CC BY
72
УДК 579.26:579.222
Гальперина А.Р.
Астраханский государственный технический университет, г Астрахань, Россия
Е-mail: [email protected]
ВЛИЯНИЕ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ НА НЕКОТОРЫЕ ФИЗИОЛОГИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ НИТЧАТЫХ ЦИАНОБАКТЕРИЙ
Тяжелые металлы представляют собой наиболее широко распространенные загрязнители почвенной и водной среды. Цианобактерии являются перспективными объектами для применения в очистке объектов окружающей природной среды от ионов тяжелых металлов, поскольку способны накапливать многие элементы и переводить их в нетоксичную форму. Производили оценку влияния тяжелых металлов (кадмия, меди, свинца и серебра) на некоторые морфологические и физиологические параметры нитчатых цианобактерий. При этом повышенные концентрации тяжелых металлов оказывают влияние на размеры, морфологию, ультраструктуру клеток и физиолого-биохимические признаки цианобактерий. В ходе экспериментальных исследований выявлено, что исследуемые цианобактерии чувствительны к токсическому действию тяжелых металлов. Отмечено, что степень выраженности токсического эффекта снижается от кадмия к свинцу. Показано, что в присутствии тяжелых металлов цианобактерии развиваются преимущественно на поверхности плотной питательной среды, а также испытывают морфологические изменения: появление атипичных крупных клеток (до 4 мкм на 2 мкм), и клеток с неровными краями; образование скоплений трихом и трихом, «распадающихся» на фрагменты и отдельные клетки. Отмечена адаптация цианобактерий к ионам свинца. Выявлено, что низкие концентраций ионов свинца стимулируют прирост биомассы цианобактерий до двух раз по сравнению с контролем. Обнаружено, что все исследуемые концентрации свинца оказывают угнетающее действие на фотосинтетическую систему нитчатых цианобактерий, что выражается в снижении концентрации хлорофилла а и каротиноидов при увеличении содержания свинца в среде.
Ключевые слова: тяжелые металлы, цианобактерии, фотосинтетические пигменты.
Наиболее широко распространенными загрязнителями почвенной и водной среды являются тяжелые металлы [1], [2]. По причине острой токсичности и постепенной аккумуляции в природной среде до критического значения, металлы образуют группу наиболее опасных загрязнителей среды, и представляют серьезную угрозу для био-ты, однако, в то же время, они составляют необходимую часть ферментативных систем живых организмов [3], [4]. Для очистки промышленных стоков от высококонцентрированных загрязнений наиболее целесообразно использовать механические, физические и химические методы. Но со снижением концентрации поллютантов их рентабельность падает и здесь наступает очередь методов биологической очистки. Перспективными объектами для применения в очистке сточных вод от соединений тяжелых металлов являются цианобактерии, так как они обладают способностью аккумулировать в высоких концентрациях многие элементы, а так же переводить их в нетоксичную форму. Благодаря короткому циклу их развития можно на нескольких поколениях проследить действие экстремальных факторов окружающей среды [5], [6], [7]. Повышенные концентрации тяжелых металлов оказывают влияние
на размеры, морфологию, ультраструктуру клеток и физиолого-биохимические признаки цианобактерий. Многими исследователями отмечено угнетение развития цианобактерий, что выражается как в снижении прироста биомассы, так и в снижении содержания фотосинтетических пигментов в клетках. Вместе с тем, имеются данные о существенной роли каротиноидных и фикобил-линовых пигментов в инактивации ионов тяжелых металлов [8], [9], [10], [11], [12], [13].
Целью исследований являлось изучение влияния тяжелых металлов (свинца, кадмия, меди, серебра) на некоторые физиологические параметры нитчатых цианобактерий.
Объектом исследований являлась альгологи-чески чистая культура нитчатых цианобактерий, выделенная из состава лабораторного циано-бактериального сообщества. Культивирование цианобактерий проводили на среде ВО-11 в колбах Эрленмейера при температуре 20±2С и постоянном искусственном освещении 1500 люкс.
Серебро вносили в среду в виде AgNO3, кадмий - в виде CdCl2, свинец - в виде РЬ(СИ3СОО)2. медь - в виде Си8О4. Токсичность тяжелых металлов оценивали по их концентрациям: 200 мг/л; 20 мг/л; 2 мг/л; 0,2 мг/л; 0,02 мг/л; 0,002 мг/л.
Гальперина А.Р.
Влияние тяжелых металлов на некоторые физиологические..
Рост цианобактерий контролировали по приросту сырой биомассы, визуально (окраска биомассы и характер роста в питательной среде) и микроскопически (форма и размер клеток, особенности трихом).
Контроль пигментного комплекса цианобактерий осуществляли по изменению содержания хлорофилла а и каротиноидов. Содержание фотосинтетических пигментов в клетках исследуемых цианобактерий определяли колориметрическим методом. Для определения концентраций пигментов в вытяжке использовали формулы Вернона [14] и Виттштейна [15].
Исследуемая культура растет в виде пленок и тяжей ярко-зеленого цвета. При выращивании на твердых средах наблюдается стелющийся рост пучков трихомов; в жидкой среде трихомы переплетаются между собой, образуя плотные кожистые тяжи. Трихомы от прямых до слабо волнистых. Клетки в трихоме цилиндрические, размер клеток 1,6-2,3 мкм в длину и 1,5-1,8 мкм в ширину. Чехлы вокруг тонкие или отсутствуют.
Содержание хлорофилла а в исследуемом штамме цианобактерий составило 0,223 мг/г сырой биомассы, каротиноидов - 0,086 мг/г сырой биомассы.
Для предварительной оценки токсичности некоторых тяжелых металлов проводили сравнение интенсивности роста цианобактерий на плотной среде ВО-11, содержащих тяжелые металлы, с интенсивностью роста в контрольной среде (без тяжелых металлов) и по результатам сравнения оценивали рост цианобактерий в баллах от 0 до 5 (0 - рост отсутствует; 5 - интенсивный рост).
Спустя 30 суток культивирования цианобак-терий на средах с тяжелыми металлами установлено, что данные микроорганизмы выдерживают до 20 мг/л РЬ(СНзСОО)2, до 2 мг/л ЛеШ3, до 0,2 мг/л Си804, до 0,02 мг/л CdCl2.
Отмечено, что исследуемые цианобактерии чувствительны к токсическому действию тяжелых металлов. При этом степень выраженности токсического эффекта солей тяжёлых металлов неодинакова: Сd > Си > Ag > РЬ. Наименее токсичным тяжелым металлом является свинец.
Визуальная оценка культуральных признаков выявила, что в контрольной среде микроорганизмы проявляют рост внутри питательной среды, а так же образуют пленку на ее поверхности. На средах с тяжелыми металлами отмечен рост ближе
к поверхности среды и образование пленок. Биомасса в контроле и в средах, содержащих тяжелые металлы, имеет насыщенный зеленый цвет.
В процессе изучения морфологии клеток циа-нобактерий выявлено, что в контроле цианобак-терии представлены слегка вытянутыми клетками, образующими длинные трихомы с клетками 1,6-2,3 мкм х 1,5-1,8 мкм. В присутствии соли серебра наблюдалось появление атипичных клеток, отличающихся неровными краями и крупными размерами (до 3,8 мкм). В присутствии солей меди и кадмия наблюдалось так же появление крупных клеток, с неровными краями, и, кроме того, не типичное для данной культуры, образование небольших отдельных скоплений трихом (при концентрации 0,2 мг/л). В присутствии соли свинца было обнаружено появление очень крупных клеток (до 4 мкм х 2 мкм). Кроме того, нередко встречались трихомы, «распадающиеся» на отдельные клетки и короткие цепочки клеток. Данная особенность была отмечена при следующих концентрациях AgN03: 0,2 мг/л, 2 мг/л; при 0,2 мг/л Си804; при 0,02 мг/л РЬ(СН3СОО)2.
Таким образом, в ходе предварительной оценки токсичности тяжелых металлов отмечена устойчивость исследуемой культуры циано-бактерий к воздействию ионов свинца. В связи с этим, следующим этапом исследований являлось определение влияния ионов свинца на некоторые физиологические параметры нитчатых цианобактерий
Для этого использовали жидкие минеральные среды ВО-11, содержащие концентрации 1, 5, 10 ПДК ионов свинца. В конце инкубации оценивали прирост биомассы и содержание хлорофилла а и каротиноидов. Длительность эксперимента составила 30 дней.
Отмечена чувствительность физиологических параметров исследуемых цианобактерий к токсическому действию тяжелых металлов. При этом различные концентрации токсикантов по-разному влияли на синтез пигментов и накопление биомассы (табл. 1).
Выявлено, что ионы свинца в концентрации 5 ПДК максимально стимулируют накопление биомассы цианобактериями. Прирост биомассы более чем в 2 раза выше, чем в контроле.
Вместе с тем, отмечено, что увеличение концентрации свинца способствует снижению концентрации фотосинтетических пигментов. При
Биологические науки
Таблица 1 - Влияние ионов свинца на некоторые физиологические параметры нитчатых цианобактерий
Концентрация, ПДК Прирост биомассы Хлорофилл а, мг/г Каротиноиды, мг/г
Контроль 0,5 0,081 0,155
1 0,635 0,044 0,032
5 1,115 0,049 0,016
10 0,2 0,019 0,006
концентрации свинца в 1 и 5 ПДК уменьшение содержания хлорофилла а происходит практически в 2 раза, а при 10 ПДК - в 4.
Содержание каротиноидов более чувствительно к воздействию ионов свинца. При возрастании концентрации от 1 до 10 ПДК происходит снижение содержания каротиноидов от 5 до 25 раз.
Таким образом, в ходе исследований отмечено, что токсическое действие ионов свинца на цианобактерии сопровождается морфологическими и физиологическими изменениями в клетках. Под действием свинца происходило увеличение
клеток цианобактерий, распад нитей на фрагменты, а так же изменение расположения трихом относительно друг друга. Отмечена адаптация цианобактерий к данному тяжелому металлу, что выражается в увеличении биомассы и изменении фотосинтетической системы. Выявлено, что концентрация ионов свинца 5 ПДК стимулирует увеличение биомассы (более чем в 2 раза, по сравнению с контролем). При этом, выявлено угнетающее действие ионов свинца на содержание фотосинтетических пигментов: хлорофилла а и каротиноидов.
13.09.2017
Список литературы:
1. Будников, Г.К. Тяжелые металлы в экологическом мониторинге водных систем // Соросовский образовательный журнал. -1998. - №5. - С. 23-29.
2. Луковникова Л.В. Металлы в окружающей среде, проблемы мониторинга // Эфферентная терапия. -2004. - Т.10. - С. 74-79.
3. Шилов B.B. Токсикология свинца [Текст] : пособие для врачей - СПб. : Издательство Политехнического университета, 2010. - 28 с.
4. Богачева, А.С. Чувствительность цианобактерий к токсическому действию солей тяжёлых металлов.- Автореф. дис. ... канд. биол. наук. - Санкт - Петербург, 2011. - 24 с.
5. Черникова, А.А. Накопление меди и марганца в клетках цианобактерии Spirulina platensis. - Автореферат дисс. канд. биол. наук. - Москва, 2009. - 18с.
6. Vijayakumar, S. Potential applications of Cyanobacteria in industrial effluents - a review // Bioremediation & Biodegradation. -2012. - Vol.3/ - Issue 6.- http://dx.doi.org/10.4172/2155-6199.1000154
7. Priyadarshani I., Rath B. Effect of heavy metals on cyanobacteria of Odisha coast // Journal of Microbiology and Biotechnology Research. - 2012. - 2(5). - p. 665-674.
8. Penfu Li, Stephen E. Harding, Zhili Liu Cyanobacterial exopolysaccharides: their nature and potential biotechnological applications // Biotechnology and Genetic Engineering Revies. - 2001/ - Vol.18. - P.375-405.
9. Shukla M.K., Tripathi R.D., Sharma N., Dwiweidi S., Mishra S., Singh R., Shukla O.P., Rai U.N. Responses of cyanobacterium Anabaena doliolum during nicel stress // Journal of Environmental Biology. - 2009. - 30 (5). - P. 871-876/
10. Morin, A. Empirical models predicting primary productivity from chlorophyll a and water temperature for stream periphyton and lake and ocean phytoplankton //Journal of the North American Benthological Society. - 1999. - P. 299 -307.
11. Бреховских А.А. Защитные механизмы автотрофной цианобактерии Nostoc muscorum от токсического воздействия ионов кадмия. - Автореферат дис. канд. биол. наук. - Москва, 2006. - 26с.
12. Багаева, Т.В. Микробиологическая ремедиация природных систем от тяжелых металлов : учеб. - метод. пособие - Казань : Казанский университет, 2013. - 56 с.
13. Горностаева, Е.А. Влияние ионов меди и никеля на почвенные цианобактерии и цианобактериальные сообщества. - Диссертация ... канд. биол. наук. - М., 2015. - 189 с. - Библиогр. : с. 160-189.
14. Vernon, L.P. Spectrophotometry determination of chlorophylls and pheophytins in plant extracts // Anal. Chemystry.- 1960. -Vol.32. - p. 1144-1150.
15. Wettstein P. von Chlorofyll - letal und submiscipische Form wechsel der Plastiden // Exp. Cell Res. - 1957. - V.12, No4. - P.427 -431.
Сведения об авторе:
Гальперина Алина Равильевна, доцент кафедры прикладной биологии и микробиологии Института рыбного хозяйства, биологии и природопользования Астраханского государственного технического университета,
кандидат биологических наук E-mail: [email protected] 414056, г. Астрахань, ул. Татищева, 16
