орган 1зацП' !х з використанням морфолог1чних, б1ох)м!чних, г!стох!м1чних 1 цитолог1чних м9т0д1в:

- пор!вняно чутлив1сть морфо-ф!з1олог1чних показник!в водяних рослин р!зних _колог1чгах груп для оц1нки токсично!' дй" зобруднювач1в;

- простехено динам1ку зм1н досл!дкуваних ф1з1олог1чних показник1в на р1зних р1внях 1нтеграц11' рослинних систем у ход1 хроШчного експерименту;

- з'ясовано посл1довн!сть порушення ф!з1олог1чних функц1й п!д д1сю ВМ 1 виявлено найб1льш ранн1 реакцй' вищих водяних рослин,як1 мохна використати в експрес-д1агностиц! ступеня токсичност! вод;

- закладено теоретичну основу застосувэння ф1з!олог1чних та б1ох!м1чних показних!в г1дромакроф1т!в для бЮтестування ст!чних 1 природних вод 1 проведено апробац1ю них метод1в у лабораториях умовах 1 на природних водоймах.

Практична ц!нн!сть. 0держан1 дан! про токсичний вплив вахких метал¡в на ф1з1олог!чн1 та б1ох!м1чн! процеси у вищих водяних рослин мохна використати:

- п!д час розробки методачних п1дход1В щодо оц1нки забруднен-ня водних середовищ на. основ1 чутливих реакц!й вищих, водяних рослин;

- для оц1нки ступеня токсичност1 ст!чних вод гальван!чного виробництва, основними компонентами яких е 1они важких метал!в, а

такок вод нввизначеного х1м!чного складу,

- з метою оц1нки залишково! токсичност! ст1чно\' води, яка очищаеться, 1 можливост! скидання И у природн1 водойми;

- при встановленн! науково-обгрунтованих ГДК метал!в у водоймах рибогосподарського призначення;

- у прогностичному мон1торингу водосховиц, необх!дн1сть якого очевидна у зв'язку 1з зростаючим забрудненням 1'х, та 1нших природних водойм.

Положения, як1 виносяться на захист:

1. Дан1 щодо впливу модельних токсикантiв (ВМ) на ф!з1олог!чн! та 61ох1м1чн1 показники вищих водяних рослин: р1ст, фотосинтез, дихання, BMicT п!гмент1в, активн1сть фермент1в, цитоф!зЮлог1чн1 реакцИ.

2. Чутлив1сть ф!з!олог1чних показник1в р!зних р!вн!в орган! зац11' рослинних систем: juii тинного, ткашшного, р1вня орган 1зму 1 доц1льн1сть використання показник1в певного р!вня при оц!нц1 гостро!' 1 хрон1чно\ токсичност1.

3. Нео0х!дн1сть використання метод1в б!отестування, як! грунтуються на ф1з1олог1чних реакц1ях вищих водяних рослин при встановленн! ГДК забрудшоючих речовин у природних водоймах.

Апробац1я робота. Основн! положения дисертацП викладено на: Р1чн1й науков!й конференцП' професорсько-викладацького складу Ки\'вського ун!верситету iM.Tapaca Шевченка (Ки1'в, 1993);

II з'1'зд1 Укра1'нського товариства ф!з!олог1в рослин (Ки'1В, 1993); I з'1'зд1 г1дроеколог!чного товариства УкраУни (КиГв, 1993); Seoond International Simposium and Exhibition on Environmental Contamination in Central and Eastern Europe (Budapest, 1994).

Науков! публ1кацП": За матер!алами дисертац!! огтубл! ковано 6 роб!т~ ■ : •

Обсяг i структура робота. Дисертац1йна робота складасться 1з вступу, огляду л!тератури, описания об'ект1в i метод1в Досл1дження, 4 глав експериментальнюс доел!дкень, закличешь, висновк1в 1 додатку. Список л!тератури включав 190 даврвл, з них 55 - 1ноземних. Роботу викладено на 117 стор1нках машинописного тексту, вона включас 17 таблиць i 22 рисунки.

ОБ'бКТИ I МЕТОДИ ДОСЛЩЕНЬ

Об'ектами досл!джень були . вищ! водян! рослини р!зних

еколоПчних груп, як1 легко культивуються в лабораторию умовах: Lenaia minor L., Najas guadelupensis L., Elodea oanadensie Rioh, Vallipneria spiralis L. Bei рослини вирощено у лабораторних умовах на в1дстоян!й дн1провсьюй вод1. Наяду, елодею 1 вал1снер1ю культивували у скляних аквар!умах об'емом 40-60 л, а ряску - в лоткових аквар!умах в умовах стало!" проточност!.

Як модельн! токсиканти 1з групи важких метал!в було вибрано Си, Fei с? I N1, як! часто зустр!чаються в ст1чних водах гальван1чних виробництв. П1д час роботи використано так! сол1: К2Сг2о7, яку рекомендують як еталонний токсикант (Dorn P.B. et al. 19871; CuS04-5H20, VeOly^O, NiCl2-6H20, 0СК!ЛЬКИ Шйони CI" i S042- с звичайними компонентами сольового фону природних вод, концентрат я яких у пр1сних водоймах значно вица н1* у досл!джуваних розчинах, тобто основним д1ючим компонентом вибраних солей с 1они ВМ. Досл1джено вплив таких концентрац1й метал1в 0,5; 1; 10; 100; 1000 ГДК, при ГДК для Си - 0,005 мг/л, Ре - 0,05 мг/л, Сг - 0,001 мг/л, N1 - 0,01 мг/л [Зенин A.A., Белоусова Н.В.,1988].

Метода доел!-ження. Для оц1нки токсично!' дГ! ВМ рослини експонували у розчинах солей досл!джуваних метал1в протягом певного часу в оптимальних умовах темпвратури (20-28°С) 1 осв!тлення (1500 люкс.), п1сля експозиц1Т проводили вим1рювання показник1в.

Ростов! показники оц1нювали за к1льк!стю листец!в та в1ковою структурою експеримвнтальноТ популяц!!', л1н1йними розм1рами наяди, тургесцентнЮтю та морфолог1чними зм1нами рослин. Фотосинтез 1 темнове дихання досл1дкували на основ! анал!зу !нтенсивност1 газообм!ну йодометричним методом В1нклера [АЛвкин O.A., 1973]. К1льк1сть п1гмвнт1в визначали за величиною екстинц! Г, знято!' на "СФ-18". Вм1ст п1гмент1в обчислювали за р!внянням Шлика 1 Вернона [Шульгин И.А. и др., 1973]. Каталазну активн!сть визначали г1стох1м1чним методом з допомогою 0,5%-го розчину трифен1лтетразол!ю хлористого [Пирс Э., 1962]. Для прихиттевого забарвлення кл1тин використовували 0,1%-й розчин нейтрального червоного. Швидк1сть ротацМЬюго руху протоплазми вим1рювали за допомогою окулярм1крометра, ф1ксуючи рух хлоропласт1в за допомогою секундом1ра [Смирнова H.H., Сиренко Л.А., 1993].

Весь одержаний експериментальний матер!ал оброблвно

статистично [Доспехов Б.А., 1985].

PICT - ЯК ШТЕГРАЛЬНШ ПОКАЗНЖ СТУПЕНИ Д1Т ВАЖКИХ МЕТАЛ1В

П^эб з'ясувати моклив!сть використання ф1з1олог!чних показни-к!в вицих водяних рослин з метою б!отестування, нами, насамперед, <5уло проведено вивчення вшшву досл!джуваних метал1& на р1ст рослин. Як досл1джуван! орган1зми використовували наяду та ряску.

Шд д1ею низьких кснцентрацШ метал!в (0,5-1 ГДК) з&гибель рослин наяди не спостер1галася, при цьому л1н1йн1 розм!ри 1'х у досл!даих вар!антах майже не в1др!знялися в1д контрольних. Шд Д1сю середаiх концентрац!й (10 ГДК) знижувався сумарний прир!ст рослин, зм!нювалося забарвлення (в1д св!тло-зелвного до молочно-б1лого), з'являлися некротичн1 плями, рослини втрачали тургор ! в'яли. Висок! концентрацП' метал!в призводили до р!зкого зникення приросту, сильно виражених морфолог1чнюс зм!н, а в деяких вйпадках - до загибел! рослин (1000 ГДК Си 1 Ре)..

Реакц1я наяда на пошкоджуючу д!ю ВМ за ростовими показниками була досить розтягнута у 4aci. Вважаемо, що це пов'язано з пор1вняно низькою швидк!стю росту ц1е1' рослини у норм1. Тому, не зважаючи на високу чутлив!сть наяда до д!Y ВМ, яка проявляеться у сильно виражених морфолог!чних зм!нах, к1льк1сно оц1нити цей вплив за ростовими показниками у коротк! строки важко.

Б1льш Ictoth! зм!ни в ростових показкиках було одержано на рясц!, що мае короткий киттсвий цикл (пер!од подвоення листец!в 3 дН1) 1, в1дпов!дно, внсоку авидк!сть росту. Це дало змогу у 81дносно коротк! строки (до 7 Мб) оц!нити вплив метал1в не лише на доросл1, а й новоутворен! доч!рн1 рослинки.

Низьк! концентрацП' метал1в но впливали на picT ! розвиток ряски. 36!льшення концентрацП' метал1в призводило до пригн1чення росту рослин, припинення розмноження, зм!ни забарвлення листец!в, Появи некротичних плям, що спостер1гаються в!зуально, зниження тургесцентност! 1 розпадання мутовок рослин на окрем! листец!, яке св1дчить про серйозн! порушення в обм!н1 речоъин ! наявн! :ь деструкц!йних процес!в в органам*. Перевакна б!льи1сть рослин, що розпалися, виявилася некиттездатними. Прир!ст доч!рн!х листец!в у таких рослин не спостер1гався. Шд д!ею Си розпадання мутовок ряски в1дбувалося вяв через 1 год. експозицП' при концентрацП" 10 ГДК, становлячи 3%, а при концентрацП' 100 1 1000 ГДК - 9035. Шд

д!ег 1нших метал!в ця реакц1я спостер!галася лише на 1 добу при концентрату 100 ГДК 1 для Ре дор!внювала 100%, Ni- 73«, Сг - 10%.

Таким чином, високий bmíct металi в у водному середовиц1 р!зко негативно вллинув на р1ст 1 морфологiчн! показники доел!джуваних рослин, що вказуе на високу чутлив!сть Ух до д! Í цих метал!в. Найб!льш i нормативною з досл1джених рослин виявилася ряска , яка мае бмьший спектр характеристик, що в!дбивають УY ростов! пронеси, як! можна оц!нити к1льк!сно. Виявлено, що ростов! показники доц!льно використовувати при оц1нц! хрон!чно¥ д!У ВМ.

Ф1310Л0Г0-БЮХТМ1ЧШ РЕАКЩГ Р0СЛИЙН0Г0 0РГАН13МУ НА Д1Ю ВАЖКИХ МЕТАЛ1В ЯК ПОКАЙНИКИ ИОГО СТАНУ .

Зм i ни показник!в Фотосинтезу та дихання. 3 метою можливогч< використання !нтегральних показшшв - фотосинтезу i 'дихання - ян тест-рвякц]й на вплив токсикант!в, бул"> проведено досл1дження впливу оц. Pe, Gr i Ni на ц! показники у наяда i вал1снер1У.

Досл!джуван! метали зумовлювали зниження видимого фотосинтезу (рис.1). Шд д! сю низьких концентратй метал!в у деякихвипадках спостер!гаеться ьЛльшення 1нтенсивност1 фотосинтезу, яке можна розглядати як перший етап токсичного ефекту - деяке тимчасове п!двшцення !нтенсивност! метабол!чних процес!в.

Найб!льш чi тку картину впливу на фотосинтез у досл!джуваних водяних макроф!т!в одержано п1д д1сю 'м1д1.1 зал!за. Шд д!ею цих метал!в спостер!гаеться так званий парэдоксальний ефект [Александров В.Я., 1985]. Вс! досл1джуван! концентратУ Си виявляли пригн!чуючу д1ю на фотосинтез у наяди, але при найменш!Й концентрацИ' вид!лення кисню знижувалося на 83%, тод) як при б1льш висок!й концентра^У (10 ГДК) - лише на 39Ж. Дальше п1двшцення концентрацП" до 100 1 биьше ГДК не лише знизило 1нтенсивн1сть вид1лення кисню, а й призвело до поглинання його з вих!дного розчину, тобто спостер1галося фотодихання. У вал!снер1У п!д д!ею високих концентрац1й металу фотосинтез лише знижувався, але повн!стю не припинявся, як це спостер!галося у наяди.

Щкав! результата одержано з хромом. У наяди цей метал pi3KO стимулюе процес фотосинтезу (у 3-4 рази щодо контролю), а у вал!с-Hepii.навпаки, призводить до пригн1чення його в середньому на 20%.

У темряв! п!д д!ею м1д! посилився процес дихання у обох рослин (рис.2). Шд д!ею низьких i високих концентраций м!д! у

а 450

комцентраш* иетаиу.ЬЮноиення Оо prûK I —И a — D BBS с ЕВЭ о I - -л!н1я контрили Рио,1.Йшив метм1в на 1нтвнсивн1сть 5отосинтоэу у мандп / a- ulñb.B- з«л1зо,о- хром,<1-н1кель/.

Кониенгрошя иего(1д,б1внокенмя Оо pi UK

I вая а ва ь ssa с шв d~]

--л I ut я контролю

Рио.й.Еплив мвтвл1в на 1нтенсиш1сгь дихання у налди / а-м1дь,в- зал!зо,о- хром.й- н1кель /,

ная^ч виявлявся б1льш сильний токсичний ефект, н1ж п1д д1ею середн1х концентрац1й, тобто мала м1сце трифазна в1дпов1дна реакц!я. Шд д!ею н1келю спостер1галася пропорц1йна залежн!сть м1ц токсичн1стю мбталу 1 його концентрацию, при цьому дихання, на в1дм!ну в1д фотосинтезу, пригн1чувалося.

У рослин, як! використовували в експеримент1, виявлено деяку видоспециф1чн1сть у в!дпов1дних реакц1ях на п!двищення концентрацП" метал1в. Наяда виявилася б!льш чутливою, н1ж вал)снер1я. Доел¡дженият доведено, що фотосинтез б!лып чутливий до д1У важких метал!в, н!ж дихання, тому з метою б1отестування сл!д використовувати, насамперед, його показники.

Зм1ни в п!гментному склад!. У попередньому розд1л1 було показано, що фотосинтетичний апарат г!дромакроф1т!в дуже чутливий до д11" метал1в. У зв'язку з тим, «що найважлив1шими компонентами фотосинтвтичного апарату с фотосинтетично активн! п1гменти, вм1ст, стан i активн1сть яких певною м!рою визначають увесь комплекс процес!в метабол!зму орган1зм!в, ц1каво було простежити за зм1нами, як1 в1д'уваються у вм1ст! п!гмент1в" п1д д1ею досл1д-жуваних метал1в. Як тест-орган!зми використовували ряску I наяду.

Метали значно впливали на п1гментний апарат обох рослин. Зм1ни у bmIctI 1 сп1вв1дношенн! р!зних п!гмент1в спостер1галися уже при концентрац!ях метал!в 0,5 - 1 ГДК, тобто мали Micue уже тод1, коли ще в1зуально хлороз 1 некроз тканин не спостер!гався.

BmIct хлороф!лу п!д д!еюВМ значно зникувався, особливо на'З добу (рис.3). Досл1джуван1 метали зумовлювали зм!ну сп1ьв1дношення хлороф!л а / хлороф!л в у б!к п!двшдення концентрацЦ' хлороф!лу в. 3 л!тератури в!домо "[Лукина Л.Ф., Смирнова H.H., 1988], що водян1 рослини, фотосинтез яких зд1йсщреться в оптимальних умовах, Mi стять б!льшу к1льк!сть хлороф!лу а, н!ж хлороф!лу в, тобто сп1вв1дношеняя цих п1гмент1в у норм! бТльше 1,0. Зниження~цього сп!вв!дношбння до р!вня менше 1,0 св1дчигь про зеув р!вноваги у фотосинтбтичн1й систем! 1 вказуе на переважання процес1в деструкцп орган!чно'1 речовини над И продукцию.

Поряд !з зменшенням вм!сту хлороф!лу, у рослин, проекспонованих в умовах надлишку ВМ, в!дбувалося зменшення вм!сту каротшю\"д!в, однак по в!даошенню до хлороф!лу к!льк!сть Их зб!льшувалася. Зб1льшення вм!сту каротино'1д!в розглядають як

м1дь

зшпзо

0.5 1 to lOO 1000 КеитнтршиН м талу, ЫОноаениа Ов рГЛМ

0.5 I 10 100 1000 Концентрат0 HfTtrfy. ЫВновення оо рГАЖ

'ISO

хром

5 ion — 3 г s

S ■■ .

sa

&1s0

шкель

o.s I 10 IOO 1000 KOHUFHTptuU мтыу, ЫОнокин» On era

g.s i to loo looo

KOHUtHTpeuJ* HfTMtf, blQHOIfння Во рГДК

□ хлорофгл а í

0ХЛОРО$1Л в @ каротино1ди

--Л1Н1Я контролю

Рис.3. Вплив метал i в на вмхст пхгментхв у наяди /на 3 до<5у/.

захионий механ1зм, який перешкоджае фотодеструкц1ï 1 пероксидному окислению хлороф1лу 1 сприяс ст1йкост1 хлороф1лу до руйнуючо!' дП св1тла [Золотухина Е.Ю., Гавриленко E.E., Бурдин К.С., 1967].

Виявлено, що п1д д!сю ВМ загальний вм1ст хлороф1лу 1 -каротиноУд1в знизився у обох досл1джуваних вид1в, залишаючись, однак, б!льш високим у ряски. Шгментний, апарат наяди виявився чутлив!шим до групи досл1джуванрмвтал1в, можливо за -рахунок б1льш т1сного контакту з токсикантом у водному розчин1.

Зм1ни в активност! фермент!в. В основ! найва*лив1ших функц1й рослинних форм noMlTHo перевакають окислювально-в1дновн1 реакц1ï, нормальний переб1г яких забезпечусться великою групою фермент1в -оксидоредуктазами. Особливий !нтерес з ц!е1" групи становлять каталаза 1 деПдрогеназа. Каталаза бере участь у захист1 орган1зму в!д токсично! дП" активних форм кисню 1 пероксиду водню, що утворюються при взасмодП' несприятливих фактор1в з кл1тинною оболонкою 1 мембранами, а активн!сть Д9г1дрогенази заложить в1д стану SH-груп, що входять в молекулу ферменту 1 е основною м1шешт= п1д д1сю ВМ.•

Активн1сть каталази п1д д1сю ВМ досл1дасували на наяд1, що мае велику к1льк1сть молодих пагон1в, як! характеризуються високою та однаковою активн!стю ферменту" в норм!.

Вс! досл!джуван1 метали зумовлювали зм1ну активност1 каталази вже на 1 год експозиц!!', а на 1 добу ïï активн1сть суттево знижувалася (рис.4.). IIomIthö зменшення активност1 каталази у наших досл1дах добре узгоджуеться 1з зниженням вм1сту хлороф!лу, тобто зниження активност! цъого ферменту мае м!сце в листках з повн!стю, або частково порушеним синтезом хлороф!лу.

При зб!льшенн1 конц^нтрац!ï Си, Fe 1 Gr спостер1галося пропорц1йне зниження активност1 ферменту, a Ni - мало м1сце п!двищення активност1 ферменту, яке може бути зумовлене двома р!вноймов1рними можливостями: зб1льшенням б1осинтезу б!лка, в тому числ1 ! каталази у кл1тинах у в1дпов1дь на д1к> метал1в 1 тдеиленням процес!в б1олог!чного окисления в уражених кл!тинах, що призводить до п1двиденого споживання кисню в них 1, в1дпов1дно, активацП вс!х фермент!в ! мультиферментних комшгакс1в, що беруть участь в окислювально-Biдаовних реакц!ях [Комов В.П., Кириллова Н.В., Батыгина E.H., 1989]. .

„1И

й

--Л1Н1Я контролю

1И

| ДДЙ а — О В5Д с ГСП И |

--Л1Н1Я контролю

Рис."4 .Бплив метал1В на активн1сть каталази у наяди:

А- на I годину,Б- на I дойу експозищг /а- нгдь, в- зал1ЭО,с- хром, ¿-Н1кель /.

Таким чином, наявн!сть 1он1в мвтал!в у водаому середовшц! легко виявляеться за !нг!буванням каталазно1' активност1. 0ск1льки в!домо [Поберезкина Н.Б., Осинская Л.Ф., 1989], що зменшення активност! каталази супроводиться виникненням патолог!чних стан!в, що в!дбуваються за в1льним радикальним механ1змом. вважаемо перспективним активн!сть даного «ферменту використовувати як один з показник!в неспециф!чно* реакмП' орган!зму на пошкодауючу д!ю.

Досл!дження активност! дег1дрогенази проводили у листках елоде'1. Виб!р саме цього орган 1зму з групи досл1джуваних вид1в зумовлений анатом! чною будовою його. У елоде!" немае кутикули, що сприяе проникненню барвника в тканини, кр1м того, • п!д тонким егп дерм!сом розташований недиференц1йований мезоф!л, який складаеться всього з двох шар!в кл1тин, завдяки чому в!дбуваеться р!вном1рне забарвлення листка.

Тканини листк!в досл!джуваних рослин у контрольному вар!ант1 мали !нтенсивне малинове забарвлення. У рослин, експонованих у розчинах метал!в 1нтенсивн1сть забарвлення пом!тно зм!нювалася (табл.1). Спостер1галося як зб1льшення 1нтенсивност1 до яскраво малинового (що св!дчить про стимуляц1ю активност1 дег!дрогенази), так 1 пригн1чення, 1нод1 до повного знебарвлення тканин (при 1нактивац!1" досл!джуваного ферменту).

Таблиця 1. Вплив метал1в на активн!сть дег1дрогенази у елоде!"

Кощёнтра"цТя : М!дь : Зал1зо : Хром : Шкель металу, ГДК : : : :

К(0) 2 2 2 2

0.5 2 3 1 2

1 3 1 1 1

10 1 1 1-2 1-2

100 0 0 3 3

1000 0 0 1 1

Забарвлення тканин:

О - В1дсутне, 1 - слабке, - пом!рне, 3 - 1нтенсивне Зниження дег1дрогеназно1' активност! п1д д1ею ВМ, а в деяких вшадках повна 1нактивац1я ферменту, пов'язан!, найшвидае, з блокуванням БН-груп, як! • входять в акгивний центр ферменту.

Блокування цих груп може призводити до патолог 1чних с,м1н у кл!тинах 1 бути причиною загибелi орган1зм1в при висок!й 1нтоксикац11' важкими металами. Так як зниження дег!дрогеназноУ активност1 св!дчить про патолог!чн1 зм1ни, що в!дбуваються у кл!тинах рослин, використання цього показника можна рекомендувати для оц1нки ступеня пошкодження рослинних об'скт!в р!зними агентами.

Ф1310Л0ИЧН1 РЕАКЦ1Г РОСЖННОТ КЛ1ТИНИ ЯК ЕКСПРЕС-ПОКАЗШКИ II ПОШКОДЖЕННЯ П1Д Д1СЮ ВАЖКИХ МЕТ АЛ IB Зм1ни у прижиттевому забарвленн1 кл1тин у в1дпов!дь на токсичну д!ю. Ранше зазначен1 експерименти проводилися на р'зн1 . органi3My 1 для прояви в1дпов1дного ефекту на д1ю токсиканта вимагали досить тривалого часу. Разом з тим в1домо [Насонов Д.Н.,. 1959], що- первинний в!дгук орган!зм1в на пошкоджуючу дш, зд1йснюеться на р1вн! кл1тини. Тому сл1д вивчати кл!тинн1 функц1У, за якими можна було б робити висновок про стан Ух життед1яльност1 1 про пошкодження в його початков1й зворотн1й фаз1. ■

0дн1сю з таких функц!й с здатн!сть непошкоджених живих кл!тин в1дм1шувати у вйгляд! гранул багато речовин, до яких, зокрема, належать деяк! прижиттев1 барвники. В1дкладати гранули здатн! лише здоров1, повноц1нн1 кл1тини. При наростаюч1й негативн!й д!У Оудь-якоУ природа ця функц!я пригн!чуеться аж до повного припинення УГ. Зам1сть гранулярного в1дкладання у пошкоджен!Я кл1тин! барвник дифузно забарвлюе цитоплазму 1 ядро.

Ми вивчали вплив ВМ на здатн!сть кл!тют вал1снер!У до гранулярного в!дкладання нейтрального червоного.

Через 1 год експозицИ' у розчин! барвника у рослин контрольного вар!анту спостер1гасться утворення гранул. Найчастше вони поодинок!, розсипан! по вакуол!, р1дше з!бран1 у др!бн! грудочки неправильно! форми. Забарвлення гранул рожево-малинове.

Р1зн1 концентрацП' метал1в неоднаково впливають на характер забарвлення кл!тин вал!снер!1'. Спостер!гасться стимуляц!я в1дкладання гранул барвника у кл1тинах вал!снер!У низькими (0,5-1 ГДК) концентрац!ямй !он!в метал1в. При цьому пор!вняно з контролем п!дсилюеться 1нтенсивн!сть забарвлення (до яскраво-малинового), зб1лыпуеться к1лък!сть гранул, з'являються грона гранул pi3Hi за формою i рог»** '.эд. , .

П!д д!ею високих концентрац!йметал1в зм!нюеться ставлення кл!тини до прижиттсвих барвник!в. Це виражасться у пригн1ченн! здатност! пошкодавних кл!тин в! дкладати барвник . у гранули 1 дифузному забарвленн! 1'х /Си - 1000 ГДК, Ре - 1000 ГДК, Ni - 1 -1000 ГДК/. При- цьому кол1р_6арвника можв вар!ювати в,1д яскраво-малинового до коричневого.

I стимуляц1я, 1 пригн'.чення в1дкладання гранул барвника значною м!рою е неспециф!чними показниками р1зних стад1й пошкодження кп1тини: стимуляц!я характеризуе початкову, зворотну стад!» пошкодження, а пригн!чення св1дчить про наближення кл1тини до смерт1. У зв'язку з тим, що зб1льшення сор<5ц1йних властивостей кл!тини до в!тальних барвник!в е зовн!шн1м проявом б1льш глибоких И зм1н при наближенн! до стену смерт!, цей показник можна використовувати з метою б1отестування.

Рух протоплазми як показник життсд1яльност1 клГтини. Ми

вважаемо, що тактику тестування можна удосконалювати на основ! детального анал1зу внутр1шньокл!тинних систем внвргозабезпечення живих орган!зм!в, бо саме в!д 1'хнього стану i потужност! заложить cTi Иметь орган!зм!в до д!Г несприятливих фактор1в навколишнього середовища. Сл1д зазначити, що зм!ни у системах енергозабезпечення кл1тин, як правило, передують тим або 1ншим морфолог!чним зм1нам на piBHi кл1тшш або органа, тому вони можуть бути основою метод1в б!отестування, даючи змогу виявити дуже ранн1, початков! стад11' ре акц11 живих систем на зм!ни параметр1в зовн!шнього середовища. Одним з показник!в, що характеризуе забезпечен1сть кл!тини енерг!ею, е наявн!сть руху протоплазми. За сприятливих умов цитоплазма рослинних ,кл!тин пост!йно рухаеться. На зовн1шн! 1 внутр!шн1 д!1" кл!тина в!дпов!дае зм!нами швидкост! цього руху.

3 досл!джуваних рослин найб!льш зручною для практичного застосування виявилася вал!снер!я, яка наложить до крупнокл!тинних форм рослин.

Добут! дан1 показали, що п1д впливом р!зних концентрац!й метала . швидк!сть руху хлоропласт!в у кл!тинах вал1снерП' зм!нювалася у досить широкому д1апазон!. Спостер!галися склада! залвжност! швидкост! руху в!д концентрац1I ВМ 1 тривалост1 оксшозицП'. В1дм!чалася багатофазн!сть реакц!й (рис.5).

Ч1тко виражена пригн!чуюча д!я на хемодинез максимальних

м6иок(ст» PU*U цитоплязми (и).i до контролю

й g з i S * s

МЬиМсгь г-uxu иитоплаз^и M, г до kohtj

» £

i о •

s

(В сл

» 5

о 5

s i «

X

0 о ч

1 р

{U D

О: Ж

* Р

Q I

I tr

g п

-о S

% s

S 3

g e

g M

>4

a g

S 3

ibnû*iCTb Ou*V ииюплазяи <u),I до коитрсш и! о 3 8 ft 8 -t

КЬи0к1СТб ou к g ииюплазии <и).Х до конт,

s

и

e

•а

о

- si -

концентрации Си i Ре (1000 ГДК), яка призводать до повноУ зупинки руху вкь на 1 добу експерименту, що с передумовою загибел1 рослини. Зм1на швидкост1, що призводить до зупинки руху, супроводжуеться плазмол!тичними процесами, як1 виражаються у набухакн! 1 скупчувакн! хлоропласт1в з наступним утворенням грудочки у вигляд! диска.

Вал1снер!я проявила високу чутлив1сть до д11 ВМ за досл!джуваним показником. Зм1ни швидкост! руху протоплазми, що адекватно в1дбивають вплив метал1в на орган!зм, спостер!галися вжв через 1 год експозиц1У. Таким чином, до^ут! дан1 п!дтверджують !снуючу думку про первинн!сть в!дпов!дних реакц!й на р!вн1 кл!тини, пор!вняно з р1внем орган!зму. Ввакасмо, що практична використання з метою б!отестування Цитоф1з1олог!чно1" реакц!У вал1снер11' сприятиме оперативному выявлению токсичних рвчовин у природних 1 ст1чних водах.

ВЖОРИОТАННН ТЕСТ-РЕАКЩИ ВЩИХ ВОДЯНИХ РОСЛИН У ПРАКТИЦ1 Б10ТЕСТУВАННЯ ЮДНОГО СЕРВДОВВДА

3 метою апробац!V експрес-методу за цитоф!з!олог!чною реакц1ею вал!снер!'1 для оц1нки ступеня токсичност! вод на природн1й водойм! було проведено д6сл1дкення загального еколог1чного стану дн!провсько'У води. Досл1дкення проводилися протягом трьох рок1в (1989, 1990 та 1992) на КиУвсъкому, Кан!вському 1 Иременчуцькому водосховшцах у склад! комплексних експедиц!й, що проводилися 1нститутом г!дроб!олог!У HAH УкраУни.

За д юмогою запропонованоУ методики за короткий npoMi кок часу 1 без спец!ального складного обладнання було проведено широкомасштабну просторову оц1нку якост! дн!провськоУ води досл!джуваних водосховищ за ступенем забруднення Ух токсичними дом1шками, виявлено ■ найб!льш несприятлив! д1лянки 1 джерела забруднення.

На ochobI проведеного б!отестування створено картосхеми досл1джуваних водосховищ, за допомогою яких можна визначити загальну тенденц1ю зм1ни якост! води як у просторовому аспект!, так 1 у час1.

KpiM того, при апробац!У запропонованих метод1в б1отвстування було досл1джено вплив ст1чних вод гальван1чного виробництва "Геоф1зприлад" (м.Ки1'в) 'на ростов! показники ряски 1

швидкост! руху протопл.зми в

цитоф1з1олог!чну реакц1ю зм1ни кл1тинах вал!снер!У.

Результата 61ответування показали, що стоки гольвмн1чного виробництваТеоф1зприлад" у нативн1й форм1 високотоксичн!. Це виражаеться у иригн!чуюч!й д!"Г на прир1ст у ряски, що призводить до зниження росту дорослих рослин, в!дсутност! приросту доч1рн1X листец1в, 1 на хемодинез у вал!снер!У, що призводить до повноУ зупинки руху хлоропласт!в.

Досл!дження д1 Т метал!в в концентрац!У, що в1днов1дое р1вию 1 ГДК, за !снуючими сьогодн1 нормативами, показало, що у досл1джуваних рослин спостер!гаються !стотн! зм1ни у показникях в1д!браних тест-реакц!й (табл.2).

Таблиця 2. Чутлив!сть тест-реакц!й водяних рослин на д1ю метал!в у концентрац!У, що в1дпов1дае 1 ГДК (¿1 Ж до контролю)

* : Тест-реакц1я :тест-ор-:час експози-:м!дь:зал!зо:хром:ш-пор.: :ган!зм :г'" "

Т Швидк!сть руху протоплазми

3

4

5

6 7

Вм1ст хлоро-

ф!лу а

хлороф!лу ь

каротиноУд!в

хлороф!лу а

хлороф!лу ь

каротиноУд!в

Фотосинтез

Дихання .

Актившсть ка-талази

Активн!сть де-

г!дрогенази

Прир!ст

вал!сне-

р!я

наяда

наяда

ряска

наяда

наяда

наяда наяда елодея

ряска

год. ■ ' а : :кель

1 +20 -7 -20 -13

1 . +20 -10 +9 -8

24 -43 +1 -18 -43

-55 -12 -35 -51

-30 -14 -11 -35

24 +2 +60 +39 +7

-6 +53 +12 -8

+3 +69 +31 ' +19

5 -49 -46 +279 +9

5 +57' +10 +13 +7

1 -12 -33 -63 -46

24 -44 +16 -71 -60

2 3(2) 1(2) 1(2) 1(2)

72 -4 +2 -4 -12

Наведен! дан!, св!дчать про наявн!сть токсичного виливу них концентрац!й метал!в на досл!джуван! рослини. Тому, розглядаючи в!дпов!дн1 норми ГДК, вищим водяним рослинам сл!д прид!литй б!льше уваги, а такон включити Ух як необх1дну ланку у схему ГДК з метою встановлення меж допустимих концентрац1й забруднюючих речовин (зокрема БМ) у рибогосподарських водеймах.

ВИСНОБКИ

1. Фк-Иожлпчна оц!нка дП важких метал!в на вищ! водян1 рослини виявила порушення метабол1чних фушаЦй рослин на р!вн! орган1зму (зптримка росту 1 розвитку, морфолог!чн!зм!ни), окремих б1ох1м!чних ■ параметр!в (зникення 1нтенсивност1 фотосинтезу ! ьм!сту п1гмант!в, п!дсиленг I 1нтенсивност1 дихання, зникення активност! каталаэи 1 дег1дрогенази) та цито-ф!з1олог!чних реакц!й (зниження шьидкоот! руху протошшзми та сорбцП вггальних барьник1ь кл!тиною).

2. Встановлено, що зм!ни ф1з1олог)ЧНих покаэник1в вищих водяних рослин п!д д!сю ВМ (Си, Ре, Сг I N1) е ранн1мИ 1 чутливими реакц!ями орган!зму, як! можна використати для оц!нки госгроУ та хрон!чноУ токсичност! вод.

3. За чутлив]'стю щодо дН' важких метал!в на водян!рослини доел!джон! показники, як! використовуються як тест-реакцП' на токсичн!сть, можна розм!стити у такий ряд: швидк!сть руху протоплазми> активн!сть каталази> активн!сть дег1дрогенази> ступ!нь сорбцП' в!тальних барвник!в кл!тиною> вм1ст п!гмент1в> показники газообм!ну> ростов! характеристики.

4. Ранню д1агностику затруднения водного середовища (як в умовах експерименту, так 1 на природних водоймах) доц!льно провадити експрес-методами, як! грунтуються на цитоф1з!олог!чних реакц!ях НдатофШв (наяди, елодеУ ! валЮнерП).

б. А.-ройац!я експрес-метод!в а метою оц1нки ефективност! роботи очисних споруд (на гальван!чному виробництв1 "Геоф^прилад"), та визначення ступеня токсичност1 природних вод (на каскад! да!провських водосховшц) показала ун!версальн!сть 1'х, що дае змогу широко використовувати ц! метода для б!отестування водного середовгаца.

6. Обгрунтовано необх!да1сть викориотання вищих водяних рослин при встановленн! норм ГДК забрудкшчжх речовин, эокрема важких метал!в.

ГТРАКТИЧНТ FKIi OMR) ТЛ ЛI IT 3' Токсичн1сть вод, що харяктлрияуються хрг'Н! чнок» д1»:ю, крмщ» оц!нювати, ьикористоьуючи iHTurpajiMit покааники стяну иодяних рослин: зниженяя Ух ьиживання, гчятримкя росту 1 розвитку, гкита морфолог1чних зм1н у вих1диих особин, я тякпж у новому покол1нн1.

Гостру токсичн]сть вод рекомендуемо вииначати ЬИКОрИ<"РОМу*)ЧИ так! об'скти 1 гюквзники: пляйстоф!ти (ряска) - мм ]* спадом мутовок рослини на oKjx'Mi лиотнц!, г!дятоф) ти - а я гя^-г^ми^м роолин (наяда, вал1снер!н), bmIctom п!гмент1в (наяда), активнн:тю каталази (наяда) i д!г1дрогвнааи (елодоя).

описок опуелткованих праць

1. Ольхович О.П., См!рноьа Н.М. Вплив надлишку 1он!в Пч, IV, г,г | N1 на газообм!н вищих водяних роолин//Укр. ботан, журн. 1994, Т.51, N2/3, с.9П-103.

2. Ольхович о.п., См1рнова н.м. Вплив нажких метал in на bmiot л!гмонт1в у вщих водиних рог.лин//Укр.ботпн.журн. 1 ООП, Т.Г>?., N2.

3. Ольхович 0.П., См1рноиа Н.М. Зм1ни в п1гмонтному склад! у т,<-тпч minor I■ Najaw guadpliipenBifi 111Д д!СП п 1 ДНИЩвНИХ КОНЦАМТряц1 й

• Си, Or i NI//I з'У.чд Р1др6еколо1*1чного товариства

.УкраУни. Теяи домов¡д»й, КиУн, 1994, о.243.

4. См1рнова Н.М., Ольхович О.П. Вплив надлишку loniB on. У*, Or 1 Ni на rasoo6MiH вищих водяних рослин//!! з'Уяд украУнського товариства ф1з1олог1в роолин. Теми допов!дей. КиУв, 1993, Т.IT, с.ЯЗ.

Б. См)рнова Н.М., Ольхович О.П. Вищ5 водян! .рослшги в Оштеотувант лриродних вод//Т з'Увд -НдроеколоНчиого товариства УкраУни. Тнзи доловiдей., КиУв, 1994, G.2G9. 6. Hufuenko v., Smirnova N., "Olhovitoh 0. Use of water Planio for Biotwf'ting. Abstract.//Second International SympOHium on ?.nv i ronm'iri tal Con lam ¡nation in Central and EaBtern Europe., Budapest, Hungary, June 10, 1994.

АННОТА1ЩЯ

Ольхонич О. П. Физиологотбиохимическив показатели высших водных растений как тест-реакции на воздействие токсикантов (на примере тяжелых металлов).

диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук по специальности 03.00.12 - физиология растений, Киевский университет имени Тараса Шевченко, Киев,

Защищается в научных рнбот, которые содержат результаты экспериментальных исследований но влиянию модельных токсикантов (на примере ТМ) нн основные физиологические показатели водных макрофитов с целью использования их как тест-реакций в практике биотестирования водных сред. Установлено, что для ранней диагностики наличия токсичности в водной среде целесообразно использовать экспресс-методы, основанные на цитофизиологических реакциях растительных организмов; острую токсичность лучше определять по показателям газообмена, содержанию пигментов, активности ферментов (каталазы и ' дегидрогоназн);'. хроническое действие вод необходимо оценивать по интегральным показателям: выживаемости, задержке роста и развития, появлению морфологических изменений у исходных особей, а также в. новом поколении.

. O.P.OJkhovyoh Physiological and blooheinloal properties of higher aquatio plants as test response« to the action of toxiuants /by the example of heavy metals/ The dissertation for the degree of Candidate of Biologioal Soienoe in . speoiiil i ty 03.00.12 - plant physiology. Tara b Shevchenko University, Kiev, Ukraine.

The autor presents for dofenoe 6 scientific papers containing the result? of experimental studies of the .aotion of model-type toxioants (oy the example of heavy metals) on the basic physiological idices of aquatio maorophytea for the purpose of using them as test responses in biotesting aquatio environment. It was found that there is good reason to vise express methods based on oytophy-siologioal responses of vegetable organisms for early diagnostics of toxioity in aquatio environment; gas exoharige characteristics, pigment oontent, activity of ferments (oatalases, dehydrogenases) are more suitable for determining acute toxicity while chronic toxioity of water should be best assessed by integrated indices: survival rate, growth and development detardation, appearance of morphological ohangeB in the original individuals and in new generations. — ■

Ключов1 слова: вищ! водян! рослини, вакк! метали, р1ст, фотосинтез, дихання, п!гменти, фермента, цитоф1з1олог1чн1 реакци кл{тини, б!отестування

ГИдп. до друку ¿30/Формат Пг^^. ДРУ*. о<»с.

Друк. офс. Уиови. друк. арк. 06Л.-вид. арк. А& Тир. /¿Ю

Яац е-яои ____—

КиТвська книжкова друкарня иауково! книги. КиТв, Б. Хмельницького. 19.