Исследование чувствительности цианобактерий к токсическому действию солей тяжелых металлов Текст научной статьи по специальности «Биотехнологии в медицине»

УДК 615.9:546.4:579.222:616-099-078

ИССЛЕДОВАНИЕ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ ЦИАНОБАКТЕРИЙ К ТОКСИЧЕСКОМУ ДЕЙСТВИЮ СОЛЕЙ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ

© 2008 г. В. В. Шилов, А. С. Богачева

ФГУН «Северо-Западный научный центр гигиены и общественного здоровья» Роспотребнадзора,

Санкт-Петербургская медицинская академия последипломного образования Росздрава, г. Санкт-Петербург

В работе представлены результаты экспериментальных исследований по оценке чувствительности цианобактерий штаммов Synechocystis sp. РСС 6803 и Synechocystis sp. CALU 713 к токсическому действию солей тяжелых металлов в разных условиях температуры и освещенности окружающей среды. Выявлена повышенная чувствительность Synechocystis sp.

РСС 6803 и CALU 713 к присутствию в водной среде солей тяжелых металлов, токсичность которых проявляется при довольно низких концентрациях и усиливается при снижении температуры окружающей среды и параметров освещенности. Материалы работы позволяют рекомендовать изученные штаммы к использованию в качестве биологических тест-объектов как для индикации химического загрязнения водоемов, так и для изучения параметров токсичности вредных химических веществ в эксперименте.

Ключевые слова: соли тяжелых металлов, токсическое действие, чувствительность цианобактерий.

В настоящее время все более широкое распространение в токсикологических и санитарно-гигиенических исследованиях получают так называемые «альтернативные методы» изучения токсичности с использованием микроорганизмов различных видов.

Цианобактерии являются обычными обитателями водоемов различного назначения [2, 4]. Представляется, что применение этих одноклеточных микроорганизмов в качестве тест-объектов, с одной стороны, для оценки загрязнения водоемов, с другой — для изучения токсичности вредных химических веществ является перспективным для экологических и токсикологических исследований.

Цель исследования состояла в экспериментальной оценке чувствительности цианобактерий разных штаммов к токсическому действию солей тяжелых металлов в разных условиях температуры и освещенности окружающей среды.

Материалы и методы исследования

В работе использовались штаммы цианобактерий Synechocystis sp. РСС 6803 из коллекции цианобактерий Санкт-Петербургского государственного университета и Synechocystis sp. САЬи 713 из коллекции Московского государственного университета.

Культивирование проводилось в жидкой минеральной среде № 6 [1] в колбах вместимостью 200—250 мл при температуре 23 °С и непрерывном освещении люминесцентными лампами 2 300 лк.

Для эксперимента использовался штамм в активной фазе роста. Посевной материал инокулировался в пробирки с 4,5 мл жидкой минеральной среды № 6, разведенной в 10 раз с добавлением 4,5 мл солей металлов (AgNO3; 3CdSO4 • 8Н20; ^СООН; CuSO4 • 5Н20) в различных концентрациях (200; 20; 2; 0,2; 0,02; 0,002 мг л-). Начальная концентрация штамма составляла 250 тыс. кл мл-1. Культура выращивалась при освещении 2 200 лк (оптимальное освещение) и 500 лк (пониженная освещенность) и температуре 23 °С (оптимальная) и 15 °С (пониженная). pH инкубационной среды при разных концентрациях солей тяжелых металлов оставалась неизменной. Эксперимент проводили с трехкратным повторением. Подсчет клеток в культурах осуществляли на 4, 7, 10 и 14-е сутки при помощи световой микроскопии с использованием камеры Горяева по следующей формуле:

а\0п

где р — численность клеток в 1 мл; а — средняя численность клеток в большом квадрате сетки; h — глубина камеры в мм; S — площадь

Экология человека 2008.10

Экология труда в Баренц-регионе

большого квадрата клетки в мм2; п — разведение исследуемой суспензии в 10 больших квадратах.

Для обсуждения были взяты результаты, полученные на 7-е сутки культивирования микроорганизмов, так как к этому сроку рост клеток в культуре в нормальных условиях достигает максимального уровня.

Токсичность солей тяжелых металлов определяли по среднесмертельным концентрациям — концентрациям, вызывающим гибель 50 % клеток в исследуемой культуре (ЬС50), которые рассчитывали методом пробит-анализа с помощью стандартной программы Statistica. Оценка достоверности результатов проводилась с использованием ^критерия Стьюдента. Разницу между средними значениями показателей считали достоверной с вероятностью 95 % и выше.

Результаты исследования и их обсуждение

Известно, что одними из основных физиологических факторов, влияющих на рост и метаболическую активность клеток цианобактерий, являются температура и интенсивность освещения [3, 5].

В результате проведенных исследований установлено, что для Synechocystis sp. РСС 6803 наиболее токсичными были ионы меди (ЬС50 = 1,7 — 170 мкг-л-1), а наименее токсичными (ЬС50 = 700 —

1 700 мкг-л-1) — кадмия (при 23 °С) (табл. 1). Однако надо отметить, что при оптимальных условиях (23 °С;

2 200 лк) для Synechocystis sp. РСС 6803 токсический эффект всех исследуемых металлов был в 10— 20 раз ниже, чем при пониженной температуре (15 °С; 2 200 лк). При этом ЬС50 превышала предельно допустимые концентрации в 10—300 раз. При более низкой освещенности (500 лк; 23 °С) токсичность всех металлов была значительно выше, чем при освещенности 2 200 лк (почти в 10 раз для ртути и в 100 раз для меди). Таким образом, в условиях пониженной освещенности ионы тяжелых металлов оказались значительно более токсичными, чем при освещенности 2 200 лк.

Таблица 1

летальные концентрации солей тяжелых металлов (ЬС50, мкг-л-1) для Synechocystis sp. РСС 6803 на 7-е сутки культивирования при разных температуре и освещенности

Ион ПДК мкг-л-1 ЬС 50

ме- талла 23 °С; 2200 лк 23 °С; 500 лк 15 °С; 2200 лк 15 °С; 500 лк

Си2+ 1,0 170,0 ±12,4 1,7±0,3 11,9 ±2,7 21,0 ±0,9

Са2+ 5,0 1700,0 700,0 80,0 18,7

±12,5 ±5,4 ±5,5 ±0,3

нё2+ 0,5 170,0 16,0 52,0 71,0

±8,5 ±0,6 ±1,6 ±6,8

Аё+ 50,0 130,0 62,0 11,6 15,8

±2,5 ±3,1 ±0,5 ±2,1

Из полученных данных можно сделать вывод, что более низкие параметры температуры и освещенности усиливают токсичность солей тяжелых металлов для Synechocystis sp. РСС 6803.

Для Synechocystis sp. САШ 713 при 23 °С независимо от освещенности наибольшей токсичностью обладала соль кадмия, а наименьшей — меди (табл. 2).

Таблица 2

летальные концентрации солей тяжелых металлов (ЬС50, мкг-л-1) для Synechocystis sp. CALU 713 на 7-е сутки культивирования при разных температуре и освещенности

Ион ме- талла ЬС50

ПДК мкг-л-1 23 °С; 2200 лк 23 °С; 500 лк 15 °С; 2200 лк 15 °С; 500 лк

Си2+ 1,0 53,0 30,0 30,0 1,5

±4,3 ±2,1 ±2,1 ±0,3

С^+ 5,0 2,0 2,00 17,5 1,7

±0,3 ±0,35 ±1,2 ±0,3

Ие2+ 0,5 20,0 14,0 1,30 1,7

±1,6 ±2,3 ±0,28 ±0,1

Ае+ 50,0 14,0 ±0,1 16,0 ±0,4 1,5±0,1 16,6 ±2,1

Однако при такой же температуре (23 °С) и пониженном освещении (500 лк) токсический эффект соли меди увеличился в 1,7 раза. При температуре 15 °С и освещении 2 200 лк наибольшую токсичность проявили ртуть и серебро (^ > Ag > Cd > Си). в условиях низкой температуры и низкой освещенности (15 °С; 500 лк) для Synechocystis sp. САШ 713 соли всех металлов на протяжении эксперимента показывали постоянный и высокий токсический эффект; наиболее токсичными оказались ионы меди, кадмия и ртути. Надо отметить, что при пониженной температуре и освещенности 500 лк среднесмертельные концентрации соли кадмия превышали предельно допустимые концентрации для этих металлов в

3 раза (см. табл. 2).

Таким образом, Synechocystis sp. САШ 713 при пониженной освещенности и температуре 15 °С проявляли повышенную чувствительность к токсическому действию солей всех исследованных.

Из полученных результатов видно, что при культивировании цианобактерий в среде, содержащей соли тяжелых металлов, чувствительность к ним значительно возрастала при более низкой температуре и освещенности (см. табл. 1 и 2). Однако Synechocystis sp. РСС 6803 оказался более устойчивым, чем Synechocystis sp. САШ 713. Даже при оптимальных условиях роста чувствительность штамма к воздействию соли меди была в 3 раза выше, а кадмия — почти в 1 000 раз (серебра и ртути соответственно в 11 и 16 раз).

Из данных, приведенных в табл. 3, видно, что для Synechocystis sp. РСС 6803 среднесмертельные концентрации солей металлов в 2—108 раз превышали ПДК для рыбохозяйственных водоемов. А для Synechocystis sp. САШ 713 ЛС50 солей меди и ртути в 15—32 раза превышают ПДК. В то же время ЬС50 солей серебра и кадмия ниже рекомендуемых ПДк в 5 и 8 раз соответственно. Это говорит о необходимости пересмотреть и более тщательно изучить ранее рекомендованные ПДК для этих металлов (Беккер, 1989).

Таблица 3

летальные концентрации солей тяжелых металлов ^С50, мкг-л-1) для Synechocystis sp. РСС 6803 и CALU 713 при температуре 23 ^ и освещенности 2 200 лк (7-е сутки)

Ион ме- пдк РСС 6803 CALU 713

талла мкг-л-1 ^50 ^50

Cu2+ 1,0 170,0 ±12,4 53,0 ±4,3

Cd2+ 5,0 1700,0 ±12,5 2,0 ±0,3

Hg2+ 0,5 170,0 ±8,5 20,0 ±1,6

Ag+ 50,0 130,0 ±2,5 14,0 ±0,1

Полученные результаты свидетельствуют о значительной чувствительности Synechocystis sp. РСС 6803 и Synechocystis sp. CALU 713 к присутствию в водной среде солей тяжелых металлов, токсичность которых проявляется при довольно низких концентрациях (1,5—1 700 мкг-л-1) и усиливается в условиях понижения температуры и освещенности. Материалы работы позволяют рекомендовать изученные штаммы к использованию в качестве биологических тест-объектов как для индикации химического загрязнения водоемов, так и для изучения параметров токсичности вредных химических веществ в эксперименте.

Список литературы

1. Громов Б. В. Экология бактерий / Б. В. Громов, Г. В. Павленко. — Л. : Изд-во Ленингр. ун-та, 1989. — 246 с.

2. Заварзин Г. А. Введение в природоведческую микробиологию / Г. А. Заварзин, Н. Н. Колотилова. — М., 2001. - 256 с.

3. Саари Л. А. Влияние факторов внешней среды на потребность цианобактерий Anabaena variabilis в натрии / Л. А. Саари, Е. Н. Маркарова, М. В. Гусев // Всерос. симп. «Автотрофные микроорганизмы». — М. : Изд-во МГУ, 2000. — С. 157—158.

4. Ramus J. The capture and transduction of light energy / J. Ramus // The Biology of Seaweeds. — Oxford : Blackwell Sci. Publ, 1981. — P. 458—492.

5. Skulberg O. M., Geoffrey A. Toxic blue-green algal blooms in Europe: a growing problem / O. M. Skulberg, A. Geoffrey, C. Carmichael, W W. Carmichael // AMBIO. — 1984. — Vol. 13. — P. 244—247.

STUDY OF CYANOBACTERIA SENSITIVITY TO TOXIC EFFECT OF HEAVY-METAL SALTS

V. V. Shilov, А. S. Bogacheva

Russian Agency for Health and Consumer Rights, Saint-Petersburg,

Saint-Petersburg Medical Academy of Postgraduate Education Ministry of Healthcare, Saint-Petersburg

In the article, the results have been presented of experimental studies for assessment of sensitivity of cyanobacteria strains Synechocystis sp. РСС 6803 and Synechocystis sp. CALU 713 to toxic effect of heavy-metal salts in environmental conditions with different temperature and lighting. High sensitivity of Synechocystis sp. РСС 6803 и CALU 713 to heavy-metal salts in aqueous medium was observed, their toxicity became apparent by low concentrations and increased by environmental temperature and light parameters lowering. The study materials allowed to recommend these strains for use as biological test-objects both for indication of reservoir chemical pollution and for study of toxicity parameters of harmful chemical substances in the experiment.

Key words: heavy-metal salts, toxic effect, cyanobacteria sensitivity.

контактная информация:

Шилов Виктор Васильевич — доктор медицинских наук, профессор, главный специалист-профпатолог-токсиколог ФГУН «СЗНЦ гигиены и общественного здоровья» Роспотребнадзора

Адрес: 184250, г. Санкт-Петербург, ул. 2-я Советская, д. 4

Тел. (812) 709-61-14, факс (812) 717-02-64 E-mail: vshilov@inbox.ru

Статья поступила 07.07.2008 г.