Влияние тяжелых металлов на микроскопическую водоросль

Кисляков Александр Сергеевич
ФГБОУ ВПО Башкирский государственный педагогический университет им.
М.Акмуллы, г. Уфа, Россия
Сафиуллина Л.М., к.б.н., ФГБОУ ВПО Башкирский государственный
педагогический университет им. М.Акмуллы, кафедра ботаники, биоэкологии и
ландшафтного проектирования
ВЛИЯНИЕ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ НА МИКРОСКОПИЧЕСКУЮ
ВОДОРОСЛЬ VISCHERIA HELVETICA (VISCHER & PASCHER) HIBBERD
(EUSTIGMATOPHYTA)
Среди разнообразных загрязняющих веществ тяжелые металлы (ТМ) и их
соединения выделяются распространенностью, высокой токсичностью и
способностью к накоплению в живых организмах. Воздействие человека на
окружающую среду привело к появлению тяжелых металлов (или повышению
их локальной концентрации) в почве. Содержание различных металлов в
окружающей среде варьирует в широких пределах. Так, в почве концентрация
кадмия достигает 6×10-2 мг×г-1, кобальта 1 – 300 мг×г-1, обычно 10 – 15 мг×г-1,
меди 5 – 5000 мг×г-1, железа 200 мг×г-1 – 100 г×кг-1, никеля 40 мг×г-1, свинца 10
мг×г-1, цинка 2 – 50 мг×г-1 [2].
Загрязнение почвы труднее поддается оценке, чем воды или воздуха,
поэтому особое значение приобретает биологический мониторинг. В условиях
интенсивного загрязнения среды металлами микроскопические водоросли
можно использовать для оценки количественных параметров данного явления,
так как они имеют ряд преимуществ: 1) относительно легко идентифицируются
до вида, что дает возможность анализа альгофлоры разных почв; 2) быстро
реагируют на изменение почвенных условий; 3) культивирование водорослей
отличается простотой и дешевизной; 4) как фототрофы они сходны с высшими
растениями по реакции на состояние почвы и т.д. [8].
Почвенные
водоросли,
являясь
обязательным
компонентом
эдафофильных ценозов, подвергаются влиянию ТМ. Токсическое воздействие
ТМ
на
разные
группы
водорослей
подтверждается
многочисленными
литературными данными [1; 5; 3; 6; 7]. Следует отметить, что исчезновение из
альгологруппировок желтозеленых водорослей может служить одним из
сигналов о загрязнении почвы тяжелыми металлами [4].
Цель
работы
заключалась
в
исследовании
влияния
ТМ
на
микроскопическую водоросль Vischeria helvetica (Eustigmatophyta). В связи с
целью были поставлены следующие задачи: 1. Основываясь на источники
литературы выработать методику постановки эксперимента; 2. Оценить
влияние ТМ и установить границы сохранности морфологического статуса V.
helvetica; 3. Установить ряд токсичности исследуемых металлов.
Объектом исследования являлся аутентичный штамм микроскопической
водоросли Vischeria helvetica ACKU № 703-06 (orig. SAG 876-1) из коллекции
КНУ им. Т. Шевченко, любезно предоставленного профессором И.Ю.
Костиковым. Изначально, V. helvetica был отнесен к представителям отдела
Xantophyta, но в 1970 году основываясь на цитологических признаках Д.
Хибберд и Г. Лидейле, выделили его и ряд других видов из желтозеленых в
самостоятельную группу эустигматофитовых водорослей [10; 11].
В основополагающей статье Д. Хибберда имеется следующее описание
вида V. helvetica: Клетки в основном сферической формы и имеют шиповидные
наросты, из-за чего иногда кажутся угловатыми. Из-за наростов они могут
иметь почти треугольную форму. Клеточная стенка твердая и гладкая, а у
старых клеток почти блестящая. Хлоропласт рассеченный, иногда полностью
разделен. Клетки 7-17 мкм в диаметре. Встречаются в разных типах почвы, на
территории Германии, Чехословакии, Англии [9].
В
нашем
исследовании
все
испытания
проводились
в
жидкой
питательной среде 3NBBM. При подготовке растворов химических веществ,
готовили питательную среду и добавляли в нее исследуемое на токсичность
вещество [4].
Для
выявления
размерных
или
морфологических
изменений,
происходящих в клетках, под воздействием ТМ оценивали диаметр клеток
водоросли, описывали морфологические нарушения, а также состояние
протопласта, т.е. внутреннего содержимого клеток. Изучали влияние нитратов
свинца, железа, кадмия, никеля и кобальта на морфологические признаки
водоросли. Испытывали концентрации 1×10-10 – 1 моль/л металла. Расчет
производили по действующему веществу. Просмотр осуществляли на 3, 7, 14,
21, 28 сутки, измеряли диаметр 50 вегетативных клеток. Всего по влиянию
экологических факторов было изучено 13750 особей Visheria helvetica.
Просмотр проводили с использованием микроскопа Axio Imager A2 с
реализацией дифференциально-интерференционного контраста с камерой Axio
Cam MRC при увеличении ×1000.
В ходе исследования было выявлено, что самым токсичным металлом
оказалось железо. Гибель клеток наступала при концентрациях от 1×10-6
моль/л. Концентрация 1х10-9 моль/л вызывала плазмолиз и деформацию
хлоропласта водоросли. В концентрации 1х10-7 моль/л клетки приобрели
причудливые формы. На втором месте по токсичности были свинец и никель,
гибель водоросли в обоих металлах наступала при концентрации 1×10-4 моль/л.
При внесении свинца, клетки в отличие от других солей ТМ увеличивались в
размере, достигая 20 мкм в диаметре. Никель вызывал образование большого
количества капель масла в клетках. В целом же морфологические нарушения,
вызванные свинцом, были намного сильнее, что выражалось в плазмолизе
живых клеток и сильной деформации оболочек мертвых клеток. Следующими
по токсичности были кадмий и кобальт, гибель клеток при внесении этих
металлов наступала в концентрации 1×10-3 моль/л. При внесении кадмия в
концентрации 1х10-9 моль/л на 3-и сутки эксперимента массово появились
зооспоры. В концентрациях кадмия 1х10-4 и 1х10-5 были отмечены сильные
морфологические изменения клеток, которые выражались наличием большого
количества капель масла в клетках и сильным плазмолизом. Кобальт вызывал
наименьшее нарушение морфологии клеток V. helvetica, которые наблюдались
только при высоких концентрациях металла.
Результаты исследований показали, что в зависимости от концентраций
ставших губительными для Visheria helvetica тяжелые металлы имели
следующий ряд токсичности: Fe>Pb,Ni>Cd,Co. Однако, по морфологическим
нарушениям, вызванным влиянием этими металлами, можно было установить,
что никель влиял на клетки менее агрессивно, чем кадмий, который приводил
их к сильному плазмолизу, большой концентрации запасных веществ в
протопласте и деформации хлоропласта. Кобальт напротив не вызывал в
клетках сильных морфологических нарушений, а низкие его концентрации
стимулировали
процесс
размножения
водоросли.
В целом
результаты
эксперимента выявили достаточно высокую устойчивость Visheria helvetica к
исследуемым концентрациям тяжелых металлов, что позволяет рекомендовать
данный вид в качестве модельного тест-объекта в биотестировании.
Список использованных источников:
1.
Гайсина JI.A. Биология и экология Xanthonema exile (Klebs) Silva
(Xanthophyceae, Chrysophyta): Автореф. дисс… канд.биол. наук. Уфа, 2000. 17 с.
2.
Жизнь микробов в экстремальных условиях // Под. ред: Д. Кашнера.
М.: Мир, 1981. 520 с.
3.
Зарипова Л.X. Биология и экология почвенной цианобактерии
Cylindrospermum michailovskoense (Cyanoprokaryota) Автореф. дисс... канд.
биол. наук. Уфа. 2009. 17 с.
4.
Кабиров Р.Р. Альготестирование и альгоиндикация (методические
аспекты, практическое использование ) // Башк. пед-т. Уфа. 1995. 124 с.
5.
Прошкина Е.А. Влияние тяжелых металлов на сообщества
почвенных и эпифитных водорослей. Автореф. дис... канд. биол. наук. Уфа.
1997. 20 с.
6.
Сафиуллина Л.М. Морфологическая изменчивость почвенной
водоросли Eustigmatos magnus (B. Petersen) Hibberd (Eustigmatophyta) под
влиянием экологических факторов: Дис….канд. биол. наук. Баш. гос. пед. ун-т.
Уфа. 2009. 23 с.
7.
Фазлутдинова
А.И.
Эколого-флористическая
характеристика
почвенных диатомовых водорослей Южного Урала: Автореф. дисс... канд.
биол. наук. Уфа. 1999. 18 с.
8.
Штина
Э.А.,
Андронова
М.Ф.
Почвенные
водоросли
как
индикаторы загрязнения почвы промышленными выбросами // Биол. почв, инта им. В.В. Докучаева. М. 1983. Вып. 35. С. 68-72.
9.
Hibberd D.J. Notes on the taxonomy and nomenclature of the algal
classes Eustigmatophyceae and Tribophyceae (synonym Xanthophyceae) // Bot.J. of
the Linnean Soc. 1981. 82. P. 93-119.
10.
Hibberd D.J., Leedale G.F. Eustigmatophyceae – a new algal class with
unique organization of the motile cell // Nature. 1970. 225. № 5234. P. 758-760.
11.
Hibberd D.J., Leedale G.F. Observations on the cytology and
ultrastructure of the new algal class, Eustigmatophyceae // Annals of Botany. 1972.
36. P. 49-71.