CC BY
179
УДК 574.24
Е. А. Буркова, З. А. Канарская, А. В. Канарский
ВЛИЯНИЕ ТОКСИКАНТОВ НА ФИЗИОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА РЯСКИ МАЛОЙ Lemna minor L
Ключевые слова: электрохимические источники тока, токсиканты, ряска малая, физиологические свойства.
Установлено влияние токсикантов из электрохимических источников тока (отработанных батареек) на рост, коренеобразование и морфологическое состояние ряски малой. Показано, что данные растения способны сохранять жизнеспособность после воздействия токсикантов.
Keywords: electrochemical power sources, toxicants, Lemna minor, physiological properties.
The influence of toxicants of electrochemical power sources (waste batteries) on growth, coreportfolio and morphological state of Lemna minor. It is shown that these plants are able to maintain viability after exposure to toxicants.
Актуальность. Существующая в настоящее время система контроля загрязнения водных объектов, основанная на определении химическими аналитическими методами отдельных токсических веществ, не обеспечивает сохранения экологического благополучия водных объектов [1]. Это обусловлено рядом причин: отсутствием количественных аналитических методов определения всех токсических соединений, входящих в состав сточных вод; разнородным характером взаимодействия отдельных компонентов в смеси, вторично образуемыми соединениями, которые могут быть более токсичными, чем исходных веществ [2]. Перечень вредных и опасных примесей в природных и сточных водах (тяжёлые металлы, пестициды, нефтепродукты и т.п.) достигает миллион наименований [3]. При этом, нормировано только около тысячи вредных веществ для водных объектов хозяйственно - питьевого и рыбохозяйственного пользования. В этих условиях особое значение приобретает применение интегральных методов оценки токсичности воды, к которым относится биотестирование - определение токсичности воды для гидробионтов, основанное на регистрации реакций тест - объектов [4].
Применение биотестирования для оценки качества природных вод обусловлено преимуществом перед гидрохимическими исследованиями, которые не позволяют определить неустойчивые в воде соединения или продукты трансформации токсикантов [5]. Химический анализ не показывает наличия токсических веществ, в то время как биологическое тестирование выявляет острую токсичность воды для гидробионтов. Обнаруженные в пробах химические соединения не вызывают гибели и нарушения жизнедеятельности тест - организмов, то есть не токсичны для них [6]. Химический анализ требует сложной и дорогостоящей аппаратуры и применения предварительного концентрирования образцов. Биотестирование, давая интегральную оценку токсичности воды, может значительно сократить объём химико-аналитических работ и проводить контроль загрязнений водных объектов более оперативно [7, 8].
Известно, что для биотестирования применяют рясковый тест, т.е. в качестве
тестирующего объекта выступают водные высшие растения семейства рясковых, которые характеризуются простотой строения, быстрой скоростью размножения и высокой чувствительностью [9].
В частности, среди видов рясок для биотестирования используют ряску малую (Lemna minor L.), ряску горбатую (Lemna gibba L.), многокоренник обыкновенный (Spirodella polyrrhiza
L.) [10].
Токсичность среды оценивают по изменению морфологических свойств ряски малой:
- окраски листецов,
- появление хлорозов,
- превращение цельных растений ряски малой (Lemna minor L.) на отдельные листецы,
- появление молодых листецов [11].
Вегетативное тело ряски представляет собой
округлую или обратно яйцевидную пластинку, которая сверху зелёная, блестящая, с некоторыми неясными устьицами вдоль средней линии (устьица у вершины и около кармашка несколько больше, чем между ними), иногда с рассеянными красноватыми пятнами (особенно в течение холодного сезона); с нижней стороны плоские, желтовато - или беловато - зелёные, очень редко с красноватыми пятнами. Плодоносит очень редко. Цветок состоит из одного пестичного и двух тычиночных цветков, без околоцветника [12,13].
Размножается ряска малая в основном отростками, которые отделяются от пластинки и становятся самостоятельными растениями. Если растения пострадало от мороза, оно погибает и опускается на дно, но при этом зачатки новых растений не теряют жизнеспособности, перезимовывают на дне и весной всплывают на поверхность воды. Зимует ряска подо льдом, не вмерзая в него и не погибая, чему способствуют турионы, которые отличаются от вегетативных листецов меньшим размером и содержат больше крахмала, становятся тяжелее воды и опускаются на дно. Размножение ряски преимущественно вегетативное, поэтому любая популяция ряски скорее всего будет состоять из клонов одной, первоначальной, особи. Расселяется ряска птицами, лягушками и тритонами, прилипая к их телу и
лапкам. Поедается многими дикими утками. Ряска малая не погибает на открытом воздухе до 22 часов (доказано в опытах Г. Ридли, 1930 год) и в этот преиод может быть перенесена утками на расстояние до 300 км. Разносится ряска также крупным рогатым скотом, лошадьми и человеком, прилипая к их ногам.
При оценке ингибирующего действия тяжелых металлов на ряску используется также регистрация фототаксиса хлоропластов. По данной методике все хлоропласты в эпистрофном положении после интенсивного освещения в течение нескольких минут в здоровом растении должны переходить в парастрофное положение. При воздействии токсиканта хлоропласты либо не меняют своего положения, либо его меняет только часть хлоропластов [14]. Применение данного метода связано с достаточно трудоемкой работой с микроскопом для подсчета хлоропластов. Существует также метод витального окрашивания листецов, который основан на разной проницаемости красителя сафранина в клеточные стенки живых и мертвых клеток. После воздействия токсиканта можно визуально оценить количество мертвых клеток в растении по их окрашенности.
Проблема утилизации отходов, в том числе электрохимических устройств весьма актуальна. В частности, несмотря на небольшие размеры, электрохимические источники тока являются потенциальным опасными загрязнениями
окружающей среды. Одна пальчиковая батарейка, выброшенная в мусорное ведро, загрязняет тяжёлыми металлами около 20 квадратных метров поверхности земли. Это происходит потому, что батарейки (не все, но большинство) содержат различные тяжелые металлы (цинк, марганец, кадмий, никель, ртуть и др.), которые даже в небольших количествах могут причинить вред здоровью человека [15]. Попадая в грунт и водоемы, батарейки коррозируют (их металлическое покрытие разрушается), и тяжелые металлы вымываются в среду. Из грунтовых вод эти металлы мигрируют в реки, озера и в артезианские воды, используемые для питьевого водоснабжения. Один из самых опасных металлов, ртуть, может попасть в организм человека как непосредственно из воды, так и при употреблении в пищу продуктов, приготовленных из отравленных растений или животных, поскольку этот металл имеет свойство накапливаться в тканях живых организмов. В тканях и органах высших водных растений накапливается широкий спектр химических элементов (тяжелых металлов, нефтепродуктов, ароматических углеводородов), что обеспечивает вывод этих веществ из круговорота в водоеме в течение вегетационного периода [16].
Опасность продуктов деградации отработанных электрохимических устройств для окружающей среды очевидна, так как в самых различных моделях этих источников постоянного тока содержаться:
- марганец и цинк;
- ртуть и литий;
- свинец и кадмий;
- никель и прочие тяжелые металлы, способные накапливаться в живых организмах, приносящие непоправимый вред здоровью [17, 18].
Цель настоящей работы: определить влияние токсикантов из электрохимических источников тока на физиологические свойства ряски малой. Для достижения данной цели определялось:
- влияние токсикантов из электрохимических источников тока (отработанных батареек) на рост, коренеобразование и морфологическое состояние ряски малой;
- жизнеспособность растения после воздействия токсикантов
Методическая часть
В работе использовали растение ряска малая Lemna minor L., собранную с поверхности водоема со стоячей водой на территории г. Волжска Республики Марий Эл.
Для культивирования растений использовали среду Гапоненко-Стажецкого, приготовленную на отстоянной водопроводной воде и воде из незагрязненного водоема города. Предварительно воду из водоема, согласно рекомендаций [19, 20], процеживали через планктонную сетку для удаления взвеси и мелких организмов, заливали в аквариум с постоянной аэрацией воды. Культивирование проводили при круглосуточном освещении 7 - 8 лк и температуре +25 °C. Через 5 дней культивирования биомассу растения использовали в качестве тест-объектов.
Тест - объекты, имеющие одну сформировавшуюся и одну развивающуюся лопасть и корень с неповрежденным корневым чехликом, одинаковой длины помещали в стаканы объемом 250 мл и заливали модельной средой, в качестве которой использовали воду, загрязненную токсикантами.
В качестве источников токсикантов использовали отработанные батарейки «Спутник». Это солевые (угольно цинковые) элементы питания Long Life изготовлены по технологии Super Heavy Duty. Полный серийный ряд солевых батареек «Спутник» Long Life - это возможность применения данных батареек во всем существующем многообразии приборов со средним потреблением энергии.
Модельные среды готовили следующими способами:
1. Вода, в которую помещалась отработанная батарейка, имеющая чистый внешний вид, без каких
- либо повреждений, но была отработана на бытовых приборах. Батарейка помещалась в воду одновременного с тест - объектом при температуре 18 - 20 С.
2. Вода, в которую помещалась отработанная батарейка, предварительно пролежавшая в отстоянной воде 7 дней (500 мл воды с тремя батарейками). За данный период времени батарейка покрылась пятнами, появились признаки разложения и химических превращений. Вода
приобрела рыжий цвет, на дне стакана появился стойкий ярко рыжий осадок.
3. Вода в объеме 20 мл, в котором предварительно была растворена батарейка в течении 7 дней.
4. В качестве контроля использовалась чистая отстоянная вода.
Стаканы с тест объектами помещали на рассеянном свету под люминистентными лампами с освещенностью 3 - 4 лк. Эксперименты проводили при температуре 22 - 25 градусов с 3 повторностями.
Результаты и обсуждение
Экспериментальные исследования показали, что за 8 суток эксперимента ни один из токсикантов не вызывал гибель ряски малой. Однако, замечен ряд изменений физиологических свойств ряски малой. На 3 сутки в опытных вариантов наблюдался хлороз (пожелтение или побледнение листецов ряски) в различной степени, что особенно было характерно варианту с добавление воды, в которой была растворена отработанная батарейка в течении 7 дней. На сутки наблюдения у всех опытных и контрольных растений Lemna minor заметен значительный рост корешков. При этом в опыте с отработанной батарейки, которая имела чистый внешний вид, без каких - либо повреждений, но была отработана количество и длина корешков существенно превышают другие образцы, в том числе и контрольном варианте. А в опыте с добавление 20 мл раствора, в котором предварительно была растворена батарейка, наблюдается рост слабых и слизистообразных корешков (превышало контроль), что может объясняться тем, что в добавленном растворе наибольшая концентрация токсических элементов. В этот же период наблюдался некроз (полное обесцвечивание) отдельных листецов в варианте № 1 (с отработанной батарейкой), также особенно ярко имеет место частичный распад растений до обособленных листецов. Кроме того, в вариантах 1 и 3 отмечается обильное прилипание на корешки растений рыжего осадка от разложения отработанных батареек. Результаты эксперимента в таблице 1 и рис. 1 и 2.
При воздействии различных токсикантов некоторые растения могут сохранять жизнеспособность, а в случае прекращения поступления их в среду, могут вернуться в исходное состояние. Кроме того, некоторые токсиканты могут оказывать в малых концентрациях благотворное влияние, ингибируя развитие паразитарных организмов и сапрофитной флоры.
При воздействии различных токсикантов некоторые растения могут сохранять жизнеспособность, а в случае прекращения поступления их в среду, могут вернуться в исходное состояние. Кроме того, некоторые токсиканты могут оказывать в малых концентрациях благотворное влияние, ингибируя развитие паразитарных организмов и сапрофитной флоры.
Таблица 1 - Влияние токсикантов физиологическое состояние ряски малой
на
Токсикант №1 №2 №3 Контроль
Физиологическое состояние ряски малой
3 сутки
Ср. кол-во растений 3,6 5,6 6 5,0
Наличие корней, шт. 8 9,3 10 10
Размер корней, см. 1-5 1-3 1-4 0.5-4
Хлороз, листецы - + 3 -
Некроз, листецы 2,3 1 - -
5 сутки
р. кол-во растений 4 4,6 6 5,3
Ср. кол-во корней, шт. 5,6 5,6 8,6 + 7,6
+ - + -
Наличие рыжего налета на корнях
Размер корней, см. 2-7 3-5 2-5 1-4
Хлороз, листецы - + + -
Некроз, листецы 3,6 1,3 2,3 1,3
8 сутки
Ср.число растений, шт. 1,6 4,0 6,6 5,3
Среднее кол-во корней, шт. 3,3 5,3 6,6 7,6
Размер корней, см. 2-5 3-6 3- 10 1-4
Хлороз, листецы + + + Незначи тельно
Некроз, листецы 0,6 1,3 2,3 0,3
й а
0
я
1
ч
о «
3 сутки 5 сутки 8 сутки Продолжительность опыта, сутки
1-Токсикант 1; 2-Токсикант 2;
3- Токсикант 3; 4 -Контроль
Рис. 1 - Влияние токсикантов на рост, некроз и хлороз ряски малую (Lemna minor L.)
При воздействии различных токсикантов некоторые растения могут сохранять жизнеспособность, а в случае прекращения поступления их в среду, могут вернуться в исходное состояние. Кроме того, некоторые токсиканты могут оказывать в малых концентрациях благотворное влияние, ингибируя развитие паразитарных организмов и сапрофитной флоры.
3
4
1
2
ft о M
2
H
О «
3 4
1 2
3 сутки
5 сутки
S сутки
Продолжительность опыта, сутки
1 -Токсикант 1; 2 - Токсикант 2;
3 - Токсикант 3; 4 - Контроль
Рис. 2 - Влияние токсикантов на образование корешков ряски малой (Lemna minor L.)
В целях выявления жизнеспособности ряски малой после воздействия токсиканта по истечению 8 суток из модельных сред. были удалены источники токсикантов (отработанные батарейки и продукты ее разложения) При необходимости в стакан была добавлена отстоявшаяся вода. На 15 сутки наблюдали следующие изменения ряски малой:
- при удалении ряски малой Lemna minor L. из модельной среды с отработанной чистой батарейкой все растения разделились на отдельные листецы, наблюдается частичный некроз и хлороз листецов, все корешки имеют налет оставшегося осадка;
- при удалении ряски малой Lemna minor L. из модельной среды с батарейкой, которая предварительно пролежала в воде 7 дней, наблюдается гибель 66 % растения и некроз и хлороз оставшихся растений;
- при удалении ряски малой Lemna minor L из модельной среды с водой, в которой пролежала батарейка в течении 7 дней, гибель растений не наблюдается, все корешки (от 3 до 6 см в длину) имеют налет оставшегося осадка, имеется частичный некроз некоторых листецов.
Проведенные исследования с ряской малой (Lemna minor L.) в качестве тест - объекта показали, что имеют место физиологические изменения в данном растении, вероятно, из - за накопления химических элементов из электролитических устройств [21].
Выводы
Установлено влияние токсикантов из электрохимических источников тока (отработанных
батареек) на рост, коренеобразование и морфологическое состояние ряски малой. Показано, что данные растения способны сохранять жизнеспособность после воздействия токсикантов.
Литература
1. С.А. Куценко, Основы токсикологии. Наука, СПб, 2004. 504 с.
2. С.В. Фридланд, Вестник Казанского технологического университета, 1, 175-179 (2013).
3. Ю.А. Тунакова, Р.А. Шагидуллина, В.С. Валиев, Вестник Казанского технологического университета, 23, 147-152 (2013).
4. V. Tonkopii, A. Zagrebin, I. Iofina, Sustainable use and development of watersheds. Springer, Berlin, 200S, Р. 349-353.
5. С.Е. Гайдукова, А.Л. Ракитин, Н.В. Равин, К.Г. Скрябин, А.М. Камионская, Экологическая генетика, VI, 4, 20-2S (200S).
6. N Khellaf, M. Zerdaoui, Phytoaccumulation of zinc by the aquatic plant, Lemna gibba L. Bioresour. Technol, 100, 1б37-1б40 (2009).
7. В.К Шитиков, Г.С. Розенберг, Т.Д. Зинченко Количественная гидроэкология. Методы, критерии, решения. Наука, Москва, 2005. 2S1 с.
S. Е.В. Борздыко, Методы биологического контроля: биоиндикация и биотестирование. Наяда, Брянск, 200S. 70 с.
9. A. Michel, R.D. Jonhson, S.O. Duke, B. Scheffler, Environmental toxicology and Chemistry, 24, 4, 54б-553 (2004).
10. Л.В. Цаценко, О.П. Мелехова, Е.И. Егорова, Т.И. Евсеева, Биологический контроль окружающей среды: биоиндикация и биотестирование. Академия, Москва, 2007, С. 1SS-199.
11. Н.Н. Дмитруха, Фундаментальные достижения, 3, 50-55 (2013).
12. Л.В. Цаценко, КубГАУ, 5, 1-9 (2010).
13. T. Jäger, C. Scherr, M. Simon, P. Heusser, S. Baumgartner, TheScientificWorldJOURNAL, 10, 2112-2129 (2010).
14. A. Roig, M.L. Cayuela, M.A. Sarnchez-Monedero, Waste Manag, 2б, 9б0-9б9 (200б).
15. S.M. Bartell, Environ. Bioindicators, 1, б0-73 (200б).
16. S. Sabreen, S. Sugiyama, Environmental and Experimental Botany, б3, 327-332 (200S).
17. А.С. Заушинцен, XXXIII Междунар. научн.- практич. конф. студ., аспирантов и молодых ученых (Кемерово, 200б). Образование, наука и инновации - вклад молодых исследователей. Кемерово, 200б. Вып. 7. Т. С. 271 - 273.
1S. Е.С. Власова (Стравинскене), Современные биоаналитические системы, методы и технологии (Пущино, 200б). Экотоксикология. Пущино, 200б. С. 9S-100.
19. Приказ Федерального агенства по рыболовству N б95 «Об утверждении Методических указаний по разработке нормативов качества воды водных объектов рыбохозяйственного значения, в том числе нормативов предельно допустимых концентраций вредных веществ в водах водных объектов рыбохозяйственного значения. [Электр. ресурс]. Режим доступа http://www.garant.ru/products/ipo/prime/doc/20б9452/
20. РЭФИА Руководство по определению методом биотестирования токсичности вод, донных отложений, загрязняющих веществ и буровых растворов. НИА - Природа, Москва, 2002. [Электр. ресурс]. Режим доступа
http://ohranatruda.ru/ot_biblio/normativ/data_normativ/4S/4SS72/.
21. А.С. Заушинцен, А.В. Заушинцена, С.В. Свиркова, Вестник КемГУ, 4, 2009.
2
3
S
б
4
0
© Е. А. Буркова- асп. каф. ПищБТ, КНИТУ [email protected]; З. А. Канарская - канд. тех. наук, доц. каф. пищевой биотехнологии, КНИТУ, [email protected]; Казанский национальный исследовательский технологический университет; А. В. Канарский- д-р техн. наук, проф. каф. пищевой биотехнологии, КНИТУ, [email protected].
© E. A. Burkova - Graduate Federal state budgetary educational University higher professional University, «Kazan national research technological University», [email protected]; Z. A. Kanarskaya - Ph.D, Associate Professor, Department of Food Biotechology, KNRTU, [email protected]; A.V. Kanarskii - KNRTU, Dr. technical sciences, Prof., Department of Food Biotechnology, [email protected].
