Влияние нефтяного загрязнения на биохимические и морфофизиологические показатели растений

Осипова, Елена Сергеевна

Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему
Влияние нефтяного загрязнения на биохимические и морфофизиологические показатели растений
ВАК РФ 03.02.08, Экология (по отраслям)

Автореферат диссертации по теме "Влияние нефтяного загрязнения на биохимические и морфофизиологические показатели растений"

На правах рукописи

Осипова Елена Сергеевна

ВЛИЯНИЕ НЕФТЯНОГО ЗАГРЯЗНЕНИЯ НА БИОХИМИЧЕСКИЕ И МОРФОФИЗИОЛОГИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ РАСТЕНИЙ

Специальность 03.02.08 - экология (биология)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

5 ДЕК 2013

005542113

Тюмень - 2013

005542113

Работа выполнена в Федеральном государственном образовательном учреждении высшего профессионального «Тюменский государственный университет»

бюджетном образования

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

доктор биологических наук Петухова Галина Александровна

Шепелева Людмила Фёдоровна,

доктор биологических наук, профессор, зав. кафедрой ботаники и экологии растений Сургутского государственного университета

Соловых Галина Николаевна,

доктор биологических наук, профессор, зав. кафедрой биологии Оренбургской государственной медицинской академии

Ведущая организация:

Государственный научно-производственный центр рыбного хозяйства

Защита состоится «24» декабря 2013 г. в 13-00 часов на заседании диссертационного совета Д 220.064.02 при Государственном аграрном университете Северного Зауралья по адресу: 625003, г. Тюмень, ул. Республики 7 Тел./факс: (3452) 46-87-77, E-mail: dissTGSHA@mail.ru

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Государственного аграрного университета Северного Зауралья.

Автореферат разослан «23» ноября 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Литвиненко Н.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. На территории Тюменской области добывается около 64% нефти и 91% естественного газа от общей добычи в стране. Нефтегазовая промышленность влечет за собой широкомасштабное нарушение практически всех природных компонентов: недр и атмосферы, рельефа и почв, поверхностных и грунтовых вод, флоры и фауны. Нефть в высоких концентрациях оказывает инги-бирующее воздействие на рост и развитие растений. Не все организмы оказываются приспособленными к присутствию нефти, могут адаптироваться в измененных условиях, для многих нефть представляет угрозу для жизни, вызывает широкий спектр нарушений. При действии стресс-фактора, в качестве которого выступает нефтяное загрязнение, в растениях происходят изменения на биохимическом уровне: активизируются окислительные процессы. Ответной реакцией растительного организма на увеличение активности перекисного окисления липидов является повышение синтеза антиоксидантов. В результате в организме устанавливается определенный баланс между интенсивностью процессов перекисного окисления и антиокислителыюй активностью. Этот баланс отражает адаптационные возможности организмов, то есть приспособленность к изменяющимся условиям среды. Несмотря на многочисленные исследования по оценке влияния нефтяного загрязнения на объекты биоценозов, биохимический ответ живых организмов, как первичная реакция на действие стресс-факторов, в этих условиях изучен не достаточно полно. Таким образом, необходимо более детальное исследование для разработки путей защиты различных биологических объектов от нефтяного загрязнения.

Цель исследований: анализ биохимических механизмов защиты и изменений морфофизиологических показателей растений при действии почвы и воды, загрязненных нефтью, с ряда месторождений Тюменской области.

Задачи исследований:

1. Проанализировать состояние стрессируемости растений по содержанию продуктов перекисного окисления липидов;

2. Исследовать концентрацию пигментов фотосинтеза, всхожесть семян и морфометрические показатели проростков;

3. Изучить содержание низкомолекулярных антиоксидантов и концентрацию ферментов, защищающих от окислительного стресса, в растениях, подвергшихся действию нефтяного загрязнения;

4. Изучить активацию систем биохимической защиты растений при действии парааминобензойной кислоты в условиях нефтяного загрязнения среды;

5. Провести анализ взаимосвязей между уровнем перекисного окисления липидов и антиоксидантной активностью у растений в условиях нефтяного загрязнения.

Основные положения диссертации, выносимые на защиту:

1. При действии нефтяного загрязнения среды растения находятся в состоянии стресса, при этом активизируются процессы перекисного окисления липидов, которые компенсируются работой антиоксидантной системы защиты.

2. При действии нефтяного загрязнения у исследуемых растений происходит уменьшение концентрации пигментов фотосинтеза, изменяется всхожесть семян и морфометрические показатели проростков.

3. Низкомолекулярные антиоксиданты и ферменты-антиоксиданты играют ключевую роль в защите растений от окислительного стресса при действии нефтяного загрязнения. Парааминобензойная кислота активизирует системы биохимической защиты растений.

Научная новизна. В диссертационной работе впервые:

• исследована эффективность антиоксидантной системы защиты растений под влиянием нефтяного загрязнения среды на отдельных месторождениях севера Тюменской области и юга ХМАО;

• прослежена взаимосвязь между содержанием продуктов перекисного окисления липидов и концентрацией антиоксидантов;

• выявлены наиболее эффективные биохимические системы, защищающие растительный организм от окислительного стресса, вызываемого нефтяным загрязнением;

• изучена активация систем биохимической защиты растений при действии парааминобензойной кислоты в условиях нефтяного загрязнения среды.

Практическая значимость. Результаты научного исследования были использованы при разработке следующей природоохранной документации:

• итоговый отчет по рекультивации нарушенных земель на Западно- и Восточно-Мессояхском ЛУ (заказчик ООО «Газпромнефть-Развитие»);

• проект по рекультивации нефтезагрязненных земель, образованных в период деятельности ОАО «Юганскнефтегаз» (заказчик ООО «РН-Юганск-нефтегаз»);

• отчет по инвентаризации загрязненных земель и шламовых амбаров на объектах ООО «РН-Пурнефтегаз».

На основе применяемых в диссертационной работе методик биохимического анализа растительного сырья был написан и издан учебно-методический комплекс - методические рекомендации «Биотестирование загрязненных сред: методы биотестирования и биоиндикации в оценке состояния окружающей среды».

Личный вклад автора. Диссертация является оригинальной научной работой. Автором определены цели и задачи исследования, собраны и проанализированы литературные данные по проблематике научной работы. Проведен подбор и апробация около 10 методик биохимического анализа растительного сырья. Автором самостоятельно проведены эксперименты по выращиванию проростков, а также высших водных растений в нефтезагрязненной среде, определение показателей их жизнедеятельности, интенсивности роста и биохимический анализ. Также проведен биохимический анализ свыше 300 образцов растений с 4 месторождений нефти.

Автор выражает глубокую благодарность к.ф-м.н., заместителю главного инженера по НИР — начальнику научно-исследовательского отдела ОАО «Гипро-тюменнефтегаз» Перекупка А.Г., а также исполнительному директору ООО «РАСТАМ-Экология» Мыларщикову A.M. за помощь в сборе материала, проведении химического анализа проб почвы и воды.

Особую благодарность выражаю научному руководителю д.б.н., профессору Г.А. Петуховой за ценные консультации, помощь в выборе методик и подготовке экспериментов, а также при анализе результатов и написании диссертации.

Апробация результатов диссертации. Основные результаты исследования докладывались на XIII Международной экологической студенческой конференции «Экология России и сопредельных территорий» (г. Новосибирск, 2008 г.), на XIV Международной экологической студенческой конференции «Экология России и сопредельных территорий» (г. Новосибирск, 2009 г.), на II международной научно-практической конференции «Экологический мониторинг и биоразнообразие» (г. Ишим, 2010 г.), на I и III международной конференции «Окружающая среда и менеджмент природных ресурсов» (г. Тюмень, 2010 и 2012 гг.). Основные тезисы по результатам диссертационного исследования опубликованы в материалах международных конференций: XLV, XLVI, XLVIII Международная научная

студенческая конференция «Студент и научно-технический прогресс» (г. Новосибирск, 2007, 2008, 2010 гг.), Проблемы экологии: чтения памяти проф. М.М. Ко-жова (г. Иркутск, 2010 г.). Материалы по тематике диссертационной работы также опубликованы в журнале «Современные наукоемкие технологии» (Франция, Париж, 2010 г.), в материалах VI школы-семинара молодых ученых России «Проблемы устойчивого развития региона» (г. Улан-Удэ, 2011 г.). Научные статьи по тематике диссертации опубликованы в материалах IV Всероссийской конференции по водной экотоксикологии «Антропогенное влияние на водные организмы и экосистемы» (г. Борок, 2011 г.), а также в материалах Всероссийской конференции с международным участием «Физиологические, биохимические и молекуляр-но-генетические механизмы адаптации гидробионтов» (г. Борок, 2012 г.). Научные статьи по результатам исследования опубликованы в журналах, рецензируемых ВАК: «Вестник Тюменского государственного университета» (2013 г.) и «Современные проблемы науки и образования» (2013 г.).

Опубликованность результатов. По теме диссертации опубликовано 15 работ, из них две — в журналах из перечня ВАК, одиннадцать работ — в трудах и материалах международных конференций.

Структура и объем диссертации. Диссертация изложена на 174 листах, состоит из введения, трех глав, выводов, списка использованной литературы из 215 наименований, в том числе 39 на иностранном языке и 3 приложений. Работа содержит 44 иллюстрации и 18 таблиц без учета приложений.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Глава 1. Обзор литературы

Проанализированы литературные данные о влиянии нефтяного загрязнения на жизнедеятельность растений, реакции растений на стресс, перекисном окислении липидов и антиоксидантной системе защиты. Приведена общая физико-химическая характеристика нефти и последствия развития нефтегазовой промышленности, многочисленные примеры влияния нефтяного загрязнения на растительные организмы. Рассмотрены стадии возникновения и развития стресса, сущность перекисного окисления липидов и его биологические последствия. Приведена классификация антиоксидантов, характеристика ферментативных и низкомолекулярных антиоксидантов, описаны защитные свойства парааминобензойной кислоты.

Глава 2. Материалы и методы исследования

Приведена характеристика объектов исследования (10 различных растительных тест-объектов). Рассматривается характеристика района исследования -Кальчинское, Майское, Малобалыкское, Южно-Балыкское и Шаимское месторождения нефти Тюменской области и методика отбора проб почвы, воды и растений. Усредненные пробы почвы и воды отобраны в месте разлива нефти, в 20 и в 35 (40) м от места разлива, с фоновой территории (на удалении 500-1000 м). С каждой точки отбора взято не менее 100 растений доминантных видов. Описана методика постановки экспериментов по выращиванию высших водных растений и проростков на нефтезагрязненной среде, все исследования проведены не менее чем в трех повторностях в течение 7-28 суток. Приводятся методики биохимического анализа растительного сырья: определение концентрации пигментов фотосинтеза (Шульгин И.А., 1974), фенольных соединений (Федорова А.И, 2001), фла-воноидов (Третьяков H.H., 2000), шиффовых оснований и диеновых конъюгатов (Шведова A.A., 1992), пролина (Bates L.S., 1973), аскорбиновой кислоты (Hewitt E.J., 1961), супероксидцисмутазы (Minibayeva F.V., 2001), активности пероксида-зы (Ермаков А.И., 1987) и каталазы (Королюк М.А., 1988). Описаны методы математической обработки результатов.

Глава 3. Результаты исследования

3.1. Особенности химического состава нефти и степень загрязнения в исследуемых образцах. В рамках диссертационного исследования использовались пробы почвы и воды, загрязненные нефтью с Шаимского, Кальчинского, Майского, Малобалыкского и Южно-Балыкского месторождений Тюменской области. В химическом составе нефти этих месторождений преобладают высшие углеводороды и метан. Химический анализ проб воды с Кальчинского месторождения нефти показал превышение ПДК во всех точках отбора проб по нефтепродуктам, цинку и меди, при анализе проб почвы было выявлено превышение ПДК по меди в районе разлива нефти. Коэффициент концентрации нефтепродуктов в пробах почвы превышал контрольный уровень в несколько раз. Наибольшее загрязнение нефтепродуктами наблюдалось в районе разлива нефти: Майское месторождение - 2669,78; Кальчинское - 2166,65; Малобалыкское - 1424,90; Южно-Балыкское — 331,64.

3.2. Влияние нефтяного загрязнения на жизнеспособность растений.

Анализ всхожести семян овса посевного позволяет предположить, что существует стимулирующее влияние парааминобензойной кислоты на прорастание семян (на 13% выше контроля). При проращивании семян овса на воде наблюдалось стимулирующее действие нефтяного загрязнения (на 15% выше контроля), а при использовании нефтезагрязненной почвы - угнетающее (на 52% ниже контроля); это объясняется более высокими концентрациями нефтепродуктов в использованной почве, чем в анализируемой воде. На проростки овсяницы луговой и пшеницы мягкой, выращенные на нефтезагрязненной воде (на 12% и 17% ниже контроля соответственно), а также на проростки пшеницы мягкой, выращенные на нефтезагрязненной почве (на 7% ниже контроля), нефть оказывала ингибирующее действие. Пшеница оказалась высоко чувствительной к действию нефтяного загрязнения. При выращивании на почве, загрязненной нефтью с Кальчинского месторождения, всхожесть семян костреца безостого и овсяницы луговой повышалась, что говорит о приспособленности этих растений к действию нефтяного загрязнения. В наших экспериментах кострец оказался менее чувствительным к действию нефти, чем овсяница.

Анализ морфометрических показателей проростков позволяет сказать, что у костреца безостого (таблица 1) при действии нефтяного загрязнения проявляется стимулирующий эффект. Проростки овсяницы луговой под действием нефтяного загрязнения находятся в угнетенном состоянии: морфометрические показатели в основном уменьшаются. Проростки пшеницы мягкой также оказались чувствительны к нефтяному загрязнению.

Таблица 1 - Морфометрические показатели костреца безостого при обработке

водой с Кальчинского месторождения

Вариант опыта Длина проростка, мм Ширина листа, мм Количество корней, шт. Максимальная длина корня, мм

Контроль 56,20±1,17 1,50±0,17 1,60±0,16 36,80±1,27

Опыт 1 (место разлива нефти) 63,80±1,57* 1,40±0,16 2,00±0,15* 44,10±1,97**

Опыт 2 (20 м от места разлива) 58,10±1,01 1,50±0,17 1,80±0,25 34,00±1,98

Опыт 3 (35 м от места разлива) 60,50±1,24* 1,70±0,15 1,50±0,17 40,50±1,09**

Примечание: * - статистически достоверные различия между контролем и вариантом опыта (Р>0,95); ** - Р>0,99

3.3. Повреждающее действие нефтяного загрязнения. Анализ содержания продуктов перекисного окисления липидов (ПОЛ) показал, что растения, собранные и выращенные на почве с территории Кальчинского месторождения (рисунок 1 А), находятся в состоянии стресса: концентрация продуктов ПОЛ повышается. Парааминобензойная кислота в эксперименте с овсом посевным (рисунок 1 Б) частично снимала повреждающий эффект нефтяного загрязнения.

Содержание продуктов ПОД

Содержание продуктов ПОЛ,

і ¿Содержание шиффовых оснований

.Содержание диеновых коньюгатое

опыт; (место разлива нефти)

Опыт 2 (20

мот места Опыт 3(35 разлива) мот места разлива)

& Содержание шиффовых оснований

Содержание диеновых конысгатов

А Б

Рисунок 1 - Содержание продуктов ПОЛ в рогозе узколистном с Кальчинского месторождения (А) и овсе посевном при выращивании на почве Кальчинского месторождения (Б)

Примечание: ** - статистически достоверные различия между контролем и вариантом опыта (Р>0,99); *** - Р>0,999

Растения осоки острой с Майского, Малобалыкского и Южно-Балыкского месторождений более приспособлены: при действии нефтяного загрязнения у них, вероятно, активизируется работа систем антиоксидантной защиты, поэтому концентрация шиффовых оснований и диеновых конъюгатов снижается при действии нефти.

3.4. Биохимические механизмы защиты растений от действия нефтяного загрязнения. Анализ концентрации пигментов фотосинтеза в исследуемых растениях указывает на то, что растения чувствительны к действию нефтяного загрязнения. Концентрация пигментов фотосинтеза у анализируемых растений при действии нефтяного загрязнения в большинстве случаев снижалась. У некоторых

растений отмечено увеличение концентрации хлорофилла а при действии нефтяного загрязнения. В отдельных случаях отмечено увеличение концентрации хлорофилла Ь и каротиноидов (рисунок 2 А, Б).

мг/100 г навески

Хлорофилл а Хлорофилл Ь Каротиноиды

в Контроль 0 Опыт 1 (место разлива нефти)

□Опыт 2 (20 м от места разлива) Опыт 3 (35 м от места разлива)

мг/100 г навески 40 - *

35 -

25 ■

20 - 1

10 н

5-І II

0 ШАї.

Хлорофилл а Хлорофилл Ь Каротиноиды

■ Контроль вОпыт 1 (место разлива нефти)

□Опыт 2 (20 м от места разлива) Опыт 3 (35 м от места разлива)

А Б

Рисунок 2 - Содержание пигментов фотосинтеза в рогозе узколистном (А) и в осоке сероватой (Б) с Кальчинского месторождения нефти

Примечание: * - статистически достоверные различия между контролем и вариантом опыта (Р>0,95);

** - Р>0,99, *** - Р>0,999

Хлорофилл а является основным пигментом фотосинтеза, но при действии стресс-факторов растению необходимо увеличивать выработку органических веществ, что осуществляется за счет повышения концентрации вспомогательного хлорофилла Ь. Каротиноиды устраняют избыток активных форм кислорода, защищая пигменты и ненасыщенные жирные кислоты липидов от окислительного повреждения. Парааминобснзойная кислота (ПАБК) частично снимала повреждающее действие нефти (рисунок 3), что проявляется в увеличении концентрации пигментов фотосинтеза у растений. В данном случае проявляются защитные свойства ПАБК при действии стресс-факторов.

Хлорофилл А Хлорофилл В Каротиноиды

■ Контроль ** Опыт 1 (ПАБК) а Опыт 2 (нефть) н Опыт 3 (нефть+ПАБК)

Рисунок 3 - Содержание пигментов фотосинтеза в элодее канадской при действии нефти и ПАБК

Примечание: *** - статистически достоверные различия между контролем и вариантом опыта (Р>0,999); АЛЛ- статистически достоверные различия между 03 и 01 (Р>0,999); ООО- статистически достоверные различия между ОЗ и 02 (Р>0,999)

Система фенольной защиты оказалась высоко чувствительной к действию нефтяного загрязнения. У растений с Кальчинского месторождения нефти при нефтяном загрязнении повышалось содержание фенольных соединений (в 2,5-3 раза), рогоз узколистный и осока сероватая адаптируются к действию нефти путем активизации биохимических систем защиты. Концентрация фенолов у овса посевного снижалась (в 1,2 раза), растения находятся в угнетенном состоянии и не справляются с повреждающим действием нефти. У осоки острой с Малобалык-ского и Южно-Балыкского месторождения в одних вариантах содержание фенольных соединений увеличивалось, в других уменьшалось, вероятно, растения по-разному реагируют на различные концентрации нефти. У осоки острой, собранной с Майского месторождения, содержание фенолов увеличивалось, растения адаптируются к загрязнению нефтью.

Система флавоноидной защиты растений оказалась высоко чувствительной к действию нефтяного загрязнения. В одних случаях концентрация флавоноидов увеличивается, в других снижается. Вероятно, это связано с видоспецифичностью реакции растений: у одних растений при загрязнении среды обитания нефтью содержание флавоноидов увеличивалось, у других уменьшалось. Отмечено резкое увеличение содержания флавоноидов при больших концентрациях нефтяного загрязнения (рисунок 4 А), что свидетельствует о высокой эффективности защитных свойств флавоноидов. В экспериментах с элодеей и ряской отмечено защит-

ное влияние параамииобензойной кислоты при комбинированном действии с нефтяным загрязнением (рисунок 4 Б).

■Контроль оОпыт 1 (ПАБК) В0пыг2 (нефть) 10|шЗ(иефть«ГШ)

А Б~

Рисунок 4 - Содержание флавоноидов в осоке береговой с Кальчинского месторождения нефти (А) и в элодее канадской при действии нефти и ПАБК (Б)

Примечание: * - статистически достоверные различия между контролем и вариантом опыта (Р>0,95);

*** - статистически достоверные различия между контролем и вариантом опыта (Р>0,999); ДДД- статистически достоверные различия между ОЗ и 01 (Р>0,999); ООО- статистически достоверные различия между ОЗ и 02 (Р>0,999)

Концентрация пролина в осоке острой оказалась чувствительной к действию нефти (таблица 2). У растений существует биохимический ответ на действие нефтяного загрязнения, проявляющийся в изменении содержания пролина. При действии нефтяного загрязнения у осоки острой наблюдается снижение содержания аскорбиновой кислоты (см. таблица 2). Вероятно, для анализируемого вида растения АК является не главным веществом, выполняющим антиоксидантную функцию защиты от окислительного стресса.

У осоки острой наблюдалось увеличение содержания супероксиддисмутазы (СОД) во всех опытных вариантах при действии нефтяного загрязнения среды (в 1,1-1,7 раза). СОД оказалась высоко эффективным ферментом при защите растений от повреждающего действия нефти. Активация СОД при неблагоприятных воздействиях является ответом на увеличение продукции радикалов супероксида в этих условиях, что обеспечивает защиту клеток и тканей растений от окислительных повреждений.

а Контроп. Опыт 1 (место разлива нефти]

• Опыт 2 (20 и от места разлива) ООпыт 3 (35 м от места разлива)

Концентрация, г/100

1,4 1,2 1

0,8 0,6 0,4 0,2 О

ЛАИМ

Таблица 2 - Содержание пролина и аскорбиновой кислоты у осоки острой с Майского, Малобалыкского и Южно-Балыкского месторождений

Вариант опыта

Контроль

Опыт 1 (место разлива нефти)

Опыт 2 (20 м от места разлива)

Опыт 3 (40 м от места разлива)

Содержание пролина, мг

о р

о о

2 Ё

і) й

о 5

о о.

20,21±0,05

20,16±0,02

20,13±0,05

20,14±0,01

4> о О к

С р.

о &> 2 к

8 1

и Э

о «

X о

Содержание аскорбиновой ! кислоты, мкг/г

16,70±0,14

18,83±

0 од***

17,99± 0,09***

14,09± 0,10***

ра

18,32±0,07

16,87± 0,02***

15,53± 0,38***

18,64±0,23

О си

« О.

2,87±0,33

],37± 0,15***

1,14± 0,07***

2,14± 0,13*

о о, о

2 2

3,25±0,05

2,60± 0.16***

3,56±0,41

2,87±0,29

0) (и 2 к

и п я §

к я

о о, о

2,06±0,07

1,28± 0,02***

2,11±0,03

1,42±0,32*

Примечание: * - статистически достоверные различия между контролем и вариантом опыта (Р>0,95); *** -Р>0,999

У осоки острой с Майского, Малобалыкского и Южно-Балыкского месторождений отмечено снижение активности каталазы во всех опытных вариантах при действии нефтяного загрязнения среды (рисунок 5 А). Активность пероксида-зы у осоки острой с Майского и Южно-Балыкского месторождений повышалась при действии нефтяного загрязнения (рисунок 5 Б), что подтверждает литературные данные об антиоксидантной функции лероксидазы. У осоки острой с Малобалыкского месторождения активность анализируемого фермента снижалась при действии нефти, возможно в данном случае в защитной системе более активно работают другие антиоксиданты.

У рогоза узколистного наибольшая корреляционная зависимость была отмечена между содержанием диеновых конъюгатов, шиффовых оснований и каро-тиноидов (г>0,67). У осоки сероватой была выявлена зависимость между содержанием диеновых конъюгатов, шиффовых оснований, суммарным содержанием продуктов ПОЛ и флавоноидов (г>0,62). Как у рогоза узколистного, так и у осоки

сероватой была отмечена корреляционная зависимость между содержанием диеновых конъюгатов, шиффовых оснований, суммарным содержанием продуктов ПОЛ и фенольных соединений (г>0,80). Таким образом, фенолы являются высоко эффективными веществами при защите клеток от окислительного стресса.

Майское м/р Малобаль кское м/р Южно-Балыкское м/р

1 0,100

■ К (фон) г; 01 (разлив) 002 (20 мот разлива) »03 (40 мог разлива)

Майскоем/р Малобалыкское м/р Южно-Балы кское м/р

■ К(фон) 01 (разлив) 0 02 (20 мсгт разлива) «03 (40 мот разлива)

Рисунок 5 - Активность каталазы, Моль каталазы/мл (А) и пероксидазы, отн. ед./1 г навески (Б) у осоки острой с Майского, Малобалыкского и Южно-Балыкского месторождений

Примечание: * - статистически достоверные различия между контролем и вариантом опыта *** - Р>0,999

У осоки острой, произрастающей на нефтезагрязненных территориях месторождений Майского региона, наиболее сильные корреляционные связи прослеживаются между суммой антиоксидантов и отдельными антиоксидантами в парах каротиноиды-сумма антиоксидантов (АО) (г>0,96), флавоноиды-сумма АО (г>0,75), аскорбиновая кислота-сумма АО (г>0,83), что указывает на значительный вклад этих веществ в защиту от окислительного стресса. Синергизм антиоксидантов наиболее ярко выражен в парах аскорбиновая кислота-флавоноиды (г>0,80), каталаза-флавоноиды (г>0,71), аскорбиновая кислота-каталаза (г>0,88), кароти-поиды-флавоноиды (г>0,78). Между продуктами ПОЛ и антиоксидантами прослеживаются наиболее сильные корреляционные связи с содержанием фенолов

(г>0,65) и флавоноидов (г>0,73), а также супероксиддисмутазы (г>0,65) и перок-сидазы (г>-0,75), что говорит о высокой эффективности этих систем защиты.

ВЫВОДЫ

1. При действии нефтяного загрязнения среды растения находятся в состоянии стресса, активизируются процессы псрекисного окисления липидов.

2. У растений, находящихся под влиянием нефтяного загрязнения, изменяются показатели жизнедеятельности такие, как всхожесть и морфометрические показатели. При высоких концентрациях токсиканта в среде (86,7 мг/кг; 266,7 мг/кг; 950,3 мг/кг) растения (пшеница мягкая, овес посевной) находятся в угнетенном состоянии. При действии малых доз нефтяного загрязнения (0,144 мг/дм3; 10,28 мг/дм3), отмечен стимулирующий эффект у проростков овса посевного, костреца безостого и овсяницы луговой.

3. При действии нефтяного загрязнения отмечено снижение концентрации пигментов фотосинтеза у большинства исследуемых растений. У рогоза узколистного и осоки сероватой выявлено увеличение концентрации хлорофилла а и Ь, каротиноидов при действии нефтяного загрязнения, что свидетельствует об адаптации растений.

4. Концентрация пигментов фотосинтеза и флавоноидов у высших водных растений, всхожесть семян овса посевного увеличивается при комбинированном действии нефти и парааминобензойной кислоты.

5. Концентрация низкомолекулярных антиоксидантов - фенолов, флавоноидов, пролина и аскорбиновой кислоты оказалась высоко чувствительной к действию нефтяного загрязнения среды. Наибольшую эффективность в защите от нефтяного загрязнения проявила система фенольной и флавоноидной защиты.

6. Среди ферментов-антиоксидантов эффективными защитниками от окислительного стресса являются супероксидцисмутаза и пероксидаза, при нефтяном загрязнении их синтез активизируется. Активность каталазы оказалась высоко чувствительной к действию нефтяного загрязнения, снижение активности этого фермента компенсируется действием других антиоксидантов.

7. Высокая степень связи показателей ПОЛ и антиоксидантной защиты (между концентрацией продуктов ПОЛ и содержанием фенолов, флавоноидов, супероксиддисмутазы, а также активностью пероксидазы) свидетельствует о ведущей роли антиоксидантов в жизнедеятельности растений в условиях нефтяного стресса.

РАБОТЫ, ОПУБЛИКОВАННЫЕ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Статьи в журналах, рецензируемых ВАК:

1. Осипова Е.С. Активация биохимических механизмов защиты растений при действии нефтяного загрязнения и парааминобензойной кислоты / Е.С. Осипова, Г.А. Петухова, А.Г. Перекупка // Вестник Тюменского государственного университета. № 6/2013. Медико-биологические науки. Тюмень, 2013. С. 41-47.

2. Осипова Е.С. Особенности биохимических механизмов защиты у осоки острой при действии нефтяного загрязнения среды / Е.С. Осипова, Г.А. Петухова // Современные проблемы науки и образования. 2013. № 5. URL: www.science-education.ru/111-10203

Публикации в научных журналах:

3. Петухова (Осипова) Е.С. Сравнительная характеристика показателей жизнедеятельности растений, выращенных на рекультивированных и нерекульти-вированных почвах / Е.С. Петухова (Осипова) // Студент и научно-технический прогресс: Мат. XLV междунар. науч. студ. конф. Биология. Новосибирск, 2007. С. 71.

4. Петухова (Осипова) Е.С. Модифицирующее действие парааминобензойной кислоты в условиях нефтяного загрязнения среды / Е.С. Петухова (Осипова) // Студент и научно-технический прогресс: Мат. XLVI междунар. студ. конф. Биология, экология. Новосибирск, 2008. С. 46.

5. Петухова (Осипова) Е.С. Модифицирующее действие ПАБК в условиях нефтяного загрязнения среды / Е.С. Петухова (Осипова) // Экология России и сопредельных территорий: Мат. XIII междунар. эколог, конф. Новосибирск, 2008. С. 7.

6. Петухова (Осипова) Е.С. Изучение биохимических механизмов защиты растений при действии почвы и воды, загрязненных нефтью с Кальчинского ме-

сторождения / Е.С. Петухова (Осипова) // Экология России и сопредельных территорий: Мат. XIV мёждунар. эколог, конф. Новосибирск, 2009. С. 184-185.

7. Петухова (Осипова) Е.С. Изучение систем биохимической защиты растений при действии нефтяного загрязнения // Е.С. Петухова (Осипова), Г.А. Петухова // Студент и научно-технический прогресс: Мат. XLVIII междунар. науч. студенческой конф. Биология. Новосибирск, 2010. С. 125.

8. Петухова (Осипова) Е.С. Биохимические механизмы защиты растений от действия нефтяного загрязнения / Е.С. Петухова (Осипова), Г.А. Петухова // Экологический мониторинг и биоразнообразие: Мат. II междунар. науч.-практ. конф. Ишим, 2010. С. 24-27.

9. Петухова (Осипова) Е.С. Некоторые системы биохимической защиты растений от действия нефтяного загрязнения / Е.С. Петухова (Осипова), Г.А. Петухова // Проблемы экологии: чтения памяти проф. М.М. Кожова: Тез. докл. междунар. науч. конф. и междунар. шк. для мол. ученых. Иркутск: Изд-во Иркутского ГУ. 2010. С. 452.

10.Петухова (Осипова) Е.С. Изучение механизмов биохимической защиты растений при действии нефти и парааминобензойной кислоты / Е.С. Петухова (Осипова), Г.А. Петухова // Экология России и сопредельных территорий: Мат. XV междунар. экологической студ. конф. Новосибирский ГУ. Новосибирск, 2010. С. 139.

11.Петухова (Осипова) Е.С. Анализ механизмов биохимической защиты растений при действии нефтяного загрязнения / Е.С. Петухова (Осипова), Г.А. Петухова, А.Г. Перекупка // Окружающая среда и менеджмент природных ресурсов: Тез. докл. междунар. конф. Тюмень: Изд-во Тюменского ГУ. 2010. С. 139140.

12.Петухова (Осипова) Е.С. Некоторые механизмы биохимической защиты растений при действии нефтяного загрязнения среды / Е.С. Петухова (Осипова), Г.А. Петухова, А.Г. Перекупка // Современные наукоемкие технологии № 9 (Франция, Париж, 15-22 октября 2010 г.). 2010. С. 150.

13. Петухова (Осипова) Е.С. Анализ биохимических и морфофизиологиче-ских изменений растений при действии нефтяного загрязнения воды и парааминобензойной кислоты / Е.С. Петухова (Осипова), Г.А. Петухова, А.Г. Перекупка // Антропогенное влияние на водные организмы и экосистемы: Мат. IV Всеросс. конф. по водной экотоксикологии. Борок, 2011. Ч. 1. С. 194.

14.Петухова (Осипова) Е.С. Некоторые особенности биохимических механизмов защиты растений в ответ на нефтяное загрязнение среды / Е.С. Петухова (Осипова), Г.А. Петухова, А.Г. Перекупка // Проблемы устойчивого развития региона: Мат. VI школы-семинара молодых ученых России. Улан-Удэ, 2011. С. 189191.

15.Петухова (Осипова) Е.С. Защитные механизмы биохимических реакций водных растений на нефтяное загрязнение / Е.С. Петухова (Осипова), Г.А. Петухова, А.Г. Перекупка // Физиологические, биохимические и молекулярно-генетические механизмы адаптации гидробионтов: Мат. Всеросс. конф. с между-нар. участием. Борок, 2012. С. 297-301.

Подписано в печать 18.11.2013 г. Тираж 120 экз. Печать трафаретная. Заказ 071. Отпечатано в печатном цехе «Ризограф» Тюменского Аграрного Академического Союза 625003, г. Тюмень, ул. Республики, 7

Текст научной работыДиссертация по биологии, кандидата биологических наук, Осипова, Елена Сергеевна, Тюмень

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Тюменский государственный университет

На правах рукописи

04201454710 Осипова Елена Сергеевна

ВЛИЯНИЕ НЕФТЯНОГО ЗАГРЯЗНЕНИЯ НА БИОХИМИЧЕСКИЕ И МОРФОФИЗИОЛОГИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ РАСТЕНИЙ

Специальность 03.02.08 - экология (биология)

Диссертация на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Научный руководитель д.б.н., профессор Г.А. Петухова

Тюмень - 2013

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ......................................................................................................................5

ГЛАВА 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ..............................................................................12

1.1. Влияние нефтяного загрязнения на жизнедеятельность растений..............12

1.2. Реакция растений на стресс.............................................................................24

1.3. Перекисное окисление липидов......................................................................32

1.3.1. Свободно-радикальное окисление............................................................33

1.3.2. Сущность перекисного окисления липидов............................................36

1.3.3. Биологические последствия пероксидации липидов................................40

1.4. Антиоксидантная система защиты.................................................................41

1.4.1. Классификация антиоксидантов...............................................................41

1.4.2......Основные механизмы защиты организма от активных форм кислорода

...................................................................................................................................43

1.4.3. Другие формы защиты от активных форм кислорода............................46

1.4.4. Защитные функции парааминобензойной кислоты................................50

ГЛАВА 2 МАТЕРИАЛ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ.........................................52

2.1. Характеристика материала исследования........................................................52

2.1.1. Элодея канадская Elodea canadensis Michx...............................................52

2.1.2. Ряска малая (Lemna minor L.)......................................................................52

2.1.3. Осока береговая (Carex riparia Curtis)........................................................53

2.1.4. Кострец безостый (Bromopsis inermis Fourr)..............................................53

2.1.5. Овсяница луговая {Festucapratensis Hudson)............................................53

2.1.6. Пшеница мягкая (Triticum aestivum L.).......................................................54

2.1.7. Овёс посевной (Avena sativa L.)...................................................................54

2.1.8. Рогоз узколистный (Typha angustifolia L.)..................................................54

2.1.9. Осока сероватая или пепельно-серая (Carex canescens L. (Carex cinerea Poll.)).........................................................................................................................55

2.1.10. Осока острая (Carex acuta L.)....................................................................55

2.2. Характеристика района исследования..............................................................55

2.2.1. Кальчинское месторождение.......................................................................56

2.2.2. Месторождения Майского региона.............................................................58

2.2.2.1. Майское месторождение...........................................................................59

2.2.2.2. Южно-Балыкское месторождение...........................................................60

2.2.2.3. Малобалыкское месторождение...............................................................60

2.2.3. Шаимское месторождение...........................................................................61

2.3. Методика отбора проб........................................................................................61

2.4. Методика постановки эксперимента.................................................................63

2.5. Методики, применяемые в лабораторных исследованиях.............................67

2.5.1. Методика определения концентрации пигментов фотосинтеза в листьях ...................................................................................................................................67

2.5.2. Определение количества фенольных соединений в листьях...................68

2.5.3. Определение суммы флавоноидов родственных рутину в растительном сырье.........................................................................................................................69

2.5.4. Определение содержания шиффовых оснований......................................70

2.5.5. Методика спектрофотометрического определения содержания диеновых конъюгатов...............................................................................................................70

2.5.6. Определение содержания свободного пролина.........................................71

2.5.7. Спектрофотометрическое определение аскорбиновой кислоты.............71

2.5.8. Спектрофотометрический метод определения активности пероксидазы ...................................................................................................................................72

2.5.9. Определение активности каталазы колориметрическим методом..........73

2.5.10. Определение содержания супероксид аниона.........................................74

2.6. Математическая обработка результатов........................................................75

2.7. Оборудование, применяемое в лабораторных исследованиях....................75

ГЛАВА 3. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ..........................................................76

3.1. Особенности химического состава нефти и степень загрязнения в исследуемых образцах...............................................................................................76

3.2. Влияние нефтяного загрязнения на жизнеспособность растений.................78

3.2.1. Анализ всхожести семян..............................................................................78

3.2.2. Анализ морфометрических показателей проростков................................84

3.3. Повреждающее действие нефтяного загрязнения...........................................92

3.3.1. Анализ содержания продуктов перекисного окисления липидов...........92

3.4. Биохимические механизмы защиты растений от действия нефтяного загрязнения.................................................................................................................97

3.4.1. Анализ концентрации пигментов фотосинтеза.........................................97

3.4.2. Анализ содержания фенольных соединений...........................................114

3.4.3. Анализ содержания флавоноидов.............................................................118

3.4.4. Анализ концентрации пролина..................................................................127

3.4.5. Анализ содержания аскорбиновой кислоты............................................129

3.4.6. Анализ содержания супероксиддисмутазы..............................................131

3.4.7. Определение активности каталазы...........................................................132

3.4.8. Анализ активности пероксидазы...............................................................133

3.4.9. Взаимосвязь процессов перекисного окисления липидов и антиоксидантной защиты.....................................................................................135

ВЫВОДЫ.....................................................................................................................152

ПЕРЕЧЕНЬ УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ И СОКРАЩЕНИЙ..........................154

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ...........................................................................................155

ПРИЛОЖЕНИЯ:

ПРИЛОЖЕНИЕ 1.........................................................................175-177

ПРИЛОЖЕНИЕ 2.........................................................................178-204

ПРИЛОЖЕНИЕ 3.........................................................................205-229

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. Нефтедобыча в Тюменской области является ведущей отраслью экономики. Она же наносит главный ущерб окружающей среде. По данным разных авторов от 10 до 25% нефти теряется при добыче и транспортировке.

Нефтегазовая промышленность, обладая такими свойствами, как большая землеемкость, высокая токсичность и аварийность промобъектов, за короткий срок оказала огромное отрицательное влияние на природную среду. Она принесла с собой микромасштабное нарушение практически всех природных компонентов: недр и атмосферы, рельефа и почв, поверхностных и грунтовых вод, флоры и фауны [160].

Присутствие загрязняющих веществ часто вызывает серьезные последствия по причине того, что эти вещества не свойственны данной среде и живые организмы не обладают защитными свойствами от них. Сырая нефть является продуктом естественного происхождения, но, тем не менее, она действует как настоящий загрязнитель [45].

Действие нефти на живые организмы проявляется на организменном, популяционном и биоценотическом уровнях. Влияние нефти выражается, в частности, в остром и хроническом отравлении организма [45].

Не все организмы оказываются приспособленными к присутствию нефти, могут адаптироваться в измененных условиях, для многих нефть представляет угрозу для жизни, вызывает широкий спектр нарушений [160].

В том числе, при действии стресс-фактора, в качестве которого выступает нефтяное загрязнение, происходят изменения на биохимическом уровне: активизируются окислительные процессы. Ответной реакцией растительного организма на увеличение активности перекисного окисления липидов (ПОЛ) является повышение синтеза антиоксидантов.

Наиболее подвержены окислению соединения, контактирующие с кислородом, то есть липиды клеточных мембран. Активаторами процессов перекисного окисления липидов в этом случае выступают свободные радикалы и

гидроперекиси, образующиеся в результате нормальной жизнедеятельности клеток и организмов. Антиоксидантные системы ограничивают развитие окислительных процессов в определенных пределах, прежде всего с использованием освобождающейся энергии для потребностей клеток (окислительное фосфорилирование). В результате в организме устанавливается определенный баланс между интенсивностью процессов ПОЛ и антиокислительной активностью (АОА). Этот баланс отражает адаптационные возможности организмов, то есть приспособленность к изменяющимся условиям среды [122].

Выживание организмов, их нормальная жизнедеятельность и устойчивость к последствиям антропогенного стресса в этих условиях во многом зависит от состояния неспецифических защитных систем, в том числе антиоксидантной. Предполагают, что сигналом для развития адаптивных реакций служит смещение баланса ПОЛ и АОА в сторону увеличения ПОЛ [14, 17, 111]. Это положение нашло подтверждение в многочисленных исследованиях [24, 25, 31, 171, 183, 195, 196, 198, 200, 204, 205]. Нарушение баланса ПОЛ и АОА приводит к патологическим отклонениям в развитии, деструкции молекулярных и клеточных структур, мутагенезу, канцерогенезу и, в конечном итоге, к гибели [170, 204, 205]. Вместе с тем сдвиги в параметрах АОА и ПОЛ проявляются даже в тех случаях, когда выраженный токсический эффект отсутствует, что дает основание использовать эти показатели в качестве биомаркеров для оценки состояния организма при действии неблагоприятных факторов [169].

Несмотря на многочисленные исследования по оценке влияния нефтяного загрязнения на объекты биоценозов, биохимический ответ живых организмов, как первичная реакция на действие стресс-факторов, в этих условиях изучен не достаточно полно. Таким образом, необходимо более детальное исследование для разработки путей защиты различных биологических объектов от нефтяного загрязнения.

Цель: анализ биохимических механизмов защиты и изменений морфофизиологических показателей растений при действии почвы и воды, загрязненных нефтью, с ряда месторождений Тюменской области. Задачи:

Научная новизна. В диссертационной работе впервые:

• проект по рекультивации нефтезагрязненных земель, образованных в период деятельности ОАО «Юганскнефтегаз» (заказчик ООО «РН-Юганскнефтегаз»);

• отчет по инвентаризации загрязненных земель и шламовых амбаров на объектах ООО «РН-Пурнефтегаз», создание электронного банка данных, проведение сбора информации о нефтезагрязненных землях, шламовых амбарах и экологическом состоянии территории лицензионных участков ОАО НК «Роснефть» накопленных до консолидации Компании, в 2012 году.

Письмо о внедрении результатов научной работы № 17-20-02-0314 от 28.04.2012 представлено в приложении 1.

На основе применяемых в диссертационной работе методик биохимического анализа растительного сырья был написан и вышел в печать учебно-методический комплекс - методические рекомендации для студентов направления 020400.62 - биология, профиль подготовки - биоэкология, очной формы обучения. Учебно-методический комплекс был написан в соавторстве с Корниловым А.Л. и вышел в свет под названием «Биотестирование загрязненных сред: методы биотестирования и биоиндикации в оценке состояния окружающей среды».

Основные положения диссертации, выносимые на защиту:

3. Низкомолекулярные антиоксиданты и ферменты-антиоксиданты играют ключевую роль в защите растений от окислительного стресса при действии

нефтяного загрязнения. Парааминобензойная кислота активизирует системы биохимической защиты растений.

Обоснованность и достоверность результатов исследования. Достоверность результатов исследования обеспечена обоснованностью методологических положений, соответствием методик исследования поставленным задачам, репрезентативностью анализируемых выборок, большим количеством собранного полевого материала, применением методов математической статистики и средств современного программного обеспечения при обработке экспериментальных данных.

Автор выражает глубокую благодарность к.ф-м.н., заместителю главного инженера по НИР - начальнику научно-исследовательского отдела ОАО «Гипротюменнефтегаз» Перекупка А.Г., а также исполнительному директору ООО «РАСТАМ-Экология» Мыларщикову A.M. за помощь в сборе материала, проведении химического анализа проб почвы и воды.

2008 г.), на XIV Международной экологической студенческой конференции «Экология России и сопредельных территорий» (г. Новосибирск, 2009 г.), на II международной научно-практической конференции «Экологический мониторинг и биоразнообразие» (г. Ишим, 2010 г.), на I и III международной конференции «Окружающая среда и менеджмент природных ресурсов» (г. Тюмень, 2010 и 2012 г.).

Основные тезисы по результатам диссертационного исследования опубликованы в материалах международных конференций: XLV Международная научная студенческая конференция «Студент и научно-технический прогресс» (г. Новосибирск, 2007 г.), XLVI Международная научная студенческая конференция «Студент и научно-технический прогресс» (г. Новосибирск, 2008 г.), XLVIII Международная научная студенческая конференция «Студент и научно-технический прогресс» (г. Новосибирск, 2010 г.), Проблемы экологии: чтения памяти проф. М.М. Кожова (г. Иркутск, 2010 г.).

Материалы по тематике диссертационной работы также опубликованы в журнале «Современные наукоемкие технологии» (Франция, Париж, 2010 г.), в материалах VI школы-семинара молодых ученых России «Проблемы устойчивого развития региона» (г. Улан-Удэ, 2011 г.). Научные статьи по тематике диссертации опубликованы в материалах IV Всероссийской конференции по водной экотоксиколо

Информация о работе

Осипова, Елена Сергеевна
кандидата биологических наук
Тюмень, 2013
ВАК 03.02.08

Диссертация

Влияние нефтяного загрязнения на биохимические и морфофизиологические показатели растений - тема диссертации по биологии, скачайте бесплатно

Автореферат

Похожие работы