Научная статья на тему 'Стрессовые реакции штаммов Synechocystis (cynobacteria/cyanoprokariota) на токсическое воздействие ионов тяжелых металлов'

Стрессовые реакции штаммов Synechocystis (cynobacteria/cyanoprokariota) на токсическое воздействие ионов тяжелых металлов Текст научной статьи по специальности «Биологические науки»

CC BY
183
41
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
ЦИАНОБАКТЕРИИ / SYNECHOCYSTIS / ШТАММЫ / ТЯЖЕЛЫЕ МЕТАЛЛЫ / СТРЕСС / УЛЬТРАСТРУКТУРА / CYANOBACTERIA / STRAINS / HEAVY METAL IONS / STRESS / ULTRASTRUCTURE

Аннотация научной статьи по биологическим наукам, автор научной работы — Волошко Людмила Николаевна, Гаврилова Ольга Владимировна

Было изучено воздействие ионов тяжелых металлов (Cu2+, Cd2+, Zn2+, Ni2+, Со2+) на рост и ультраструктуру штаммов Synechocystis aquatilis CALU 428 and Synechocystis sp. CALU 891. Результаты исследований могут быть использованы при биоиндикации загрязнений в водных и почвенных местообитаниях.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по биологическим наукам , автор научной работы — Волошко Людмила Николаевна, Гаврилова Ольга Владимировна

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

STRESS RESPONSES OF SYNECHOCYSTIS STRAINS (CYANOBACTERIA / CYANOPROKARYOTA) ON THE TOXIC EFFECTS OF HEAVY METALS

The effects of heavy metal ions (Cu2+, Cd2+, Zn2+, Ni2+, Со2+) оп growth and ultrastructure of Synechocystis aquatilis strain CALU 428 and Synechocystis sp. strain CALU 891 have bееп studied. Testing the tolerance to heavy metals should bе taken into consideration, regarding using of the strains in bioindication of pollutants in aquatic and soil habitats.

Текст научной работы на тему «Стрессовые реакции штаммов Synechocystis (cynobacteria/cyanoprokariota) на токсическое воздействие ионов тяжелых металлов»

А СТРАХАНСКИЙ ВЕСТНИК ЭКОЛОГИЧЕСКОГО ОБРАЗОВАНИЯ

№ 1 (39) 2017. с. 42-55. Биологические науки СТРЕССОВЫЕ РЕАКЦИИ ШТАММОВ SYNECHOCYSTIS (CYNOBACTERIA/CYANOPROKARIOTA) НА ТОКСИЧЕСКОЕ ВОЗДЕЙСТВИЕ

ИОНОВ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ

Людмила Николаевна Волошко l.voloshko@inbox.ru Ботанический институт им. В.Л. Комарова РАН Ольга Владимировна Гаврилова Санкт-Петербургский государственный университет

Цианобактерии, Synechocystis, штаммы, тяжелые металлы, стресс, ультраструктура,

Было изучено воздействие ионов тяжелых металлов (Cu , Zn2+, Ni2+ Со2+) на рост и

ультраструктуру штаммов Synechocystis aquatilis CALU 428 and Synechocystis sp. CALU 891. Результаты исследований могут быть использованы при биоиндикации загрязнений в водных и почвенных местообитаниях

STRESS RESPONSES OF SYNECHOCYSTIS STRAINS (CYANOBACTERIA / CYANOPROKARYOTA) ON THE TOXIC EFFECTS OF HEAVY METALS

Ludmila N. Voloshko l.voloshko@inbox.ru Komarov Botanical Institute RAS Olga V. Gavrilova St. Petersburg State University

Cyanobacteria, Synechocystis, strains, heavy metal ions, stress, ultrastructure The effects of heavy metal ions (Cu ,

Cd2 , Zn2+, Ni2+, Со2+) оп growth and ultrastructure of Synechocystis aquatilis strain CALU 428 and Synechocystis sp. strain CALU 891 have Ьееп studied. Testing the tolerance to heavy metals should b е taken into consideration, regarding using of the strains in bioindication of pollutants in aquatic and soil habitats.

Микроорганизмы обладают пластичностью, способностью приспосабливаться к резким изменениям в окружающей их среде. Большинство этих эффектов вызывают разнообразные ответные реакции на клеточном и популяционном уровне в природных экосистемах, по которым можно оценивать состояние окружающей среды в целом [2, 3, , 21, 22, 23, 24]. Очень важное значение в токсикологии имеют исследования механизмов защиты организмов от индуцированных стрессом повреждений. Фундаментальную роль в акклимационных процессах играют специфические мембранные липиды и стрессовые протеины [11]. Тяжелые металлы относятся к числу наиболее широко распространенных поллютантов гидросферы, которые вызывают различные ответные реакции, включающие внутриклеточную реорганизацию [13, 18].

Цель настоящей работы: изучение реакции двух штаммов Synechocystis н а токсичное воздействие тяжелых металлов (Zn2+, Cd2+, Cu2+, Ni2+, Со2). Исследование проводилось в соответствии с общей концепцией ультраструктурных реакций на стресс.

Материал и методы

Организм и условия культивирования. Одноклеточная культура Synechocystis aquatilis Sauv. CALU 428 была получена из коллекции водорослей и цианобактерий Санкт-Петербургского государственного университета CALU [5, 17]. Культуры

содержались в стерильных условиях при освещении 2-10 Lux и температуре 25 °С в жидкой минеральной среде №6 (мг л-1 дистиллированной воды); KN03 — 100; К2НРО4 — 20; MgS04 — 20; СаС12 — 15; NaHC03 — 20; раствор микроэлементов — O.l мл. В составе микроэлементов (г л-1): ZnS04 Н20 — 0.022; MnSo4 — l.81; CuS04 5Н20 — 0.079; NaBo3 4Н20 — 2.63; (NH4) 6Moy024 4Н20 — 1.0; FeS04 7Н20 — 9.3; СаС12 — 1.2; Co(N03)2 Н20 — 0.02; Na-EDTA — 10.0.

В тестах на токсичность металлы использовались в виде сульфатов следующих солей: CuS04-5K20; CdS04-8K20; г^04-7Н20; NiS04•7Н20; CoS04 -7Н20. Летальные концентрации ионов для штаммов предварительно определялись в пробирках с растворами используемых металлов. Концентрации ионов металлов, используемые в тестах соответствовали 10, 50, 90% от летальных. В экспериментах клетки из активно растущих культур инокулировались в 50 мл колбы с 20 мл среды без (контроль) или с тяжелым металлом и подращивались в течение 7-8 сут. при круглосуточном освещении. Рост культур вычислялся путем подсчета числа клеток в 1 мл в камере Горяева в различные временные интервалы (Табл. 1—2).

IC50 (50 % ингибирование роста популяции от контроля) вычислялся прямой линейной графической интерполяцией [7]). Морфометрический анализ клеток Synechocystis sp. проводился в световом микроскопе с TV анализатором (МТ-9). Все эксперименты выполнялись в 4-х кратной повторности, средние величины и стандартные отклонения вычислялись. Электронно-микроскопические исследования проводились методом, описанным Б.В. Громовым [5].

Результаты

Synechocystis aquatilis Sauv. CALU 428

Морфология клетки на уровне световой и электронной микроскопии. (контроль). Клетки шаровидные, 3-6 мкм в диаметре, одиночные или в парах, бледно синезеленые. Тилакоиды, уплощенные органеллы (мембраны), содержащие фотосинтетические пигменты, располагаются в п а р ал л ел ь н ы х р я д а х в д о л ь о с и к л етк и . М н о го чи с л ен н ы е ф и к о б и л и с о м ы , д и с к о в и д н ы е о б р аз о в а н и я , с о д ер жащ и е

светособирающие пигменты (фикобилипротеины) и прилегающие снаружи к тилакоидам. Рибосомы штамма разбросаны по всей цитоплазме. Рибосомы — цитоплазматические мембраны, состоящие из рибосомной РНК и протеина, которые участвуют в биосинтезе белка из аминокислот. Клеточная стенка содержит все слои типичной граммотрицательной бактерии (Рис. 19). Synechocystis aquatilis широко распространен в планктоне п р ес н ы х в о д о ем о в .

2+ 1

Воздействие ионов металлов на рост. Низкие концентрации Cu (до 0.18 мг л- ), 11 Ni (до 8.18 мг л- ) и Со (до 12.17 мг л- ) стимулировали рост популяции. Более

высокие концентрации ингибировали рост, этот эффект усиливался с увеличением

концентрации ионов. Все использованные концентрации Zn2+ and Cd2+ не выявили

стимулярущего эффекта на рост, в течение всего периода исследований было зафиксировано

только ингибиторное воздействие. Полное ингибирование роста происходило при

воздействии концентраций, приведенных в Табл. 1. IC50, рассчитанные на 4 сут

экспозиции, были близки к предельно допустимым концентрациям, установленным в Росси

для аквакультуры [ 1 ]. Последовательность степени ингибирования роста на 4 сут

экспозиции была следующей: Zn > Cd > Cu > Ni > Со После 7 сут экспозиции

2+

токсичность тяжелых металлов падала (за исключением варианта с Со2+), и величины ТС50 соответственно снижались.

Воздействие ионов тяжелых металлов на морфологию клетки. Параллельно с ингибированием роста в присутствии ионов металлов отмечены изменения размеров клеток и их морфологии. В этих условиях формировались крупные, карликовые и абберантные клетки. Наблюдалось формирование микроагрегатов, состоящих из клеток, соединенных муреиновыми мостиками. Концентрации ионов и количество отклонений в морфологии выявили прямую зависимость. После 4 сут. экспозиции в присутствии 2п2+ количество морфологических деформаций увеличивалось с 8% (при 1.14 мг л- ) до 32 % (при 2.28 мг л- ) и 65 % (при 3.42 мг л- ). В результате адсорбции 2и2+ на поверхности клетки формировалась электронно-плотная капсула, приводящая к тотальной минерализации наружного чехла (Рис. 5). Сходные эффекты отмечены в случае с Cd :протеиновый и полисахаридные слои исчезали, и формировалась аморфная электронно-плотная капсула (Рис. 6). При этом происходила деструкция фотосинтетических мембран, и нарушалось деление клеток. Муреиновый слой разбухал (Рис. 8), разделения клеток не происходило, и в результате формировались сарциноидные группы (Рис. 7). В присутствии Си2 + отмечены ультраструктурные изменения фотосинтетического аппарата, включающие сокращение числа тилакоидов и полное разрушение их мембран (Рис. 3— 4). Структурные изменения чехла были менее выражены. Однако при этом муреиновый слой расширялся, электронная плотность его снижалась, клеточная стенка отделялась от мембраны цитоплазмы и полисахарид содержащая капсула конденсировалась. В присутствии N1 2+ (Рис. 9—10) и Со2+ (Рис. 11) отмечались вариации муреинового слоя. Морфологические нарушения включали сокращения числа тилакоидов и полную деградацию этих мембран, отмечено также накопление полифосфатных гранул.

Табл. 1

Эффективные концентрации тяжелых металлов (мкг л-1), воздействующие на БупескоеузИз aquatilis штамм

СЛЬИ 428.

Ионы ПДК Летальные концентрации ионов 1С50 (от контроля) для численности клеток после:

2 сут 4 сут 7 сут

гп2+ 10.0 11.4 6.0 6.8 11.0

са2+ 5.0 14.6 7.3 11.8 12.1

Си2+ 1.0 25.4 12.7 20.9 21.1

№2+ 10.0 41.0 17.6 33.8 34.0

Со2+ 10.0 104.8 71.3 69.2 46.1

Табл. 2

Эффективные концентрации тяжелых металлов (мкг л-1), воздействующие на Synechocystis Бр. штамм

САШ 891.

Ионы ПДК Летальные концентрации ионов 1С50 (от контроля) для численности клеток после:

2 сут 4 сут 7 сут

Си2+ 1 .0 509.0 96.7 305.4 338.5

Са2+ 5.0 730.5 584.4 328.7 94.9

Со2+ 10.0 209.6 1 15.3 161.4 194.9

гп 2+ 10.0 1 137.0 841 .4 727.7 704.9

№2+ 10.0 2050.0 615.0 1086.5 1 107.0

Табл. 3

Морфометрические показатели (мкм) Synechocystis Бр. штамм СЛЬИ 891 в контроле и после 5 сут экспозиции клеток в присутствии ионов тяжелых металлов при концентрации, равной 50% от летальной

Контр Си2 Са2 Со2+ №2 гп 2+

оль + +

Диаметр клетки, средний 2.2 2.4 2.2 2.3 2.1 2.2

Стандартное отклонение 0.8 0.4 0.5 0.6 0.4 0.6

Коэффициент вариации 12.1 19.1 20. 24.4 20. 20.8

9 2

Мин. диаметр клетки 1.9 1.9 1.5 1.3 1.3 0.9

Макс. диаметр клетки 2.4 3.3 2.7 3. 1 2.7 3.0

Рис. 1-4. Ультраструктура клеток Бупескосуя^ ациаЫ^ в контроле и после 5 сут экспозиции в среде с Си2+ при концентрации, равной 50% от летальной.

1-2 — контроль, на рис. видны параллельные ряды тилакоидов и многочисленные фикобилисомы в виде точек на поверхности тилакоидов.

3-4 — ультраструктура клетки в среде с Си2+. Стрелкой показано отслоение клеточной стенки и головкой стрелки — конденсация полисахаридного слоя.

Обозначения: Т —тилакоиды; РН —фикобилисомы; N — регион ДНК и рибосом; Р — плазмалемма; М —муреиновый слой; ОМ —внешняя мембрана; Б —протеиновый слой чехла; РО —полисахаридный слой чехла. Масштабная линейка: 0.2 мкм

Рис. 5-8. Ультраструктура клеток Synechocystis aquatilis после 5 сут экспозиции в среде с гп2+ и Са2+при концентрации, равной 50% от летальной.

5 — ультраструктура клетки в среде с гп2+. Стрелка указывает на электронно-плотную капсулу на поверхности клеточной стенки.

6-8 — ультраструктура клетки в среде с Са2+. На рис. заметны: дезинтеграция тилакоидов и фикобилисом, разбухание муреинового слоя (звездочка) и формирование электронно-плотной капсулы на поверхности клеточной стенки (стрелка). Масштабная линейка на Рис. 5, 6, 8 — 0.2 мкм и наРис 7 — 1 мкм

Рис. 9—11. Ультраструктура клеток Synechocystis aquatilis после 5 сут экспозиции в среде с Ni2+ и Со2+ при концентрации, равной 50% от летальной.

9—10 — ультраструктура клетки в среде Ni2+. Разбухание муреинового слоя отмечено звездочкой, стрелкой — агглютинация тилакоидов.

11 — ультраструктура клетки в среде с Co2+. Стрелкой отмечено утолщение муреинового слоя, звездочкой — деструкция тилакоидов и фикобилисом. Масштабная линейка: 0.2 мкм

Synechocystis зр. СЛЬи 891

Морфология клетки на уровне световой и электронной микроскопии (контроль). Клетки СЛЬИ 891 шаровидные, одиночные, меньшего диаметра (2-3 мкм), и ультраструктурно отличные от S. aquatilis. Тилакоиды расположены в широких концентрических рядах в виде подковы. Ультраструктура клеточной стенки близка к таковой S. aquatilis, однако чехол много тоньше и его слои менее выражены (Рис. 12).

Воздействие ионов металлов на рост. Synechocystis Бр. СЛЬИ 891 обнаружил более высокую устойчивость к ионам тяжелых металлов по сравнению с & aquatilis. Эффективные концентрации 1С50 были в 11-116 раз выше предельно допустимых (Таб. 2). Последовательность степени ингибирования роста на 4 сут экспозиции была следующей: Си2+ > Сё2+ > Со2+ > гп2+> №2+. Ингибиторные эффекты Си2+, Со2+, №2+ снижались со временем; Сё2+ и гп 2+ проявили наибольшую токсичность в конце эксперимента (7 сут).

Воздействие ионов тяжелых металлов на морфологию клетки. Результаты морфометрического анализа представлены в Табл. 3. В присутствии ионов металлов размеры клеток проявляли большую вариабильность, чем в контроле. В присутствии Сё2+ и №2+ появлялись группы из 4-10 клеток. Си2+ главным образом воздействовала на фотосинтетический аппарат: происходила дезинтеграция тилакоидов, а также увеличение внутритилакоидных и межтилакоидных пространств (Рис. 13). При воздействии Сё2+ клетки теряли характерную шаровидную форму и часто складывались в сарциноидные группы, фотосинтетические мембраны разрушались (Рис 14-15). ИИны ташък мзалсв вьвьваи агглютинацию фотосинтетических мембран и нарушение клеточного деления. Септы часто начинали формироваться как множественные и непарные (Рис. 16). Из-за нарушения синтеза муреина форма клеток становилась неправильной и стенки клеток отслаивались от протопласта (Рис. 17-18).

Рис. 12-14. Ультраструктура клеток Synechocystis Бр. в контроле и после 5 сут экспозиции в среде с Си2+ и Са2при концентрации, равной 50% от летальной.

12 — контроль, на Рис. отмечены тилакоиды (Т), зона ДНК и рибосом (К) и клеточная стенка (стрелка).

13 — ультраструктура клетки в среде с Си2+. Отмечено утолщение муреинового слоя (звездочка), расширение внутри- и межтилакоидного пространства (стрелки).

14 — ультраструктура клетки в среде с Са2+. Звездочка указывает зону агглютинации тилакоидов, стрелка — отслоение стенки от мембраны клетки.

15 — формирование сарциноидных групп в среде с Са2+. Масштабная линейка: 0.2 мкм

Рис. 16-18. Ультраструктура клеток Synechocystis sp. после 5 сут экспозиции в среде с Ni2+ при концентрации, равной 50% от летальной.

16 — отмечено формирование непарных перегородок (стрелки).

17 — форма клеток становится неправильной вследствие разрушения муреинового слоя.

18 — отслоение стенки от цитоплазматической мембраны (стрелка). Масштабная линейка: 0.2 мкм

Рис. 19. Схема клеточной стенки ^упескосуяйя Бр.

Обозначения: СМ — цитоплазматическая мембрана; Wl-W4 слои клеточной стенки: — электронно-прозрачный слой; — муреиновый (пептидогликановый) слой, гетерополимер, придающий механическую прочность клеточной стенке; —природа слоя неясна; "4 — трехслойная мембрана (наружная) мембрана, важным компонентом которой является липополисахарид; М — слизистый наружный чехол (влагалище). Наружный слой (М8) чехла имеет вид тонких полисахаридных нитей, ориентированных перпендикулярно к поверхности клетки. Внутренний протеиновый слой чехла состоит из глобулярных элементов, прилегающих к наружной мембране.

Обсуждение

Рост обоих штаммов подавлялся всеми тестируемыми ионами металлов. Степень

2 2+

токсичности для S. aquatilis CALU 428 снижалась от Zn к Со . Этот штамм проявил высокую чувствительность к ионам тяжелых металлов. После 4 сут концентрации металлов, проявляющие 50% ингибиторные эффекты (6.8-69.2 мкг л-1) были близки к ПДК этих металлов, установленным в России для аквакультуры (Табл. 1). Однако степень токсичности металлов для Synechocystis sp. CALU 891 отличалась от предыдущего штамма, снижаясь после 4 сут воздействия от Cu to Ni . Кроме того, штамм CALU 891 показал большую устойчивость к ионам тяжелых металлов. Токсические концентрации (IC50) для этого штамма превышали ПДК в 1—116 раз (96.7-841.4 мкг л-1). Летальные концентрации для CALU 891 также были значительно выше, чем для S. aquatilis (Табл. 1—2). Как правило, этот эффект снижался со временем, что указывает на наличие адаптационного механизма у клеток. Silveberg et al. [20] описали механизм детоксикации в ходе которого Cu накапливалась в ядре Scenedesmus. Механизмы экструзии металлов были описаны для некоторых представителей зеленых водорослей и цианобактерий [9, 14].

Ультраструктурная пластичность — это обратимая перестройка структуры бактерий в

ответ на изменение внешних условий. Клеточная стенка является первой преградой, с

которой сталкиваются тяжелые металлы metals [6]. На первой стадии металлы

адсорбируются на клеточной поверхности и затем поступают внутрь клетки путем

пассивного или активного транспорта (Рис. 5-8). Металлы, достигая клеточной мембраны и

связываясь с различными лигандами и функциональными группами типа -COOH, -SH, -NH2,

-Р304 и др., которые присутствуют в цитоплазматической мембране, приводят к изменению

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

проницаемости цитоплазматической мембраны и выбросу ионов Na+ и K+. Подобный выброс

ионов Na+ и K+, как показатель изменения проницаемости мембраны, отмечался у клеток

• 2 | 2 | Nostoc muscorum после экспозиции к Ni Cr Pb и Ag [18].

В результате изменения проницаемости цитоплазматической мембраны клетка Synechocystis теряет шаровидную форму и происходит отслоение клеточной стенки от протопласта. Муреиновый слой местами утолщается и становится менее электронно-плотным. Постепенная деградация муреинового слоя и его полный лизис ярко демонстрируют результат токсического действия тяжелых металлов на штаммы Synechocystis (Рис. 1-19). Скопления муреина между неотделившимися клетками затрудняют процесс разделения клеток. Аналогичные изменения муреинового слоя были продемонстрированы у штаммов, испытанных к тяжелым металлам: Anabaena flos-aquae — к Cd , A. variabilis и Synechococcus — к Zn2+, Bacillus stearothermophilus — к

Ca2+

и Sr2+ . Предпосылкой

для функционального клеточного деления у бактерий является правильный баланс между транспептидазной системой, осуществляющей заключительный этап синтеза клеточной стенки (сшивки пептидных цепей), и оксипептидазной системой, катализирующей гидролитическое расщепление полипептидов (лизис пептидных связей) муреинового слоя [24]. Стрессовое нарушение регуляции этой системы приводит к катастрофическому разрушению процесса клеточного деления.

Внутри клетки происходит расхождение тилакоидных мембран с расширением внутритилакоидного пространства и окончательная деструкция фотосинтетических органелл. Разрушение хлорофилла и каротиноидов, как следствие воздействия на клетку тяжелых металлов, хорошо известно у эукариотических зеленых водорослей и цианобактерий [18]. Результатом этих изменений является снижение фотосинтетической активности. Однако деградация тилакоидов может обеспечить и неспецифический механизм детоксиации. Роль белков и липопротеинов в связывании металлов внутри клеток была продемонстрирована N.J. Robinson [19]. В ходе разрушения рибосом цитоплазма теряла характерную зернистость и в ней появлялись обширные светлые участки. Нуклеоид (в норме гомогенный) агрегировал в нерегулярно расположенные плотные тяжи. Некоторые исследователи [12, 18] указывали на накопление полифосфатных гранул у цианобактерий Anabaena flos-aquae, A. variabilis,

53

Nostoc sp. и Plectonema boryanum в ответ на воздействие ионов цинка и кадмия. Можно предположить, что и в нашем случае полифосфатные тела и другие внутриклеточные структуры играют важную роль в связывании ионов металлов и их детоксикации.

Бактерии многих видов имеют генетически обусловленную устойчивость к тяжелым металлам. Устойчивость микроорганизмов к различным стрессорам кодируется генами, носителями которых являются специфические R-плазмиды, кодирующие ферменты, участвующие в детоксикации. Механизм устойчивости к отдельным металлам варьирует. Например, мышьяк и кадмий немедленно выводятся, благодаря активности ферментов, которые таким образом предотвращают денатурацию белков. Регуляция устойчивости к меди предполагает взаимодействие между плазмидными и хромосомными генами [8]. К ионам меди механизм устойчивости у Pseudomonas syringae связан с белками периплазмы и наружной мембраны и кодируется 4 генами, локализованными в плазмидном опероне copABCD. Бактерии способны поддерживать баланс между поглощением и выводом ионов меди внутриклеточными структурами. Поступление ионов металлов в клетку часто предотвращается их компартментализацией в периплазме и наружной мембране, что подтверждается образованием электронно-плотного матрикса по периферии клетки (Рис. 5).

Различная устойчивость тестируемых нами штаммов Synechocystis к ионам металлов в первую очередь связана со структурой их клеточной стенки. Штамм CALU 428 обладает клеточной стенкой с достаточно широким чехлом и ясно выраженными слоями, протеиновым и полисахаридным, которые, как известно, участвуют в детоксикации путем связывания ионов металлов. Адсорбция и дальнейшая аккумуляция токсикантов на поверхности клетки изменяют ее проницаемость, тотально минерализируют наружный чехол и в итоге полностью ингибируют рост популяции [10, 18, 24]. Стенка клетки Synechocystis sp. CALU 891 имеет менее выраженный чехол и дифференциацию протеинового и полисахаридного слоев. Тотальной минерализации наружного чехла в присутствии ионов металлов не происходило и штамм CALU 891 выявил большую толерантность по сравнению с CALU 428. Абберантные клетки отмечены у обоих штаммов, их появление вызвано ингибированием синтеза муреина [24]. Изменение размеров клеток и морфологии при воздействии ионов металлов является обычной стрессовой реакцией цианобактерий и микроводорослей [25] . Морфологические дефекты фотосинтетических мембран были сходны у обоих исследованных штаммов Synechocystis. Фотосинтетический аппарат считается очень чувствительной целью для тяжелых металлов, его разрушение является ответной реакцией на стресс, вызванный ионами тяжелых металлов [11].

В заключении, состав и пространственная организация внутриклеточных структур Synechocystis подвергаются резкому воздействию ионов тяжелых металлов, что указывает на решающую роль клеточных мембран в стрессовых реакциях и в процессе адаптации. Если Synechocystis aquatilis CALU 428 проявлял высокую чувствительность к низким концентрациям токсикантов, то Synechocystis sp. CALU 891 показал большую толерантность к достаточно высоким концентрациям металлов и оказался способным выносить значительное загрязнение. Тестированная устойчивость к тяжелым металлам может быть учтена при использования штаммов Synechocystis в ходе проведении экологической экспертизы.

Литература

1. Бekkeр А.А., Aгаев Т.Б. Охрана и контроль загрязнения природной среды. Гидрометеоиздат, Л. — 1989.— 286 с.

2. Волошко Л.Н., Гаврилова О.В. Чувствительность Synechocystis aquatilis Sauv. к ионам цинка // Альгология. — 1992. — Т. 2, № 1. — С. 77-80.

3. Волошко Л.Н., Гаврилова О.В. Реакция Anabaena variabilis Kuetz. на токсическое воздействие цинка // Гидробиол. ж. — 1993. — Т. 29, № 2. — С. 34-37.

4. Громов Б.В. Ультраструктура синезеленых водорослей. Наука, Л. — 1976. — 91 с.

5. Громов Б.В., Гаврилова О.В., Кошвало Е.С. Ультраструктура цианобактериальных клеток рода Cyanothece // Микрсбиокгия—1986 — 55: 821-825.

6. Albertano Р.; Plinto G., Pollio А., Taddei R. The tolerance towards mercury of Chlorella strains determined Ьу algal plating //Arch. Hydrobiol./ Algolog. Studies. — 1989. — V. 57 — P. 461-468.

7. Christensen E.R., Ny^ln N. Ecotoxicological assays with algae: Weibull Dose Response Curves // Environ. Sci. Technol. — 1984. — V. 18, No 9. — P. 713-718.

8. Cooksey D.A. Copper uptake and resistance in bacteria // Molecular Microbiol. — 1993. — V. 7. — P.

1-5.

9. Foster P.L. Copper exclusion as а mechanism of heavy metal tolerance in а green alga // Nature. — 1977.— V. 269. — P. 322-323.

10. Foster E.W., Barton L.L., Johnson G.V. Differential cellular response of АпаЬаепа variabllis to iron // J. Plant Nutr. — 1988. — V. 11. — 1193-1203.

11. Glatz А., Vass I., Los D.A., Vigh L. The Synechocystis model of stress: From molecular chaperones to membranes // PI. Physiol. Biochem. — 1999. — V. 37, No 1 — P. 1-12.

12. Jensen T.E., Rachlin J.W., Jane V. Uptake of heavy metals by especially polyphosphate bodies: an x-ray energy dispersive study // Environmental Pollution. — 1982. — V. 27. — P. 119-127.

13. Jurado A.S., Santana A.C., Da Costa M.S., Madeira M.C. Influence of Divalent Cations on the Growth and Morphology of Bacillus stearothermophilus // J. Gen. Microbiol. — 1987. —V. 133. — P. 507-513.

14. Laube V.M., McKenzie C., Kushner D.J. Strategies of response to cooper, cadmium and lead by a blue-green and a green algae // Can. J. Microbiol. — 1980. — V. 26. — P. 1300-1311.

15. Madigan M.T., Martinko J.M., Parker J. Brock biology of microorganisms. Pearson Education, USA. — 2003. — 1077 p.

16. Mirelman D.Y., Yashow-Yan, Nichamowitz Y., Rosenhak S. and Ron E.Z. Murein biosinthesis during a synchronous cell cycle of Escherichia coli // Br. J. Bateriol. — 1978. — V. 134. — P. 458-461.

17. Pinevich A.V., Mamkaeva K.A., Titova N.N., Gavrilova O.V., Ermilova E.V., Kvitko K.V., Pljusch A.V., Voloshko L.N., Averina S.G. St. Petersburg culture collection (CALU): four decades of storage and research with microscopic algae, cyanobacteria, and other germs // Nova Hedwigia 79 (1-2). — 2004. — P. 115-126.

18. Rai L.C., Jensen E., Rachlin W.A. Morphometric and X-ray Energy Dispersive Approach to Monitoring pH-Altered Cadmium Toxicity in Anabaena flos-aguae // Arch. Environ. Contam. Toxicol. — 1990. — V. 19. — P. 479-487.

19. Robinson N.J., Whitewall S.K., Cavet J.S. Microbial Metallothioneins. Advances in microbial physiology. — 2001. — V. 44. — P. 183-211.

20. Silveberg В.А., Stokes Р.М., Ferstenberg L.B. Intranuclear complexes in copper-tolerant alga // J. Cell Biol. — 1976. — V. 69. — P. 210-214.

21. Voloshko L.N., Gavrilova O.V. Influence of heavy metals over growthcurves and ultrastructure of blue-green algae // In: XV Intern. Botan. Congress (Japan, Yokohama. 28 August - 2 September 1993). — 1993. — P. 328.

22. Voloshko L.N., Gavrilova O.V. Growth and ultrastructure of сyanophycean algae in the presence of heavy metals // In: "Algae and Human Affairs in the 21st Century". 8th Intern. Conf. on Applied Algology (Italy. 26 September-1 October 1999). — 1999. — P. 95.

23. Voloshko L.N., Gavrilova O.V. Response of Cyanobacteria strains to stress induced by heavy metal ions // In: "Algae and extreme environments. Ecology and Physiology." Intern. Conf. (11-16 September 2000, Trebon, Czech Republic). — 2000. — P. 77.

24. Voloshko L.N., Gavrilova, O.V., Moustakas M.B. Response of Cyanobacteria strains to stress induced by heavy metal ions // Nova Hedwigia, Beiheft 123. — 2001. — P. 487-497.

25. Walsch G.E., Merrill R.G. Algal bioassays of industrial and energy process effluents / In: Sнuвert E.L. (ed.): Algae as ecological indicators. Acad. Press, London. — 1984. — P. 329-360,

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.