Влияние синтетических моющих средств на эколого-биохимические характеристики высшего водного растения Egeria densa

Мурзин, Илья Радикович

Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему
Влияние синтетических моющих средств на эколого-биохимические характеристики высшего водного растения Egeria densa
ВАК РФ 03.02.08, Экология (по отраслям)

Автореферат диссертации по теме "Влияние синтетических моющих средств на эколого-биохимические характеристики высшего водного растения Egeria densa"

•"'unnuCU

005010634

МУРЗИН ИЛЬЯ РАДИКОВИЧ

ВЛИЯНИЕ СИНТЕТИЧЕСКИХ МОЮЩИХ СРЕДСТВ НА ЭКОЛОГО-БИОХИМИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ВЫСШЕГО ВОДНОГО РАСТЕНИЯ EGERIA DENSA

Специальность 03.02.08 - экология (биология)

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

2 ОЕЗ 2CÍ2

Тольятти - 2011

005010634

Работа выполнена на кафедре биохимии Самарского государственного университета и на кафедре экологии, ботаники и охраны окружающей среды Самарской государственной областной академии Наяновой

НАУЧНЫЙ

РУКОВОДИТЕЛЬ:

доктор биологических наук, профессор Макурина Ольга Николаевна

ОФИЦИАЛЬНЫЕ

ОППОНЕНТЫ:

доктор биологических наук, профессор Усманов Искандер Юсуфович;

доктор биологических наук, профессор Шакирова Фарида Минихановна

ВЕДУЩАЯ

ОРГАНИЗАЦИЯ:

Екатеринбургский государственный университет (г. Екатеринбург)

Защита состоится 22 февраля 2012 г. в 10°® часов на заседании диссертационного совета Д 002.251.01 при Институте экологии Волжского бассейна РАН по адресу: 445003, Самарская обл., г. Тольятти, ул. Комзина, 10.

Тел. (8482) 48-99-77 факс (8482) 48-95-04 E-mail: ievbras2005@mail.ru

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института экологии Волжского бассейна РАН, с авторефератом - на сайте ИЭВБ РАН по адресу: http//www.ievbras.ru.

Автореферат разослан «_____» января 2012 года

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат биологических наук

А.Л. Маленев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Рост численности городов сопровождается развитием промышленности, увеличением количества транспорта, развитием сферы бытовых нужд и приводит к увеличению количества техногенных выбросов в биосферу. В последние годы значительно расширился ассортимент химического состава поверхностно-активных веществ (ПАВ) наряду с увеличением масштабов их производства и объемов использования. ПАВ применяют в различных отраслях промышленности, сельского хозяйства и со сточными водами сбрасывают в окружающую среду. Синтетические поверхностно-активные вещества (СПАВ) обладают целым рядом специфических свойств, к числу которых относятся способность к образованию высокократнон неньг, эмульгированию, усилению явлений смачивания и пр. Благодаря этому указанные соединения находят широкое применение в быту и в самых различных сферах народного хозяйства.

Попадая в водную среду, СПАВ образует пленку на границе раздела фаз, что приводит к изменению качества потоков абиотических факторов. Снижается светопропускная способность на границе раздела фаз, затрудняется обмен газами. Попадая в водоёмы, СПАВ активно участвуют в процессах перераспределения и трансформации других загрязняющих веществ (таких как цинк, канцерогенные вещества, тяжёлые металлы и др.), активизируя их токсическое действие. Даже незначительные концентрации СПАВ (0,05-

0,10 мг/дм’) в воде активизируют токсичные вещества, адсорбированные на донных отложениях.

Большинство СПАВ и продукты их распада токсичны для различных групп гидробионтов: микроорганизмов (0,8-4,0 мг/дм3), водорослей (0,5-6,0 мг/дм3),

беспозвоночных (0,01-0,9 мг/дм3) даже в малых концентрациях, особенно при хроническом воздействии. СПАВ способны накапливаться в организме и вызывать необратимые патологические изменения. Очистка вод от СПАВ, на данный момент, остается трудной и, порой, невыполнимой задачей.

На сегодняшний день, большинство СПАВ остается трудно биоразрушаемым антропогенным фактором, и способны оказывать воздействие на организмы достаточно длительное время и формировать к себе адаптивный ответ.

Цель исследования: Анализировать влияние синтетических ITAB на экологобиохимические характеристики высшего водного (погруженного) растения Egeria densa.

Задачи исследования:

1. Оценить динамику активности ферментов из группы антиоксидантной защиты в тканях высшего водного растения Egeria densa в различных фазах стрессовой реакции в ответ на действие СПАВ разных классов, входящих в состав синтетических моющих средств, а также в период их последействия (реабилитации).

2. Определить содержание белков разных фракций в тканях высшего водного растения Egeria densa в фазах стрессовой реакции и в период реабилитации в ответ на действие СПАВ различных классов.

3. Выявить особенности содержания фотосинтетических пигментов в тканях высшего водного растения Egeria densa в ответ на действие/последействие СПАВ разных классов.

4. Установить различия в характере влияния CIIAB разных классов на экологобиохимическое состояние высшего водного растения Egeria densa.

Научная новизна. Впервые проведено сравнительное исследование комплекса биохимических показателей Egeria densa в условиях воздействия СПАВ разных классов, а также реакция растений на них в постстрессовый период. Выявлены реакции ферментов антиоксидантной защиты в тканях Egeria densa в ответ на действие различных СПАВ. Обнаружены специфические реакции организма Egeria densa, выраженные в содержании водорастворимых и мембраносвязанных белков, содержании фотосинтетических пигментов на действие СПАВ разных классов.

Теоретическая значимость работы. Результаты диссертационной работы расширяют представления о механизмах влияния СПАВ различных классов на высшие водные растения, а также позволяют оценить границы устойчивости Egeria densa к действию такого антропогенного фактора, как СПАВ.

Практическая значимость работы. Материалы диссертации, сформулированные в ней научные положения и выводы могут найти применение для биоиндикации состояния воды пресных водоёмов посредством некоторых биохимических показателей тканей высшего водного растения Egeria densa. Данные диссертационной работы могут бьггь использованы в учебном процессе при чтении курсов лекций по физиологии и экологии растений для студентов бакалавров, специалистов и магистров биологических факультетов ВУЗов.

Связь темы диссертации с плановыми исследованиями. Тема диссертации связана с плановыми исследованиями кафедры биохимии СамГУ по теме: «Деятельность биологических систем и механизмы их регуляции» («Влияние физических и химических факторов на живые системы») и с плановыми исследованиями кафедры экологии и охраны окружающей среды СГОА(Н): «Мониторинг природных экосистем, подвергшихся антропогенному воздействию».

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы были представлены на международной научно-практической конференции «Теоретические и прикладные проблемы социально-правовых, медико-биологических и техникоэкономических сфер жизни общества» (Курск, 2009), V международной научной конференции «Наука. Творчество» (Самара, 2009), международной конференции «Медикосоциальная и биологическая адаптация» (Сухум, 2009), международной научнопрактической конференции «Физиологические механизмы становления и поддержания функций организма» (Сухум, 2010), VI международной научной конференции «Наука. Творчество» (Самара, 2010), международной научно-практической конференции «Физиологические механизмы живых систем» (Сухум, 2010).

Декларация личного участия автора. Настоящая диссертационная работа является результатом комплексных исследований, выполненных лично автором в 2008-2011 гг. Автором диссертации проведены закладка опытов, сбор, обработка и анализ лабораторных материалов, разработаны основные теоретические положения диссертационной работы, выводы и практические рекомендации. Все опубликованные работы написаны автором или при непосредственном его участии. Доля личного участия автора в написании публикаций составляет 60-90%.

Положения, выносимые на защиту:

1. Динамика активности ферментов антиоксидантной защиты и содержания фотосинтетических пигментов высшего водного растения Egeria densa, зависит от класса СПАВ, их концентрации и продолжительности воздействия.

2. СПАВ разных классов вызывают разнонаправленное изменение содержания водорастворимых и мембраносвязанных белков высшего водного растения Egeria densa.

3. Характер изменений эколого-биохимического состояния высшего водного растения Egeria densa, в значительной степени зависит от класса воздействующего СПАВ.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 13 работ, в том числе 3 статьи в центральных научных журналах, рекомендованных ВАК.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 глав, выводов, списка литературы. Библиографический указатель включает 154 источника. Работа изложена на 129 страницах и содержит 80 рисунков.

Благодарности. Автор благодарит за помощь в сборе и обработке материалов: аспиранта ГОУ ВПО СГОА(Н) А.А. Косиныну. Особую признательность автор выражает

научному руководителю - профессору, д.б.н. О.Н. Макуршшй за огромную помощь и поддержку в работе.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ ГЛАВА 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

В главе описаны характеристики синтетических поверхностно-активных веществ. Рассмотрены источники поступления СПАВ, особенности их влияння на гидробжшты, водные объекты и экологические проблемы, связанные с хозяйственным применением СГ1АВ. Рассмотрены особенности проявления стрессовых реакций у растений. Представлены характеристики исследуемых показателей: ферментов из группы

антиоксидантиой защиты (пероксидазы (КФ 1.11.1.7), полифенолоксидазы (КФ 1.10.3.1), аскорбинатоксидазы (КФ 1.10.3.1)), белков разных фракций (водорастворимых и мембраносвязанных), фотосинтетических пигментов (хлорофиллов а и Ь, каротиноидов). Описана их роль в растительной клетке и участие в фазах стрессовой реакции.

ГЛАВА 2. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

В главе представлены материалы и методы исследования. Объектом исследований служила элодея бразильская Egeria densa.

Схема эксперимента.

Элодея бразильская Egeria densa

Услооия Произрастания:

Ьода водопроводная ітсгоИная; освещение 1¿ часов;

ТР.мпярлтуфний ряжии ?П грдлупгщ (поь'.едцзлись в сссу^+ы с гедей V~Lr с ¿.сбзв-^ёним пс/‘лк>тэьгз (

АСПАВ

нцентр-ацнн

9,Oi%bj Д*Ь

"Т“

кони ентр ации

3,014^0,1

1 сутки влияния

Реабилитация от 1 суток влияния

(Нжождения растения в вода без СПЛВ в тэчаниэ £ суток)

Реабилитация от 3 суток олияі іия

10 сутки влияния

Реабилитация от 10 суток влияния ~]

Определяемые

показатели

(с использованием стандартных методик!)

пероксидаза

пслифенолоксидаза

dCKUpÚHHdlUKU^cfld водорастооримыс белки нсмбрапэсопэ-аппыс Ьелки хлооэфилл а хлорофилл ь каротиноиды

Точность эксперимента определялась пятью биологическими и тремя аналитическими повторностями. Эксперимент повторялся три раза.

Все полученные значения биохимических показателей были обработаны с использованием статистических методов с достоверностью 95 % (р<0,05). Был проведен корреляционный анализ.

Методы лабораторных исследований.

Биохимические исследования проводили с использованием общепринятых методов: пероксидазную активность - посредством концентрационной колориметрии (по А. Н. Бояркину); полифенолоксидазную активность - спектрофотометрическим методом (по А.

Н. Бояркину); аскорбинатоксидазную активность - спектрофотометрически (по Арригони); количественное определение фотосинтетических пигментов (по Бриттону); содержание водорастворимых и мембраносвязанных белков определяли по методу М. Брэдфорд.

На основе работ последних лет в области стресса растений (Тарчевский, 1993; Чиркова, 2002; Ипатова, 2005), в наших исследованиях были определены контрольные точки эксперимента, которые соответствуют фазам протекания стрессовой реакции. Так первые сутки соответствуют — первичной индуктивной стрессовой реакции, третьи сутки отражают картину второй фазы стресса — фазы адаптации, и, наконец, десятые сутки пребывания растений под действием неблагоприятного фактора иллюстрируют третью фазу стрессовой реакции организма - фазу истощения и необратимости биохимических процессов.

ГЛАВА 3. ВЛИЯНИЕ АНИОННЫХ СИНТЕТИЧЕСКИХ ПОВЕРХНОСТНОАКТИВНЫХ ВЕЩЕСТВ НА EGERTA DENSA

3.1. Особенности протекания первичной индуктивной стрессовой реакции у Egeria densa в ответ на действие апионпых синтетических поверхностно-активных веществ

В ходе проведенных нами исследований было выявлено, что растения Egeria densa испытывают стресс в ответ на действие анионных синтетических поверхностно-активных веществ.

У растений, подвергшихся воздействию АСТТАВ в концентрации 0,01%, активность ПО возросла в 2 раза по сравнению с растениями контрольных групп. Влияние средних и высоких концентраций ксенобиотика (0,1% и 1%, соответственно) привело к увеличению активности пероксидазы на 25% по сравнению с контрольными растениями (Р<0,05).

Как видно из данных, представленных на рис. 1, за первые сутки воздействия апионпых синтетических поверхностно-активных веществ активность полифенолокевдазы в растениях, подвергшихся влиянию АСПАВ в концентрации 0,1%, возросла на 30% по сравнению с активностью в контрольных группах растений. У растений, подвергшихся воздействию ксенобиотика других концентраций достоверных изменений в активности полифенолоксидазы от контрольных значений не наблюдается.

По сравнению с активностью аскорбинатоксидазы (АО) в растениях контрольных групп, в ответ на действие слабых концентраций (0,01%), активность АО снижается в 3,5 раза. Снижение активности АО (в 4,5 раза) наблюдалось в растениях, находившихся в среде с концентрацией 0,1%. Высокие же концентрации АСПАВ (1%) снижают активность АО на 29%.

Незначительные отличия значений активности ферментов ПО и ПФО в тканях опытных растений от аналогичных значений в контроле коррелирует с данными, полученными в ходе исследования влияния АСПАВ на содержание белков разных фракций в тканях Egeria densa (рис 2).

К фракции водорастворимых белков несомненно можно отнести и водорастворимые ферменты. На первые сутки эксперимента наблюдалось повышение содержания пула водорастворимых белков на 17% у растений, подвергшихся влиянию анионных СПАВ в концентрации 0,01% относительно содержания белка в контрольных группах растений. Данные по влиянию средних и высоких концентраций достоверных отличий не выявили.

За первые сутки воздействия анионных СПАВ средних (0,1%), и высоких (1%), концентраций достоверных отличий в содержании мембраносвязанных белков между опытными и контрольными группами обнаружено не было. В случае воздействия низких концентраций (0,01%), наблюдалось снижение содержания мембраносвязанных белков в 3,5 раза, что свидетельствует о проникновении молекул АСПАВ в ткани растения, только в случае низких концентраций СПАВ в растворе. Это подтверждается также данными по влиянию АСПАВ на активность пероксидазы (рис. 1). У растений, подвергшихся воздействию АСПАВ в концентрации 0,01%, активность ПО возросла в 2 раза по

сравнению с растениями контрольных групп, и на 25% больше значений активности в ответ на влияние ксенобиотика в концентрации 0,1% и 1%.

В растениях, подвергшихся действию СПАВ низких (0,01%) и средних (0,1%) концентраций в сравнении с данными по влиянию АСПАВ за первые сутки, в период реабилитации активность фермента ПО выросла в 1,5 раза и на 17% соответственно. Активность ПФО увеличилась в 9 раз (в случае влияния 0,01% раствора СПАВ) и в 6 раз (в случае влияния 0,1% раствора СПАВ). Количество водорастворимых белков снизилось в обоих случаях в 2 раза Содержание мембраносвязанных белков также уменьшилось на 20% и в 5 раз соответственно. На наш взгляд, картина реабилитации растений в постстрессовый период иллюстрирует процесс инактивации ксенобиотика в организме. Однако в случае действия АСПАВ высоких концентраций (1%) изменения исследуемых показателей за период прохождения реабилитации имел противоположную тенденцию. Так, активность ПО в тканях Egeria densa снизилась в 2 раза, активность ПФО выросла всего в 3 раза, содержание водорастворимых белков осталось неизменным, а пул мембраносвязанных белков уменьшился па 38%.

Показано достоверное изменение содержания пигментов вследствие воздействия ксенобиотика разных концентраций (рис. 3).

За первые сутки эксперимента содержание хлорофилла a в растениях, подвергшихся влиянию АСПАВ в концентрации 0,01%, снизилось в 6,8 раз, а в растениях, подвергшихся влиянию АСПАВ в концентрации 1%, в 2 раза, по сравнению с контрольными значениями. Увеличение содержания хлорофилла b относительно значений контрольных групп растений наблюдаюсь на первые сутки после воздействия средних (0,1%) и высоких (1%) концентраций АСПАВ в 3,3 и в 1,3 раза соответственно. Однако в процессе наших экспериментов было показано достоверное увеличите содержание хлорофиллов под действием 0,1% раствора АСПАВ.

За первые сутки влияния наблюдается понижение содержание каротиноидов, в растениях, подвергшихся влиянию АСПАВ в концентрации 0,01%, в 3,5 раза, и в растениях, подвергшихся влиянию 1% раствора СПАВ, в 1,4 раза, по сравнению с контрольными группами. Данные по влиянию средних (0,1%) концентраций достоверных отличий с контрольными значениями не показывают.

Данные по содержанию фотосинтетических пигментов в растениях после реабилитации показали снижение содержания всех пигментов в тканях, относительно аналогичных данных по итогу односуточной экспозиции в растворах с добавлением СПАВ.

Произошедшие биохимические изменения, в исследуемых растениях за первые сутки влияния СПАВ, отражают протекание первой фазы стресса - первичной индуктивной стрессовой реакции. Синтетические ПАВ, попав в водную среду, образуют пленку на границе раздела фаз, что приводило к изменению качества потоков абиотических факторов: снизилось количество проникаемого света к растениям, ухудшился газообмен жидкой среды с воздушной, что в свою очередь привело к недостатку кислорода (гипоксии). В клетках запускаются процессы окислительного стресса (Гарифзянов, 2011).

Как известно, в ответ на окислительный стресс, возникающий в клетках растения, повышается активность работы системы антиоксидантной защиты, к которой относятся такие ферменты, как пероксидаза, полифенолоксидаза и др., направленной на дезактивацию активных форм кислорода (АК): синглетный кислород, супероксидный анион и, в частности, гидроперекисньш радикал, в форме Н202 (Мерзляк, 1999). Это подтверждается увеличением активности ферментов ПО и ПФО (рис.1).

Рис. 1. Влияние анионных синтетических поверхностно-активных веществ разных концентраций на удельную активность пероксидазы (А) и полифенолоксидазы (Б) в растениях Egeria densa на первые сутки эксперимента.

».О Á >“ a S * £•

$ <5

зг ь 5 Ь

а *

3.5 3

2.5 *»

1.5 1

0..5

Г-*-—

I -I

j 0,01% 0.PÓ ll>¡0 к i 1 001",. \

Í ОДП

|.........i........¡.......1

5 1«.0 \ К

Фракция водорастворимых белков

Фртаэдгамодбршосвязатгых белков

Рис. 2. Влияние анионных синтетических поверхностно-активных веществ разных концентраций на содержание белков разных фракций в растениях Egeria densa на первые сутки эксперимента.

. .................

0350

.и _ 0300

И в 0.250

и | 0,200

55 н ST £ !5 ОД 50

£■ <• -J ь $ од оо

^ Я в 0,050

0.000

!•••

г—Ж— 0,1%

| 0,1% ™j К

.0,01%] 1% 1 Р-Шв.

Хлорофичла

ХлорофшлЬ

.. ; ®~ i

1?^ i ^

Карошиоиды

Рис. 3. Влияние анионных синтетических поверхностно-активных веществ разных концентраций на содержание пигментов в растениях Egeria densa на первые сутки эксперимента.

Можно предположить, что повышение активности ПО происходило в ответ на появление АК, возникающих в высокоспециализированных участках клетки, где протекают многофазные макроэргические реакции с цепочками переносчиков электронов и где неизбежно появление АК - хлоропласта, пероксисомы, глиоксисомы, митохондрии и другие; в участках клетки, взаимодействующих с внешней средой — клеточная стекна. Этому находится подтверждение в смежных работах других авторов (Welinder KG., 1992; Bacon и др., 1997; Djakovic и др., 2003; Gülen и др., 2008).

К тому же, увеличение проницаемости клеточных мембран, характерное для первичной индуктивной стрессовой реакции, вызывает приток ионов кальция (Тарчевский, 1993), которые выступют в роли кофакторов ПО, повышая ее каталитическую активность (Рубин, 1966; Газарян, 2006).

К тому же, СПАВ образовывает пленку па границе раздела фаз: водная среда-растения, тем самым частично механически закрывая устьица. Это подтверждается снижением

активности АО в несколько раз относительно контрольных значений. Известно (Fotopoulos et al., 2007), что дегидроаскорбиновая кислота участвует в регуляции закрытия устьиц.

Известно (Hanke и др., 1999), что молекулы СПАВ способны солюбилизировать молекулы мембранных белков, разрушать мембранные компартменты. Мы предполагаем, что отсутствие отличий в значениях содержания мембраносвязанных белков в тканях опытных и контрольных растений, свидетельствует о сохранении целостности клеточных мембран в тканях Egeria densa, и подтверждает опосредованное влияние АСПАВ на растение в течение первых суток.

Было обнаружено, что в первые сутки влияния существенную роль в степени интоксикации водных растений играет способность СПАВ к ценообразованию. С увеличением концентрации поллютанта, глубина его проникновения в растения за непродолжительный период снижается. Это может отражаться, по нашему мнению, в уменьшении активности ферментов в тканях Egeria densa обратно пропорционально увеличению концентрации СПАВ. Так как, молекулы детергента высокой концентрации механически, изменяя поверхностное натяжение на границах раздела фаз и за счет электростатических сил, перекрывают участки апоплаета, межклеточные пространства, транспортные каналы, устьица, создавая мыльную пленку (Малиновский, 2004). Также подтверждением вышесказанному могут являться данные по пятисуточной реабилитации Egeria densa после воздействия ксенобиотика.

В период короткого стрессового воздействия, ввиду нарушения проводимости мембран, тормозится и интенсивность фотосинтеза вследствие изменений структуры белков и липидов тилакоидных мембран. Активные формы кислорода оказывают побеждающие эффекты, проявляющиеся в снижении содержания основных пигментов фотосинтеза (Горелова и др., 2010; Козел, 2009). Хлорофилл а входит в состав реакционных центров и периферических антенных комплексов ФС I и ФС II, а хлорофилл Ь, главным образом, является компонентом светособирающего комплекса (ССК) ФС II (Титов, 2007). '

3.2. Особенности протекания фазы адаптации у Egeria densa в ответ на действие анионных синтетических поверхностно-активных веществ

Глубину проникновения молекул анионных СПАВ в ткани Egeria densa отражает анализ данных за трое суток воздействия.

Показаны достоверные увеличения активностей пероксидазы и полифенолоксидазы меледу растениями контрольных групп и растениями, находившимися в среде с добавлением АСПАВ всех концентраций (рис. 4).

Так, активность ПФО увеличивается в тканях растений всех опытных групп. У растений, находившихся в среде с добавлением АСПАВ низких концентраций, полифенолоксидазная активность в 1,5 раза выше по сравнению с данными за первые сутки влияния. Высокие концентрации ксенобиотика за трос суток привели к увеличению активности фермента в 2 раза относительно этого же показателя на первые сутки эксперимента.

Наблюдались незначительные отличия в значениях активности пероксидазы по сравнению с результатами за первые сутки влияния. Произошло повышение ферментативной активности на 25% у растений, находившихся в среде с добавлением АСПАВ в концентрации 0,1%, относительно той же концентрации за первые сутки (Р<0,05).

На рисунке 5 представлении данные по влиянию АСПАВ на растение, где действие ксенобиотика в концентрации 0,01% и 0,1% привело к повышению количества водорастворимого белка в растении на 33% и 10% относительно содержания в контрольных группах (Р<0,05).

Содержание мембраносвязанных белков в тканях растений, подвергшихся воздействию АСПАВ в концентрации 0,01% в течение трех суток, уменьшилось в 3,5 раза относительно

контрольных значений. У растений, находившихся в среде с концентрацией поллютанта 0,1%, количество мембраносвязанных белков уменьшилось в 1,5 раза.

Влияние АСПАВ различных концентраций в течение третьих суток вызывает снижете активности АО. По сравнению с активностью фермента в растениях контрольных групп, в ответ на действие слабых концентраций (0,01%), активность аскорбинатоксидазы снижается в 3,5 раза. Снижение активности АО (в 4,5 раза) наблюдалось в растениях, находившихся в среде с концентрацией 0,1%. Высокие же концентрации АСПАВ (1%) снижают активность АО на 29 %.

Интересными оказались данные по влиянию АСПАВ в трехсуточной экспозиции на пигменты в тканях Egeria densa (рис. 6).

' 2,3 : ?

■ * 3

В i Í2 3

« О

о* а « £ й Ъ

1,5 1

0.5 \ О -

0,014

ОДП

: ¡- J3

■ * §

: 03 И

! | ё

1*1 A '

L С

0,07

0.06

0.05

0.04

0.0}

0,02

0,01

I...

I-

ОД?»

А Б

Рис. 4. Влияние анионных синтетических поверхпостно-активных веществ разных концентраций на удельную активность пероксидазы (А) и полифснолоксидазы (Б) в растениях Egeria densa па третьи сутки эксперимента.

! •* ;

...I..:

' ...I... т____

I”» | К

; Фрдкщн водорастворимых белков (рраыдмыемёр.тносЕюажых Зечков

Рис. 5. Влияние анионных синтетических поверхностно-активных веществ разных концентраций на содержапие белков разных фракций в растениях Egeria densa на третьи сутки эксперимента.

в м 3.5 1 I

18 3 1 1

£ S Ч 1.5 ! 0.01 W 1 I ; 1 5

1 от К 1

8 5 i •! 1Чо | 0Д?Ь

г 7 к 0.5 -! ^ - 1 | 0.01? О

О л 0 ••

0,250

: я . 0,200

} 5 § ®

I ё-|| «•150 ■

! § I | 0.100

I В

\ 0.0.50

I 0,000

p.Ol^O.mj 19.

Хлорофилла

Р.01«

--1~- г I

;-I-í

aivo ! !о.1Яо

i°ó 1 к ртц R.

КлрО'ППЮЦДЫ

ХиорофачлЬ

Рис. 6. Влияние аниопных синтетических поверхностно-активных веществ разных концентраций на содержание пигментов в растениях Egeria densa на третьи сутки эксперимента.

За третьи сутки влияния анионных молекул СПАВ всех концентраций, содержание хлорофилла а снижается более, чем вдвое относительно содержания пигмента в растениях контрольных групп. Содержание хлорофилла b увеличилось в растениях, подвергшихся влиянию различных концентраций АСПАВ: в 1,5 раза (после воздействия 0,01% и 1% растворов АСПАВ) и в 2,5 раза после воздействия 0,1% раствора анионных СПАВ

относительно контрольных групп. Эго свидетельствует, по нашему мнению, об увеличении размеров и количества свето-собирающих комплексов.

Па третьи сутки происходит повышение уровня каротиноидов в растениях по сравнению со значениями односуточной инкубации. Так, влияние молекул АСПАВ 0,01% концентрации повышают содержание каротиноидов в 1,4 раза, 1% концентрации - в 1,2 раза, а 0,1% концентрации - практически в 2 раза по отношению к содержанию пигментов в контрольных группах растений.

В период реабилитации содержание всех пигментов снижается относительно аналогичных значений в период воздействия АСПАВ в трехсуточной экспозиции.

Вторая фаза адаптации у растений характеризуется снижением активности гидролитических и катаболических реакций и усилением процессов синтеза (Тарчевский, 1993). Происходит стабилизация мембран, в результате чего восстанавливается ионный транспорт. Повышаются активность функционирования митохондрий, хлоропластов и уровень энергообеспечения. Снижается генерация активных форм кислорода. Это подтверждается нашими данными по снижению активности ПО относительно первых суток (рис. 4) и увеличению содержания водорастворимых белков (рис. 5) на третьи сутки. Наряду с этим, молекулы СПАВ солюбилизируют мембранные белки, разрушая все больше компартмептов, приводя к снижению содержания мембраносвязанных белков (рис. 5) и увеличению содержания каротиноидов (рис. 6).

3.3. Особенности протекания фазы истощения в стрессовой реакции у Egeria densa в ответ на действие анионных синтетических поверхностно-активных веществ

На десятые сутки (фазы истощения) в условиях возрастания силы эффекта и постепенного исчерпания возможностей защиты организма также доминируют неспецифические реакции, такие как работа системы антиоксидантной защиты (рис. 7). Наблюдается значительное увеличение (в 2,5 раза) активности пероксидазы у растений, находившихся в среде с добавлением АСПАВ в концентрации 0,01%, относительно активности исследуемого фермента в контрольных растениях.

Показано снижение активности пероксидазы (на 20%) в результате действия средних концентраций ксенобиотика (0,1%) относительно действия этой же концентрации на третьи сутки влияния. Действие высоких концентраций АСПАВ на десятые сутки эксперимента привели к повышению активности пероксидазы на 14% по сравнению с первыми сутками (Р<0,05).

Повышение ахтивности ПФО продолжается и на десятые сутки эксперимента. Так, у растений, подвергшихся влиянию 0,01% раствора АСПАВ, ферментативная активность полифенолоксидазы увеличилась в 4 раза по сравнению с растениями контрольных ipynn.

Средние концентрации (0,1%) АСПАВ привели к увеличению активности ПФО в растениях в 4,3 раза, а высокие концентрации (1%), повысили показатель активности в 3,4 раза по сравнению с растениями контрольных групп.

На десятые сутки воздействия анионных СПАВ активность фермента АО увеличивается на порядок по сравнению с активностью в тканях растений контрольной группы. Действие АСПАВ в концентрации 0,01% привело к увеличению активности аскорбинатоксидазы в 11 раз по сравнению с аналогичными показателями за первые сутки влияния и в 3 раза по сравнению с активностью АО в растениях контрольных групп. Действие АСПАВ высокой концентращш (1%) увеличило активность фермента в 7,5 раз по сравнению с контролем. Данные о влиянии данного типа ксенобиотика средних концентраций (0,1%) показали достоверное увеличение активности АО в тканях растений в 21 раз относительно активности этого фермента в тканях растений контрольных груш.

К десятым суткам (рис. 8) уровень водорастворимых белков в тканях растешцЧ, подвергшихся влиянию 1% раствора анионных СПАВ, снизился в 1,7 раза относительно уровня белка но данным за первые сутки и более чем в 1,5 раза относительно контрольных

значений. Показано, что содержание белка растений, подвергшихся воздействию АСПАВ в концентрации 0,1%, снизилось более чем в два раза по сравнению с количеством аналогичного пула белков в контроле.

В ходе дальнейших исследований нами было установлено, что содержание мембраносвязанных белков в клетке, напротив, увеличивалось более чем в 2 раза.

На десятые сутки эксперимента (рис. 9) выявлено снижение содержания хлорофилла а у растений всех опытных групп.

с*

ю ч

вЗ

3.5 3

2.5

0.15

S Iй

х Р*

es i

jo,oin| * I :

I | од% 19« 1 к |

g 5 одо н '4

а %

•з § "

«1.0.05 Р я

¡0,01»

Г....I.....

0,14o

Ч е

0,00

19¿

Рис. 7. Влияние анионных синтетических поверхностно-активных веществ разных концентраций на удельную активность пероксидазы (А) и полифенолоксидазы (Б) в растениях Egeriadensa на десятые сутки эксперимента.

CQ м 18 11

ú 2 ю 2 10

м * э * “ е WS А 8 6

!Ч С &-Ц 4

5Й V 0

г........I...........

0,01%

о,и» ;

['Ш’5'^...0д1й. г 4*»—j £........j

Фракция водорастворимых белков

Фр акция мсмбраносвячанньк белков

Рис. 8. Влияние анионных синтетических поверхностно-активных веществ разных концентраций на содержание белков разных фракций в растениях Egeria densa на десятые сутки эксперимента. ______„ ■

ь Л

¡ 53 9 2 0.150

} 5 i I 0.100

{ У fe б

| К 0.0.50

| 0.000

j».01^0J’*¡ 1% Хлорофилла

_ iQ.lSdl-^.-l К i

рШ I 1% \ \

Ь.ОШ0-1"» lío j

Каротнноиды

ХлорофпплЬ

Рис. 9. Влияние анионных синтетических поверхностно-активных веществ разных концентраций на содержание пигментов в растениях Egeria densa на десятые сутки эксперимента.

После действия концентрации 0,01% снижение произошло в 4,5 раза, после действия 1% раствора ксенобиотика - в 3,8 раз. Средние концентрации АСПАВ (0,1%) снизили содержание пигмента за десять суток до уровня аналогичного трех суток влияния, что меньше контрольных значений более чем в 2 раза.

Что касается снижения содержания хлорофилла Ь в растениях, подвергшихся влиянию АСПАВ низких (0,01%) и высоких (1%) концентраций в дссятисуточной инкубации, то длительное воздействие, на наш взгляд, приводит к солюбилизации мембранных белков пластид и уменьшению количества фотосинтезирующих компартментов и

субкомпартментов, основными структурными компонентами которых являются мембраносвязанные белки.

К десятым суткам экспозиции содержание каротиноидов во всех опытных группах снижается практически вдвое по сравнению с контрольными значениями.

Механизм токсического действия синтетических поверхностно-активных веществ связан с их непосредственным влиянием на структурно-функциональную организацию мембран. Являясь амфифильными молекулами, СПАВ способны солюбилизировать мембранные компоненты (в частности, белки) и приводить в итоге к нарушению нативной структуры мембраны. Одной из возможных реакций детоксикации поллютантов такого рода считают увеличение содержания транспортных белков и белков каналов, которые способны регулировать осмос клетки (Ткаченко, 2003).

К тому же, для третьей фазы стрессовой реакции характерно появление вакуолей,. где обезвреживаются токсические вещества, образующиеся в результате изменений обмена в стрессовых условиях (Тарчевский, 1993). Это подтверждается данными по реабилитации, где показано продолжение увеличения содержания мембраносвязанных белков относительно аналогичных значений в десятисуточной экспозиции.

Содержание пула водорастворимых белков, напротив, снижается. Мы предполагаем, что это происходит в связи с образованием комплексов белок-ПАВ с последующим их выведением из поврежденных клеток и тканей Egeria densa, что подтверждается исследованиями других авторов (Давлетшин, 1998; Ямпольская и др., 2004).

Повышение активности ферментов из группы ангиоксидантной защиты имеют, на наш взгляд, разные причины. Известно (Давлетшин, 1998), что АСПАВ могут выступать в роли субстрата для пероксидазы, повышая его активность. Рост активности полифенолоксидазы, в совю очередь, обусловлен многочисленными механическими повреждениями тканей растения.

Рост активности АО к десятым суткам обусловлен, на наш взгляд, ростом количества дегидроаскорбиновой кислоты, участвующей в регуляции закрытия устьиц. К тому же известно (Pignocchi и др., 2006 Fotopoulos и др., 2006), что АО локализована в клеточной стенке, и, участвуя в метаболизме аскорбиновой кислоты, может охарактеризовать факт включение данного соединения в ответ на стрессовую реакцию, в качестве низкомолекулярного антиоксидантного агента.

Снижение содержания пигментов в Egeria densa на десятые сутки эксперимента объясняется серьезным разрушением фотосинтетических компартментов и удалением пигментов. Это подтверждается аналогичными исследованиями (Захаров и др., 2011), где показало слипание пластид на десятые сутки экспозиции.

ГЛАВА 4. ВЛИЯНИЕ КАТИОННЫХ СИНТЕТИЧЕСКИХ ПОВЕРХНОСТНОАКТИВНЫХ ВЕЩЕСТВ HA EGERIA DENSA

4.1. Особенности протекания первичной индуктивной стрессовой реакции у Egeria densa в ответ на действие катионных синтетических поверхностно-активных веществ

У растений, содержащихся в среде с добавлением КСПАВ в концентрации 0,01%, активность ПО выше в 11 раз по сравнению с активностью ПО у растений контрольных групп (рис. 10). Влияние растворов КСПАВ средней концентрации (0,1%), привело к увеличению ферментативной активности в 5 раз по сравнению с активностью у растений из группы контроля (Р<0,05).

Действие высоких концентраций КСПАВ (1%), привело к увеличению активности пероксидазы Egeria densa в 3 раза по отношению к растениям контрольных групп. Известно, молекулы КСПАВ диссоциируют в растворе с образованием положительно заряженных органических ионов. - .........

И мы предполагаем, что положительно' заряженные ионы, продйссоциировавших КСПАВ, вступают во временное взаимодействие с молекула\№ пероксйДазьт, йовышая

активность последней в тканях в 11 раз по сравнению с контролем, в ответ на действие ксенобиотика в концентрации 0,01% (Ладыгина, 1966; Рубин, 1975).

За первые сутки воздействия слабо концентрированного раствора КСПАВ (0,01%), активность ПФО возросла в 5,6 раза по сравнению с активностью у растений из контрольной группы. Ферментативная активность в тканях исследуемых растений, выращенных с добавлением средних концентраций (0,1%) синтетических поверхностноактивных веществ выросла до 0,21, что превышает контрольные значения в 7 раз.

Результаты по влиянию КСПАВ в концентрации 1% показали достоверное увеличение полифенолоксидазной активности Egeria densa в 10 раз по сравнению с контролем.

Данные по изменению активности АО за первые сутки в ответ на действие КСПАВ указывают на повышение ее активности (на 30% по сравнению с контрольными значениями) в тканях Egeria densa в ответ на действие поллютанта в концентрации 1%. Показано снижение содержания водорастворимых белков в тканях Egeria densa на первые сутки воздействия КСПАВ в концентрации 0,01% и 0,1% в 1,5 раза, и в концентрации 1% в 3 раза по сравнению с контрольными значениями.

Катионные СПАВ в концентрации 0,01%, повышают содержание мембраносвязанных белков на 19%, а в концентрации 0,1% - на 15% относительно содержания аналогичного пула белков в растениях контрольных групп (Р<0,05). Данные по воздействию КСПАВ в концентрации 1% не показали достоверного отличия от контроля (рис. 11).

14 12 3 19 S

я 6

§ 15

Д Р!6

■' 5 & 4 ■:

1"6:

0,1% i

0,35

1 03 г- Л 5 0 25

5 С g

Ч £ s 0.2 £ 3 5 fes*

4 •§• 0,1

§ 0,05 0

I 4 2 8 0.2 ■

t i S 5

á а § ол5

s к** ь £

Г--1—

ол •>•&

г-» i

А Б

Рис. 10. Влияние катионных синтетических поверхностно-активных веществ разных концентраций на удельную активность пероксидазы (А) и полифенолоксидазы (Б) в растениях Egeria densa на первые сутки экспсрнмспта. ___________________

I « о . 5

i £■* 1 I 5 h

)

i», ü од% ;...

:.............I

i К

"1....4....1....

0.01% 0,1%

...1....1...1...,

1% I к

Белки водорастворимых фракций

Б елки мемор даос внешних фракщ ai

Рис. 11. Влияние катионных синтетических поверхностно-активных веществ разных концентраций на содержание белков разных фракций в растениях Egeria densa на первые сутки эксперимента.

Значительных отличий по воздействию катионных СПАВ на содержание пигментов в растениях Egeria densa за первые сутки, по сравнению с анионными СПАВ, выявлено нами не было.

Интересными оказались данные но реабилитации растений, после одпосуточной экспозиции в растворах с добавлением катионных СПАВ разных концентраций. Полученные результаты, а именно: снижение активности ПО, ПФО и АО за период пятисуточного выдерживания в воде без СПАВ, увеличение содержания водорастворимых белков и снижение количества мембраносвязанных, а также изменение содержания

пигментов к контрольным значениям, говорят об обратимости токсического действия катионных синтетических поверхностно-активных веществ.

Исследования по влиянию катионных СПАВ на растения Egeria densa показали аналогичную картину, а именно - стресс в ответ на действие поллютанта. Анализируя произошедшие физиологические изменения в исследуемых растениях в течение всего времени влияния КСПАВ, мы пришли к выводу, что катионные СПАВ обладают ярко-выражешшм токсическим эффектом по сравнению с ACIIAB. Катионные СПАВ меньше снижают поверхностное натяжение на границе раздела фаз в растворах, чем анионные (Таубмш1,1966), что обуславливает большую степень проникновения поверхностноактивных молекул к клеткам и, как следствие, большую степень интоксикации организма. Это подтверждается работой системы антиоксидантоной защиты, представленной на рисунке 11. Мы считаем, и это подтверждается литературными источниками (Felton и др., 1989; Nurmi и др., 1996; Tschamtke и др., 2001; Onsa и др., 2007), что увеличение активности фермента ПФО косвенно может указывать на механическое разрушение целостности тканей и клеток. Известно (Папке и др., 1999), что молекулы различных СПАВ способны разрушать мембранные компартменты, солюбилизируя белки и приводить к выходу водорастворимых белков в составе комплекса ПАВ-белок. С этим связано, на наш взгляд, уменьшение содержания водорастворимых белков.

В наших исследованиях было установлено, что содержание мембраносвязанных белков увеличивается. Это могло бы объяснить тот факт, что одной из возможных реакций детоксикации поллютантов такого рода считают повышение содержания белков, направленных на восстановление проницаемости клеточной мембраны (Ткаченко, 2003).

Увеличение значений активности АО отражает рост количества дегидроаскорбиновой кислоты, участвующей в регуляции закрытия устьиц, и включение аскорбиновой кислоты в ответ на стрессовую реакцию.

4.2. Особенности протекания фазы адаптации в стрессовой реакции у Egeria densa в ответ на действие катионных синтетических поверхностно-активных веществ

Анализ данных на третьи сутки, показал достоверные увеличения активности ферментов антиоксидантной защиты между растениями контрольных групп и растениями, находившимися в среде с добавлением КСПАВ всех концентраций (рис. 12).

Так, при воздействии малых концентраций ксенобиотика (0,01%), пероксидазная активность возрастает на 75% по сравнению с активностью фермента у растений контрольной группы. Нами показано увеличение активности ПО в 3 раза в растениях, подвергшихся влиянию КСПАВ в концентрации 0,1% по сравнению с растениями из контрольных групп. У растений, выращенных на среде с добавлением КСПАВ высокой концентрации, активность перокеидазы у величилась в 3 раза, относительно аналогичного показателя у растений контрольной группы.

На третьи сутки влияния КСПАВ активность лолифенолоксидазы снижалась относительно этого же показателя в растениях за первые сутки практически в два раза. Значения активности ПФО, у растений опытных групп выше значений активности контроля. Действие КСПАВ в концентрации 0,01% за трое суток привело к увеличению активности фермента более чем в два раза относительно контроля. Данные по воздействию КСПАВ средних (0,1%) и высоких (1%) концентраций показали увеличение активности полифенолокеидазы более чем в 3 раза относительно активности ПФО в растениях контрольных групп (Р<0,05).

Аналогичная картина наблюдается с данными по влиянию поллютанта по завершению третьих суток влияния на содержание белков в тканях Egeria densa (рис. 13).

Показано увеличение концентраций водорастворимых белков в тканях всех групп растений в среднем на 30% по сравнению с контрольными значениями. Значение

4 í и - а > ■! 3 Б « : И с U i i i I: :: Й 5 i \ i " С 1 •: i з 01% I 0.1% I- 1% ЭЕ- • К | 0.12 1 01 « ё ?0 08 S! | о.об Á * к ' * X и.04 1 0.02 С I- 0.01% -I- ол% I 1% К !

о 0 •

А Б

Рис. 12. Влияние катионных синтетических поверхностно-активных веществ разных концентраций на удельную активность пероксидазы и цолифенолоксидазы в растениях Egeria densa на третьи сутки эксперимента.

® им .

в 3 л

U 4 с S

я % Ь

* а- л

ч ь 1

S....I.....V

0.01»»

Белки водорастворимых фракций

; I

—I—1

Г [

1% 2

1 0.01% 0,1% к

f.Cü r I иембр ;ШО£в:ШННЫл фр акций

Ряс. 13. Влияние катионных синтетических поверхностно-активных веществ разных концентраций на содержание белков разных фракций в растениях Egeria densa на третьи сутки эксперимента.

Снижение активности АО в следствие влияния КСПАВ в концентрации 0,01% rio сравнению с контрольными группами на 79%, в концентрации 0,1% - на 40%, а в концентрации 1 % - на 51%, свидетельствует о нарушении нормальной работы устьиц.

Нами наблюдалось значительное снижение содержания хлорофилла а в 2 раза относительно контрольных значений. Наряду с этим в этой же серии эксперимента показано увеличение содержание хлорофилла Ь и каротиноидов (более чем в 2 раза относительно контроля). Что свидетельствует об увеш1чении интенсивности фотосинтеза, одновременно с разрушением пластид.

В целом активность ферментов ПО и ПФО в тканях Egeria densa, в ответ на нахождение в среде с добавлением КСПАВ на третьи сутки ниже чем на первые (рис. 10). Напротив, содержание белков в растениях (рис. 13) на третьи сутки воздействия ксенобиотика увеличилось относительно аналогичных данных за первые сутки. Все это в сумме составляет картину второй стадии стресс-реакции - фазе адаптации. Эта фаза характеризуется снижением активности гидролитических и катаболических реакций и усилением процессов синтеза (Тарчевский, 1993).

В период реабилитации было обнаружено снижение активности пероксидазы, увеличение активности полифенолоксидазы в ответ на действие КСПАВ всех концентраций. А также снижение содержания белков разных фракций. Все это могло свидетельствовать о разрушении мембранных компартментов, и вымывании белков из клетки. Что говорит о необратимости трехсуточного влияния КСПАВ на растения Egeria densa всех концентраций.

Также, данные по активности АО в тканях Egeria densa в период реабилитации говорят о повышении активности фермента, следовательно, возврат чувствительности устьиц и работу аскорбиновой кислоты по детоксикации межклеточных пространств.

4.3. Особенности протекания фазы истощения в стрессовой реакции у Egeria densa в ответ на действие катионных синтетических поверхностно-активных веществ

Высокий токсический эффект КСПАВ к десятым суткам приводит к разрушению многих компартментов клетки, в частности, пластид, что проявляется в хлорозе листьев, и снижением содержания всех фотосинтетических пигментов относительно контрольных значений (рис. 14). Достоверных отличий в содержании хлорофилла b в тканях растений в ответ на действие КСПАВ в концентрации 0,1 % нами выявлено не было.

0.200

SiS 0,150

11 « 0,100

<i> 'Т <*■.

5 г в-

ü в Í 0,0.'0 ■

0.000

гі.„ 1

¡■---ЭЕ-—; Г"1 10 1 _ 0,01%; ; j% К Г-!--: • ; ;-г- І Т d Г Ш j ‘ •I— г-рп - 1 1 р.ошод% J%

Хлорофилла ХлорофиплЬ КіЦ'отнноіщі

Рис. 14. Влияние катионных синтетических новсрхностпо-активнмх веществ разных концентраций на содержание пигментов в растениях Egeria densa на десятые сутки

: •> к . 0.3

S 'У • -І т Л 1 0,25 і •І-

■■ . л í : « Н £ —і— S ё 1 0J І

: К О 5 ' • і І а I S * 5 0.15

1 н * 1 5 й §• о * 0.1% і% Ш ОД і І 1%

*’ В л _ : і 0.5 ; і 0 К ; 1 0.05 -І с 0.01% 0.1% К ] і

А Б

Рис. 15. Влияние катионных синтетических поверхностно-активных веществ разных концентраций на удельную активность нерокендазы (А) и полифенолоксидазы (Б) в растениях Egeria densa на десятые сутки эксперимента.

f І

х r S

І 0,014 0.1% 1% к о.ою» 1 0,1% І- -т-

I I £ ё4

: К Ь Ь

| К ‘ S 5

Í Й Й л

J CU « «

: * И О ">

I .£■ É §■ ~

| é i

| о

i Белки водорастворимых фракций Белкимембраносвязшных фраидш

Рис. 16. Влияние катионных синтетических поверхностно-активных веществ разных концентраций на содержание белков разных фракций в растениях Egeria densa на десятые сутки эксперимента.

Наблюдается незначительное повышение активности АО в ответ на действие молекул ксенобиотика во всех вариантах концентраций. Действие поллютанта в концентрации 0,1% привело к увеличению активности АО на 44% относительно контроля. Это может отражать более глубокое проникновение молекул КСПАВ в концентрации 0,1% в течение десяти суток. Что подтверждается также данными по работе антиокеидантных ферментов в ответ на действие ксенобиотика (рис. 15).

После десяти суток воздействия уровни ферментативной активности в различных опытных группах растений достоверно не отличались друг от друга. Ферментативные

активности опытных групп растений выше таковых в контрольной группе примерно в 1,5 ргва. Действие 1 % раствора КСГ1АВ привело к рому активности ПФО.

На десятые сутки значение активности фермента полифенолоксидазы достигло 0.251, что в 10 раз больше значений активности в тканях растений контроля. Этот факт может свидетельствовать о серьезных разрушения в тканях Egeria densa.

Десятисуточная экспозиция в растворах с добавлением КСПАВ приводило к необратимым изменениям в клетках и тканях исследуемого растения, что подтверждают данные по снижению содержания белков разных фракций на десятые сутки воздействия (рис. 16).

Наиболее значительно снижалось количество мембраносвязанных белков в растениях после воздействия 0,01% раствора ксенобиотика — в 276 раз.

Данные по содержанию белков в тканях растений в период реабилитации показывают увеличение содержания водорастворимых белков и продолжение снижения количества мембраносвязанных белков.

Рис. 17. Схема влияния СПАВ на эколог о-биохимическое состояние Egeria densa Анализ литературных данных и результаты собственного исследования позволили нам предположить возможную схему влияния СПАВ на высшее водное (погруженное) растение Egeria densa (рис. 17).

ВЫВОДЫ

1. Анионные и катионные синтетические поверхностно-активные вещества, входящие в состав синтетических моющих средств, приводят к изменению экологобиохимического состояния высшего водного (погруженного) растения Egeria densa, выражающееся в повышении с первых суток активности ферментов антиоксидазной защиты: пероксидазы и полифенолоксидазы, уменьшению активности

аскорбинатоксидазы на первые и третьи сутки эксперимента и увеличении активности аскорбинатоксидазы к десятым су ткам воздействия.

2. Анионные и катионные синтетические поверхностно-активные вещества, входящие в состав синтетических моющих средств, вызывают разнонаправленные изменения содержания водорастворимых и мембраносвязанных белков в зависимости от длительности фактора.

3. Катионные синтетические поверхностно-активные вещества, входящие в состав синтетических моющих средств, оказывают-более значительное действие на исследованные биохимические показатели, чем анионные синтетические поверхностно-активные вещества во всех концентрациях.

4. Аниотые и катионные синтетических поверхностно-активных вещества, входящие в состав синтетических моющих средств, приводят к необратимым изменениям в тканях Egeria densa к десятым суткам эксперимента.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Научные статьи, опубликованные в ведущих периодических изданиях, рекомендованных ВАК РФ

1. Мурзин И.Р., Макурина О.Н., Косицына А.А., Розенцвет О.А. «Исследования влияния ионов кадмия и некоторых поверхностно-активных веществ на содержание пигментов в тканях водного растения Egeria denser» // Изв. Самар. НЦ РАН, 2009. T.ll. № 1(4). С. 733-736

2. Мурзин И.Р, Макурина О.Н., Косицына А.А., Розенцвет О.А. «Особенности действия загрязнителей различной химической природы на содержание водорастворимых белков в тканях водного погруженного растения Egeria Densa» // Вестник Сам ГУ Естественнонаучная серия, 2010. Т. №4(78). С, 191 - 199.

3. Мурзин И.Р., Макурина О.Н., Косицына А.А., Розенцвет О.А. «Влияние ксенобиотиков на содержание мембраносвязанных белков в тканях водного погруженного растения Egeria densa» //Изв. Самар. НЦ РАН, 2011. Т. 13. № 1. С. 257-259.

Научные статьи, опубликованные в других изданиях

4. Мурзин И.Р., Макурина О.Н. « Изучение влияния поверхностно-активных веществ на морфометрические характеристики и содержание фотосиптетических пигментов водных растений» // Материалы Международной научно-пракгической конференции, 2627 марта 2009 г. «Теоретические и прикладные проблемы социально-правовых, медикобиологических и технико-экономических сфер жизни общества». Курск, 2009. С. 187 -188.

5. Мурзин И.Р., Макурина О.Н., Дорохова А.С. «Влияние поверхностно-активных веществ на некоторые морфометрические показатели и содержание фотосинтетических пигментов в элодее канадской (Elodea canadensis)» // «Наука. Творчество» V Международная научная конференция. Сборник научных статей. Самара, 2009. Т.1. С. 17 — 22.

6. Мурзип И.Р., Макурина О.Н. «Некоторые особенности адаптации Egeria densa в следствии воздействия СМС» // «Медико-социальная и биологическая адаптация». Материалы Международной конференции, 21-22 сен-тября 2009 г. Сухум, 2009. С. 159 -163.

7. Мурзин И.Р., Косицына А.А. «Действие поллютантов различной химической природы на пероксидазную активность тканей водного погружешгаго растения Egeria

densa» // Физиологические механизмы становления и поддержания функций организма. Сухум, 2010. С. 206-212.

8. Мурзин И.Р., Макурина О.Н., Косицына A.A. «Динамика содержания

водорастворимых белков тканей водного погруженного растения Egeria densa в зависимости от действия загрязнителей различной химической природы» // Физиологические механизмы живых систем: материалы Международной научно-

практической конференции (Сухум, Абхазия), 23-24 сентября 2010 г. Сухум, 2010. С. 106 -116.

9. Мурзин И.Р. «Изучение влияния синтетических моющих средств на активность фермента аскорбинатоксидазы в тканях элодеи бразильской II «Наука. Творчество. VI Международная научная конференция. 2010г.» Сборник научных статей. Самара, 2010. Т.1. 5с.

10. Мурзин И.Р. «Особенности влияния различных синтетических моющих средств на количественное содержание мембраносвязанных белков в тканях элодеи бразильской (Egeria Densa)n // В мире научных открытий. - Красноярск: Научно-инновационный центр, 2010. Т. №4(10). С. 56-58.

11. Мурзин И.Р. «Особенности влияния различных моющих средств на полифенолоксидазную активность тканей элодеи бразильской (Egeria Densa)» // Физиологические механизмы становления и поддержания функций организма: материалы Международной научно-практич. Конфер., 5-6 января 2010 г. Сухум, 2010. С. 220 — 226.

12. Мурзин И.Р. Макурина О.Н. «Участие фермента пероксидазы в адаптации водного растения EGERIA DENSA к действию синтетических моющих средств» II Материалы II Международной научно-практической конференции «Социальные и медикобиологические вопросы адаптации». Курск, 2011. С.165 -170.

13. Мурзин И.Р. «Влияние катионных синтетических поверхностно-активных веществ на активность аскорбинатоксидазы в тканях элодеи бразильской (EGERIA DENSA)» // Материалы II Международной научно-практической конференции «Социальные и медико-биологические вопросы адаптацию). Курск, 2011. С.170- 172.

Для заметок

Подписано в печать 13.01.2012 г.

Формат 60x84 1/16. Обьем 1.4 печ.л. Тираж 100 экз. Бумага офсетная. Печать оперативная. Заказ №. 1716

Отпечатано в типографии АНО «Издательство СНЦ РАН» 443001, Самара, Студенческий пер., За тел.: (846) 242-37-07

Текст научной работыДиссертация по биологии, кандидата биологических наук, Мурзин, Илья Радикович, Самара

61 12-3/512

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

САМАРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

САМАРСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ ОБЛАСТНАЯ АКАДЕМИЯ НАЯНОВОЙ

МУРЗИН ИЛЬЯ РАДИКОВИЧ

Специальность 03.02.08 - экология (биология)

Диссертация

на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Научный руководитель: доктор биологических наук, профессор Макурина О.Н.

Самара-2011

СОДЕРЖАНИЕ

СПИСОК ПРИНЯТЫХ СОКРАЩЕНИЙ 4

ВВЕДЕНИЕ 5

Глава 1 Синтетические поверхностно-активные вещества, как

антропогенный фактор 9

1.1 Характеристика синтетических поверхностно-активных веществ 9

1.1.2 Источники поступления и особенности влияния синтетических поверхностно-активных веществ на природные водные объекты 13

1.1.3 Экологические проблемы, связанные с применением синтетических поверхностно-активных веществ. 18

1.2 Стресс в растениях и способы адаптации к нему 20

1.3 Характеристика исследуемых биохимических показателей 22

1.3.1 Общая характеристика ферментов антиоксидантной защиты и их функциональная роль в растительном организме 22

1.3.2 Роль фотосинтетических пигментов в функционировании растительного организма 35

1.3.3 Общая характеристика и функции белков разных фракций

в растительных организмах 37

Глава 2 Материалы и методы исследования 42

2.1 Объект исследования 42

2.2 Схема эксперимента 43

2.3 Методы определения активности ферментов антиоксидантной защиты 45

2.4 Методы определения содержания основных фотосинтетических пигментов 46

2.5 Методы определения содержания белков разных фракций 46

Глава 3 Влияние анионных синтетических поверхностно- 43 активных веществ на Egeria densa

3.1 Особенности протекания первичной индуктивной

стрессовой реакции у Egeria densa в ответ на действие анионных синтетических поверхностно-активных веществ 48

3.2 Особенности протекания фазы адаптации в стрессовой реакции у Egeria densa в ответ на действие анионных синтетических поверхностно-активных веществ 61

3.3 Особенности протекания фазы истощения в стрессовой реакции у Egeria densa в ответ на действие анионных синтетических поверхностно-активных веществ 71

Глава 4 Влияние катионных синтетических поверхностно-активных веществ на Egeria densa

4.1 Особенности протекания первичной индуктивной

стрессовой реакции у Egeria densa в ответ на действие катионных синтетических поверхностно-активных веществ 83

4.2 Особенности протекания фазы адаптации в стрессовой реакции у Egeria densa в ответ на действие катионных синтетических поверхностно-активных веществ 93

4.3 Особенности протекания фазы истощения в стрессовой реакции у Egeria densa в ответ на действие катионных синтетических поверхностно-активных веществ 103 ВЫВОДЫ 114 СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 115

СПИСОК ПРИНЯТЫХ СОКРАЩЕНИЙ

АК - Аскорбиновая кислота АО - Аскорбинатоксидаза

АСПАВ - Анионные синтетические поверхностно-активные вещества

АТФ - Аденозинтрифосфат

АФК - Активные формы кислорода

ДАК - Дегидроаскорбиновая кислота

ИУК - Индолил-3-уксусная кислота

КСПАВ - Катионные синтетические поверхностно-активные вещества

КФК - Концентрационный фотоколориметр

НАД - Никотинамидадениндинуклеотид

НАДФ - Никотинамидадениндинуклеотидфосфат

ПАВ - Поверхностно-активные вещества

ПДК - Предельно допустимая концентрация

ПО - Пероксидаза

ПФО - Полифенолоксидаза

CMC - Синтетические моющие средства

СПАВ - Синтетические поверхностно-активные вещества

ССК - Светособирающий комплекс

СФ - Спектрофотометр

ФС - Фотосистема

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. Рост численности городов сопровождается развитием промышленности, увеличением количества транспорта, развитием сферы бытовых нужд и приводит к увеличению количества техногенных выбросов в биосферу. В последние годы значительно расширился ассортимент химического состава поверхностно-активных веществ (ПАВ) наряду с увеличением масштабов их производства и объемов использования. ПАВ применяют в различных отраслях промышленности, сельского хозяйства и со сточными водами сбрасывают в окружающую среду. Синтетические поверхностно-активные вещества (СПАВ) обладают целым рядом специфических свойств, к числу которых относятся способность к образованию высокократной пены, эмульгированию, усилению явлений смачивания и пр. Благодаря этому указанные соединения находят широкое применение в быту и в самых различных сферах народного хозяйства.

■у

СПАВ (0,05-0,10 мг/дм) в воде активизируют токсичные вещества, адсорбированные на донных отложениях.

Большинство СПАВ и продукты их распада токсичны для различных групп гидробионтов: микроорганизмов (0,8-4,0 мг/дм ), водорослей (0,5-6,0

3 3

мг/дм ), беспозвоночных (0,01-0,9 мг/дм ) даже в малых концентрациях, особенно при хроническом воздействии. СПАВ способны накапливаться в организме и вызывать необратимые патологические изменения. Очистка вод от СПАВ, на данный момент, остается трудной и, порой, невыполнимой задачей.

Цель исследования: Анализировать влияние синтетических ПАВ на эколого-биохимические характеристики высшего водного (погруженного) растения Egeria densa.

Задачи исследования:

4. Установить различия в характере влияния СПАВ разных классов на эколого-биохимическое состояние высшего водного растения Egeria densa.

Теоретическая значимость работы. Результаты диссертационной работы расширяют представления о механизмах влияния СПАВ различных классов на высшие водные растения, а также могут быть использованы для развития теоретических основ современной экологии водных фитоценозов.

Практическая значимость работы. Материалы диссертации, сформулированные в ней научные положения, и выводы могут найти применение для биоиндикации состояния воды пресных водоёмов посредством некоторых биохимических показателей тканей высшего водного растения Egeria densa. Данные диссертационной работы могут быть использованы в учебном процессе при чтении курсов лекций по физиологии и экологии растений для студентов бакалавров, специалистов и магистров биологических факультетов ВУЗов.

Положения, выносимые на защиту:

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы были представлены на международной научно-практической конференции «Теоретические и прикладные проблемы социально-правовых, медико-биологических и технико-экономических сфер жизни общества» (Курск, 2009), V международной научной конференции «Наука. Творчество» (Самара, 2009), международной конференции «Медико-социальная и биологическая адаптация» (Сухум, 2009), международной научно-практической конференции «Физиологические механизмы становления и поддержания функций организма» (Сухум, 2010), VI международной научной конференции «Наука. Творчество» (Самара, 2010), международной научно-практической конференции «Физиологические механизмы живых систем» (Сухум, 2010).

Глава 1. Синтетические поверхностно-активные вещества, как

антропогенный фактор 1.1. Характеристика синтетических поверхностно-активных веществ

Значительную часть антропогенной нагрузки, приходящейся на поверхностные водные объекты, составляют сточные воды, содержащие синтетические поверхностно-активные вещества (СПАВ), которые входят в состав всех хозяйственно-бытовых и большинства промышленных сточных вод. Приблизительно 95-98 % общего количества применяемых в нашей стране синтетических моющих средств (CMC), вырабатываемых промышленностью, составляют анионные и неионогенные СПАВ и моющие средства на их основе, которые, как правило, характеризуются низкой биологической разлагаемостью и в силу своей химической природы оказывают существенное отрицательное воздействие на водные объекты (Ленова, 1980). Устойчивость СПАВ к биохимическому окислению является причиной накопления их в водных объектах, особенно в донных отложениях, что, в свою очередь, приводит к снижению способности природных вод к самоочистке и создает опасность вторичного загрязнения водоемов и водотоков (Паршикова, 2003). Именно по этой причине СПАВ входят в группу наиболее распространенных загрязняющих веществ в поверхностных водах (Максимов, 1988). В связи с несовершенством методов очистки от СПАВ сточных вод сосредоточенных выпусков и невозможности очистки от них рассредоточенного стока, возникает необходимость в разработке технологий защиты водных объектов от загрязнения указанными веществами, основанных на интенсификации внутриводоемных процессов. Таким требованиям соответствуют биоинженерные системы, сущность которых заключается в использовании приемов повышения ассимилирующей способности водных экосистем путем увеличения в их структуре звена фитоценоза.

Однако существующие разработки биоинженерных систем касаются снижения биогенной нагрузки на водные объекты, защиты от металлов, нефтепродуктов, легко окисляемых органических веществ, и не решают вопроса защиты от таких трудно окисляемых органических веществ, как СПАВ. К разряду СПАВ относят самые разнообразные химические соединения. Свое название СПАВ получили благодаря способности сорбироваться (концентрироваться) на поверхности раздела фаз и снижать межфазную свободную энергию (поверхностное натяжение). Считается, что именно эта группа соединений в наибольшем количестве накапливается в почвах, воде и воздухе вследствие широкого использования в различных отраслях хозяйственной деятельности (Ахмедова, 1987; Айздайчер, 1999; Божков, 1999; Вастернак, 1990).

СПАВ представляют собой органические вещества с гидрофильными и гидрофобными участками различного химического (дефильного) строения. СПАВ - вещества с асимметричной структурой, молекулы которых содержат один или несколько гидрофильных групп и один или несколько гидрофобных радикалов. Такая амфифильная структура обусловливает поверхностную (адсорбционную) активность СПАВ, выражающуюся в способности концентрироваться на межфазных поверхностях раздела, изменяя их свойства.

По характеру диссоциации СПАВ делятся на следующие группы: анионные (анионоактивные) СПАВ, катионные (катионоактивные) СПАВ, неионогенные СПАВ и амфолитные СПАВ (Саут, 1990; Шевердяев, 1992).

Анионные (анионоактивные) СПАВ - в водном растворе, ионизируются с образованием отрицательно заряженных органических ионов. Из анионоактивных СПАВ широкое применение нашли соли сернокислых эфиров (сульфаты) и соли сульфокислот (сульфонаты). Радикал (Я-) у них может быть алкильным, алкиларильным, алкилнафтильным, иметь двойные связи и функциональные группы (Остроумов, 2000).

К наиболее распространенным веществам относятся алкилсульфоновые кислоты, у которых остаток серной кислоты образует гидрофильный участок:

^-СН-Из

ЭОз

Среди синтетических анионактивных СПАВ наиболее распространены алкиларилсульфонаты (сульфонолы), особенно додецилбензолсульфонаты, производство которых составляет более половины общего производства СПАВ во всем мире. Общая формула строения алкиларилсульфонатов -[СН3(СН2)п-СбН4-80з]Ма+. К широко распространенными анионактивными веществам также можно отнести синтетические алкилсульфаты, обычно натриевые соли алкилсульфокислот, общая формула которых - 1Ю80зМ1, где М1 - одновалентный металл, чаще всего Иа. Сравнительно меньше промышленностью выпускается алкилсульфонатов (мерзолятов), строение которых можно представить в виде - СпН2п + 1803№. К анионактивным СПАВ относятся также карбоновые соли щелочных металлов с длинными углеводородными радикалами, называемые мылами, и их производные; органические соединения, содержащие фосфор (к примеру, фосфаминовая кислота и ее соль), серу с двумя атомами кислорода (сульфаминовая кислота) и другие аналогичные соединения. Указанные группы веществ растворяются в маслах (Божков, 1999).

Катионные (катионоактивные) СПАВ - вещества, которые ионизируются в водном растворе с образованием положительно заряженных органических ионов. К ним относятся четвертичные аммониевые соли, состоящие из углеводородного радикала с прямой цепью, содержащей 12-18 атомов углерода. Кроме того, они содержат метильный, этильный или бензильный радикал, а также хлор, бром, йод или остаток метил- или этилсульфата. Алкиламмониевые соединения имеют в качестве полярного компонента положительно заряженную третичную аммонийную группу Я -]\Г(СН3)2+. Эти вещества проявляют бактерицидное действие. Алкилдиметиламины - жидкости темно-коричневого цвета с эфирным

запахом, практически не растворяющиеся в воде. Ориентировочный безопасный уровень воздействия в атмосферном воздухе - 0,01 мг/м .

Амфолитные СПАВ - ионизируются в водном растворе различным образом в зависимости от условий среды: в кислом растворе проявляют катионоактивные свойства, а в щелочном - анионоактивные (Божков, 1999).

Неионогенные СПАВ представляют собой высокомолекулярные соединения, которые в водном растворе не образуют ионов. Токсичное действие неионогенных СПАВ определяется главным образом неполярной частью молекулы, при этом оно более выражено при наличии в последней ароматического кольца. По биохимической устойчивости, определяемой структурой молекул, СПАВ делят на мягкие, промежуточные и жесткие.

Таким образом, можно кратко представить классификацию различных групп СПАВ (4 класса):

• Анионоактивные вещества - наиболее распространенные из ПАВ, являются основной составной частью синтетических моющих средств. К ним относятся, главным образом, алкилсульфаты, сульфонолы, алкилсульфонаты, динатриевая соль моноалкилсульфоянтарной кислоты.

• Неионогенные вещества - по объему производства составляют примерно 10% от всех остальных ПАВ. В меньшей мере, чем анио

Информация о работе

Мурзин, Илья Радикович
кандидата биологических наук
Самара, 2011
ВАК 03.02.08

Диссертация

Влияние синтетических моющих средств на эколого-биохимические характеристики высшего водного растения Egeria densa - тема диссертации по биологии, скачайте бесплатно

Автореферат

Похожие работы