Влияние соединений свинца на альго-цианобактериальное сообщество серой лесной почвы тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 03.02.03, кандидат наук Темралеева, Анна Дисенгалиевна

  • Темралеева, Анна Дисенгалиевна
  • кандидат науккандидат наук
  • 2013, Пущино
  • Специальность ВАК РФ03.02.03
  • Количество страниц 171
Темралеева, Анна Дисенгалиевна. Влияние соединений свинца на альго-цианобактериальное сообщество серой лесной почвы: дис. кандидат наук: 03.02.03 - Микробиология. Пущино. 2013. 171 с.

Оглавление диссертации кандидат наук Темралеева, Анна Дисенгалиевна

Введение

5

Глава 1. Почвенные водоросли (обзор литературы) 10

1.1. Использование водорослей для биологического контроля 13 загрязненных сред

1.2. Влияние тяжелых металлов на водоросли 16

1.3. Внеклеточные и внутриклеточные механизмы устойчивости 17 водорослей к действию тяжелых металлов

Глава 2. Материалы и методы исследований 29

2.1. Пробоотбор и подготовка почвы для анализа 29

2.2. Метод чашечных культур со «стеклами обрастания» 29

2.3. Метод водно-почвенных культур 30

2.4. Методики изучения почвенных водорослей 32

2.5. Методики проведения физико-химического анализа 34

2.6. Статистический анализ данных 35

Глава 3. Оценка влияния свинца на почвенные водоросли: метод 36 чашечных культур со «стеклами обрастания»

3.1. Таксономическая структура и обилие водорослей 36

3.2. Спектр жизненных форм водорослей 47

Глава 4. Оценка влияния свинца на почвенные водоросли: метод 56 водно-почвенных культур

4.1. Влияние свинца на состояние АЦС 56

4.1.1. Таксономическая структура и обилие водорослей 56

4.1.2. Спектр жизненных форм водорослей 69

4.1.3. Морфологические изменения водорослей 73

4.1.4. Пигментный анализ 76

4.2. Влияние соединений свинца на свойства жидкой фазы 85

водно-почвенной культуры

4.2.1. Свинец 85

4.2.2. рН 88

4.2.3. Растворенное органическое вещество 90 4.3. Комплексное влияние физико-химических характеристик 93

водно-почвенной культуры на состояние АЦС

Глава 5. Особенности изучения почвенных водорослей в 96 экотоксикологических экспериментах

5.1. Выбор метода культивирования АЦС 96

5.2. Выбор тест-критерия оценки состояния АЦС 99

5.3. Влияние формы свинца на почвенные водоросли 101

5.4. Оценка устойчивости водорослей к стрессу: Chlorophyta vs. 104 Cyanobacteria

5.5. Рекомендации по использованию почвенных водорослей в 109 экотоксикологических экспериментах

Выводы 111

Список литературы 113

Приложения 142

Рекомендованный список диссертаций по специальности «Микробиология», 03.02.03 шифр ВАК

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Влияние соединений свинца на альго-цианобактериальное сообщество серой лесной почвы»

Введение

Актуальность исследования. Осуществление профилактических и защитных мероприятий по охране окружающей среды (ОС) и здоровья населения приобрело в наше время характер актуальнейших задач государственного масштаба (ФЦП РФ: «Национальная система химической и биологической безопасности Российской Федерации (2009 - 2013 годы)», «Снижение рисков и смягчение последствий чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера в Российской Федерации до 2015 года»; Указ Президента РФ «Основы экологической политики Российской Федерации на период до 2030 года»). Однако, современная система контроля за состоянием ОС, основанная на нормативах предельно допустимых концентраций загрязняющих веществ, не позволяет охватить всего их многообразия, учесть сочетанный эффект действия загрязнителей и, как следствие, не может дать актуальную оценку состояния живых организмов и экосистем в целом, а также прогнозировать их структурно-функциональные изменения. В связи с этим в настоящее время возрастает интерес к методам биодиагностики состояния сред, среди которых особое место занимает почва - главный биогеохимический барьер на пути миграции загрязнителей в сопредельные среды. Тем не менее, разработка экологических нормативов применительно к почвам значительно отстает от создания таковых для других сред (атмосфера, водные системы), что связано со сложностью и неоднородностью почвы как объекта. Для диагностики загрязненных почв используется широкий ряд организмов: зеленые водоросли, дафнии, инфузории, высшие растения и др. Однако, подавляющее большинство этих тест-организмов представляют собой типичных гидробионтов, не характерных для почв. Перспективность использования микроорганизмов для биодиагностики загрязненных почв показана в ряде исследовательских работ (Звягинцев и др., 1989; Гузев, Левин, 1991; Кабиров и др., 1997; Список ..., 1998; Полянская, Звягинцев, 2005; Терехова, 2007; Домрачева и др., 2008). Почвенные водоросли sensu lato

составляют неотъемлемую часть эдафона, имеют многочисленные трофические и топические связи, участвуют в почвообразовательном процессе, обладают специфической чувствительностью к различным видам антропогенного воздействия и быстрой ответной реакцией на изменение экологической ситуации, хорошо растут в лабораторных условиях и удобны в работе (Мейт§, 1981; .ГоЬашеп, 8ЬиЬег1 2001; Ьике§оуа 2001; Кабиров, 2007). В связи с этим, почвенные водоросли как объекты биодиагностики представляют значительный научный и практический интерес. Однако важно изучать не выборочные реакции отдельных представителей почвенной альгофлоры на загрязнение, а комплекс показателей на разных уровнях организации альго-цианобактериального сообщества (АЦС).

Кроме того, в приоритетном списке загрязнителей почвы одно из первых мест занимает свинец, вследствие широкого использования, высокой токсичности и способности к аккумуляции в цепях питания живых организмов. В отличие от органических загрязнителей, тяжелые металлы (ТМ), в том числе и свинец, не разрушаются и способны только перераспределяться между компонентами природной среды (Черных и др., 2001), таким образом, разработка научных основ биодиагностики загрязненной ТМ почвы на основе реакции АЦС является актуальной научной задачей.

Цель исследования - оценка влияния различных соединений свинца на состояние альго-цианобактериального сообщества серой лесной почвы в модельных экспериментах.

Для достижения цели были поставлены следующие задачи:

1. Изучить воздействие различных соединений свинца на почвенные водоросли по изменению структурно-функциональных показателей на различных уровнях организации АЦС: молекулярно-клеточном, организменном и ценотическом.

2. Выявить устойчивые к загрязнению виды почвенных водорослей.

3. Определить наиболее диагностически значимые показатели состояния

АЦС.

4. Оценить прямое и косвенное влияние химической формы свинца на реакцию АЦС.

5. Разработать систему оценки влияния соединений свинца на АЦС на основе метода водно-почвенного культивирования водорослей, обосновать преимущества использования данного метода в экотоксикологических экспериментах, сравнив его с методом чашечных культур со «стеклами обрастания».

Научная новизна. Впервые использовали метод водно-почвенных культур в экотоксикологических экспериментах для изучения влияния соединений свинца на состояние почвенного АЦС. Разработана, обоснована и апробирована методика, позволяющая в близких к естественным почвенным условиям получить достаточную биомассу водорослей для определения реакции АЦС на молекулярно-клеточном, организменном и ценотическом уровнях. Впервые изучено влияние разных химических форм свинца и физико-химических свойств культуральной среды на таксономическую структуру и функциональное состояние АЦС серой лесной почвы.

Практическая значимость работы. Полученные результаты о влиянии соединений свинца на структурно-функциональные показатели АЦС серой лесной почвы могут быть использованы как научная основа для разработки методик альгодиагностики по оценке состояния почв. По итогам работы даны практические рекомендации по использованию АЦС в экотоксикологических экспериментах: по срокам пробоотбора почвы, по учету влияния химической формы металла, о необходимом уровне точности при таксономическом определении почвенных водорослей, по пробоподготовке почвенно-альгологических проб, а также по модификации метода чашечных культур со «стеклами обрастания». Полученные данные могут быть использованы в учебных курсах по экотоксикологии, экологии микроорганизмов и почвенной альгологии.

Публикации по теме диссертации. По теме диссертации опубликовано 24 работы, в том числе 2 статьи в рецензируемых журналах, входящих в

перечень ВАК, 2 статьи в коллективных монографиях и 20 публикаций в сборниках тезисов и материалах российских и международных конференций.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав и выводов, изложена на 141 странице текста и 28 страницах приложений, сопровождается 33 иллюстрациями и 23 таблицами. Список литературы включает 306 наименований, из них 230 - на иностранном языке.

Благодарности. Автор выражает сердечную благодарность своему научному руководителю, заведующему лабораторией физико-химии почв ИФХиБПП РАН, проф., д.б.н. Давиду Лазаревичу Пинскому за помощь в планировании эксперимента, обсуждении материала и всестороннюю поддержку при написании работы. Огромную признательность хотелось бы высказать заведующей Отделом флоры и растительности Севера к.б.н., доценту Е.Н. Патовой (Институт биологии Коми НЦ УрО РАН) за помощь при проведении исследований и консультации при определении видов почвенных водорослей. Данная работа была бы невозможна без неоценимой помощи в микробиологической практике с.н.с. лаборатории криологии почв Е.В. Спириной (Институт физико-химических и биологических проблем почвоведения РАН), без детальных советов по статистической обработке данных к.б.н. В.Э. Смирнова (Институт математических проблем биологии РАН), а также без практических рекомендаций сотрудников лаборатории реликтовых микробных сообществ д.б.н. Л.М. Герасименко и к.б.н. В.К. Орлеанского (Институт микробиологии им. С.Н. Виноградского РАН). Огромное спасибо к.б.н. И.В. Новаковской (Институт биологии Коми НЦ УрО РАН) за помощь в определении сложных в таксономическом отношении видов зеленых водорослей. Особое влияние на научные взгляды и квалификацию автора оказал углубленный курс подготовки по определению почвенных и аэрофитных желто-зеленых, эустигмафитовых и зеленых микроводорослей под руководством проф., д.б.н. Игоря Юрьевича Костикова (Киевский национальный университет им. Тараса Шевченко) и Determination Course of Freshwater and Terrestrial Cyanobacteria под руководством профессора Jin

Кошагек (Южночешский университет, ЛИосеэка итуегека). Автор благодарит также сотрудников Центра коллективного пользования научным оборудованием Института физико-химических и биологических проблем почвоведения РАН и Института фундаментальных проблем биологии за проведение аналитических работ, сотрудников лаборатории физико-химии почв - за обсуждение эксперимента и поддержку. Особые теплые слова благодарности хочу сказать своей семье за терпение и понимание.

Глава 1. Почвенные водоросли (обзор литературы)

Водоросли sensu lato представлены эукариотическими водорослями и цианобактериями и являются гетерогенной экологической группой фототрофных одноклеточных, колониальных или многоклеточных организмов. В систематическом отношении прокариотические водоросли (цианобактерии) рассматриваются как организмы «двойной принадлежности» и могут описываться по правилам Международного кодекса номенклатуры бактерий или Ботанического кодекса (цит. по: Ефимова, Ефимов, 2007). Под термином «почвенные водоросли» обычно понимают совокупность нескольких экологических группировок водорослей, включающую наземные водоросли, которые лишь при благоприятных условиях разрастаются в массовых количествах на поверхности почвы, водно-наземные, разрастающиеся на поверхности постоянно влажной почвы, и собственно почвенные водоросли, населяющие толщу почвенного слоя (Зенова, Штина, 1990).

Показано, что почвенные водоросли нельзя рассматривать как некий остаток водных группировок или случайно попавшие в почву гидрофильные водоросли. В почве сформировалась специфическая альгофлора, систематический состав которой более ограничен по сравнению с альгофлорой водоемов. Многие таксоны, включая отделы водорослей, не встречаются в почвах. Но и большое число видов зеленых и желто-зеленых водорослей обнаружены только в почвах, например, Chlorococcum humicola (Nag.) Rab., Bumilleria sicula Borzi, Protosiphon botryoides (Kützing) Klebs, ряд видов родов Botrydium Wallroth, Botridiopsis Borzi, Microcoleus Desmaz и др. Одной из ярких флористических особенностей почвенных сообществ водорослей является высокое видовое разнообразие желто-зеленых, на долю которых приходится в среднем 12 %, а в лесных почвах — до 24 % общего числа видов, в то время как в водоемах желто-зеленые водоросли составляют обычно 1-3 % общего числа видов (цит. по: Водоросли, 1989).

Почва как биотоп имеет некоторые особенности местообитания, к которым у водорослей сформировались морфологические и физиологические приспособления.

Непрозрачность почвы оказывает решающее воздействие на развитие водорослей. Интенсивное развитие водорослей как фототрофных организмов возможно только в пределах проникновения света. В целинных почвах это поверхностный слой почвы толщиной до 1 см, в обрабатываемых почвах он немного толще (Штина, Голлербах, 1976). С глубиной резко падает как численность, так и видовое разнообразие водорослей. По-видимому, в более глубокие горизонты водоросли заносятся с поверхности путем вмывания, а также почвенными животными и корнями растений. Однако в толще почвы, куда не проникает свет, жизнеспособные водоросли обнаруживаются на глубине до 2 м в целинных почвах и до 2,7 м в пахотных. Это объясняется способностью некоторых водорослей переходить в темноте к гетеротрофному питанию. Правда, их гетеротрофный рост в темноте идет значительно медленнее, чем автотрофный рост на свету. Многие водоросли, несмотря на способность к усвоению органических веществ, нуждаются в свете и в почве сохраняются лишь в покоящемся состоянии. Поэтому в глубоких слоях почвы обнаруживается сравнительно небольшое число видов, преимущественно одноклеточные зеленые и желто-зеленые водоросли.

Низкая влажность почвы приводит к формированию комплекса морфологических и физиологических приспособлений для поглощения, удержания воды и сохранения жизнеспособности почвенных водорослей при засухе:

1. Важную роль в засухоустойчивости почвенных водорослей играет способность к обильному образованию слизи - слизистых колоний, чехлов и обверток, состоящих из гидрофильных коллоидных полисахаридов, а также к ослизнению клеточных оболочек. Благодаря наличию слизи, водоросли способны быстро поглощать и удерживать большие количества воды, которые во много раз превышают их сухую массу (Штина, Голлербах, 1976).

2. Малые размеры почвенных водорослей обеспечивают более легкое перемещение в почве и распространение с пылью, большую водоудерживающую способность и засухоустойчивость. Например, в дерново-подзолистой почве (Зенова, Штина, 1990) клетки с диаметром менее 10 мкм составляют около 60% от общего количества клеток.

3. У многих почвенных водорослей отсутствуют зооспоры, жгутиковые формы обладают слабой подвижностью. Период увлажнения после засухи приводит к быстрому образованию гамет и зооспор, например у зеленых, которые обладают фототаксисом и распространяются на поверхности почвы (Зенова, Штина, 1990).

4. «Эфемерность» вегетации - способность почвенных водорослей быстро переходить из состояния покоя к активной вегетации и, наоборот, без образования особых стойких спор и специфических стадий. Так, например, корочки водорослей на почве, высыхающие в сухие периоды, начинают расти уже через несколько часов после увлажнения (Штина, Голлербах, 1976).

5. Протопласт некоторых почвенных водорослей обладает физиолого-биохимическими особенностями: вязкость протоплазмы и устойчивость против плазмолиза; высокая концентрация клеточного сока и относительно высокое содержание связанной воды в клетке; отсутствие крупных вакуолей и большая сосущая сила, позволяющая использовать даже гигроскопическую влагу воздуха; накопление масла. В целом, эти особенности обеспечивают высокую засухоустойчивость даже видам, не имеющим чехлов (Зенова, Штина, 1990).

5. Снижение интенсивности дыхания в клетке по мере ее обезвоживания. При этом дыхание сохраняет свою энергетическую полноценность, что видно по количеству органического кислоторастворимого фосфора, который не разрушается при высыхании у пойкилоксерофитов (Зенова, Штина, 1990).

Чтобы защититься от сильной инсоляции, во многих случаях у водорослей, обитающих на поверхности почвы, имеются темные слизистые чехлы вокруг клеток.

Кроме того, особое значение в жизнедеятельности водорослей в почве как в среде с микрозональным строением, где питательные вещества распределены гетерогенно, имеет морфологическая структура. Так, монадная (жгутиковая) структура позволяет одноклеточным или колониальным водорослям, имеющим 1-2-несколько жгутиков, активно передвигаться. Нитчатые водоросли, используя слизь, также способны преодолевать микрозоны без источников питания и искать более благоприятные условия. В целом, движение с помощью жгутиков или скользящее движение нитей помогает организмам выбирать оптимальную для жизни зону, а также способствует их расселению.

Благодаря вышеперечисленным адаптациям, почвенные водоросли способны существовать даже в крайне экстремальных условиях среды, повсеместно распространены в биосфере и мгновенно разрастаются даже при кратковременном появлении благоприятных факторов.

Похожие диссертационные работы по специальности «Микробиология», 03.02.03 шифр ВАК

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Темралеева, Анна Дисенгалиевна, 2013 год

273. Sutherland I.W. Structure-function relationships in microbial exopolysaccharides // Biotechnol. Adv. 1994. N 12. P. 393-448.

274. Sutherland I.W. Extracellular polysaccharides // Biotechn. 1996. N 6. P. 615-657.

275. Suzuki L., Johnson C.H. Algae know the time of day: circadian and photoperiodic programs // J.Phycol. 2001. N 37. P. 933-942.

276. Takamura N., Kasai F., Watanabe M.M. Effects of Cu, Cd, and Zn on photosynthesis of freshwater benthic algae // J. Appl. Phycol. 1989. N 1. P. 39-52.

277. Tripathi B.N., Mehta S.K., Amar A., Gaur J.P. Oxidative stress in

i i* i

Scenedesmus sp. during short- and long-term exposure to Cu and Zn // Chemosphere. 2006. N 62. P. 538-544.

278. Trzcinska M., Pawlik-Skowronska B. Soil algal communities inhabiting zinc and lead mine spoils. 2008. J. Appl. Phycol. 20:341-348

279. Tsuji N., Nishikori S., Iwabe O. et al. Characterization of phytochelatin synthase-like protein encoded by alr0975 from a prokaryote, Nostoc sp. PCC 7120 // Biochem. Biophys. Res. Commun. 2004. N315. P. 751-755.

280. Tsujimura S., Nakahara H., Ishida N. Estimation of soil algal biomass in salinized irrigation land: a comparison of culture dilution and chlorophyll a extraction methods // J. of Appl. Phycology. 2000. N 12. P. 1-8.

281.Tsuneda S., Aikawa H., Hayashi H. et al. Extracellular polymeric substances responsible for bacterial adhesion onto solid surface. FEMS Microbiol. Lett. 2003. N 223. P. 287-292.

282. Tsuzuki M., Miyachi S. C02 syndrome in Chlorella II Can. J. Bot. 1991. N69. P. 1003-1007.

283.Ueno R. Visualization of sporopollenin-containing pathogenic green microalga Prototheca wickerhamii by fluorescent in situ hybridization (FISH) // Can. J. Microbiol. 2009. Vol. 55(4). P. 465-472.

284. Ullrich S.M., Ramsey M.H., Helios-Rybicka E. Total and exchangeable concentrations of heavy metals in soils near Bytom, an area of Pb/Zn mining and smelting in Upper Silesia, Poland // Appl. Geochem. 1999. N 14. P. 187-196.

285. Unraveling the algae: the past, present, and future of algal systematics / J. Brodie, J. Lewis (eds.). Boca Raton, FL: Taylor and Francis Group LLC, 2007.

286. USEPA Toxic substances control act test guidelines; final rules. Federal Register. 1985. Vol. 50(188).

287. Valdor R., Aboal M. Effects of living cyanobacteria, cyanobacterial extracts and pure microcystins on growth and ultrastructure of microalgae and bacteria // Toxicon. 2007. N 49. P. 769-779.

288. Vincent W.F., Quesada A. Ultraviolet radiation effects on cyanobacteria: implications for Antarctic microbial ecosystems // Ultraviolet radiation in Antarctica: measurements and biological effects / C.S. Weiler, P.A. Penhale (eds.). Washington DC: American Geophysical Union, 1994. Antarct Res Ser 62. P. 111- 124.

289. Vincent W.F., Mueller D.R., Bonilla S. Ecosystems on ice: the microbial ecology of Markham Ice Shelf in the high Arctic // Cryobiology. 2004. N 48. P. 103112.

290. Visiviki I., Rachlin J.W. Acute and chronic exposure of Dunaliella salina and Chlamydomonas bullosa to copper and cadmium: effects on ultrastructure // Arch. Environ. Contam. Toxicol. 1994. N 26. P. 154-162.

291. Volk R.-B. Antialgal activity of several cyanobacterial exometabolites // J. Appl. Phycol. 2006. N 18. P. 145-151.

292. Wang S., Shi, X. Molecular mechanisms of metal toxicity and carcinogenesis // Mol. Cell Biochem. 2001. N 222. P. 3-9.

293. Wang T.C., Weissman J.C., Ramesh G. et al. Heavy metal binding and removal by Phormidium II Bull. Environ. Contam. Toxicol. 1998. N 60. P. 739-744.

294. Wei D., Kisuno A., Kameya T., Urano K. A new method for evaluating biological safety of environmental water with algae, daphnia and fish toxicity ranks // Sci. of the Total Environ. 2006. N 371. P. 383-390.

295. Weiss C., Weiss U., Kugel H., Gimmler H. Acid resistance and the CO2-conductance of the plasma membrane of Dunaliella acidophila II Current Research in Photosynthesis / M. Baltscheffsky (ed.). Dordrecht: Kluwer Academic Publishers, 1990. Vol. IV. P. 769-772.

296. Weissman Z., Berdicevsky I., Cavari B.Z., Kornitzer D. The high copper tolerance of Candida albicans is mediated by a P-type ATPase // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 2000. N 97. P. 3520-3525.

297. Welman A.D., Maddox I.S. Exopolysaccharides from lactic acid bacteria: perspectives and challenges // Trends Biotechnol. 2003. N 21. P. 269-274.

298. Winterbourn C.C. Superoxide-dependent formation of hydroxyl radicals in the presence of iron salts is a feasible source of hydroxyl radicals in vivo II Biochem. J. Lett. 1982. N 205. P. 461-463.

299. Wu Z.-X., Song L.-R. Physiological comparison between colonial and unicellular forms of Microcystis aeruginosa Kiitz. (Cyanobacteria) // Phycologia. 2008. Vol 47(1). P. 98-104.

300. Xiang C., Werner B.L., Christensen E.M., Oliver D.J. The biological functions of glutathione revisited in Arabidopsis transgenic plants with altered glutathione levels // Plant Physiol. 2001. N 126. P. 564-574.

301.Zancan S., Trevisan R., Paoletti M.G. Soil algae composition under different agro-ecosystems in North-Eastern Italy // Agricult. Ecosys. Environ. 2006. Vol. 112, N l.P. 1-12.

302. Zechmann B., Tomasic A., Horvat L., Fulgosi H. Subcellular distribution of glutathione and cysteine in cyanobacteria // Protoplasma. 2010. N 246. P. 65-72.

303. Zenk M.H. Heavy metal detoxification in higher plants - a review // Gene. 1996. N 179. P. 21-30.

304. Zhingang I., Li P., Liu Zh., Liu X. Selenium uptake by and binding to soluble fraction of Spirullina maxima, S. platensis and S. subsalva II Oceanol. and Limnol. 1997. Vol. 28, N 4. P. 363-370.

305. Zhou W., Juneau P., Qiu B. Growth and photosynthetic responses of the bloom-forming cyanobacterium Microcystis aeruginosa to elevated levels of cadmium // Chemosphere. 2006. N 65. P. 1738-1746.

306. Zutshi S., Choudhary M., Bharat N. Evaluation of antioxidant defense responses to lead stress in Hapalosiphon fontinalis-3391 II J. Phycol. 2008. N 44. P. 889-896.

Обратите внимание, представленные выше научные тексты размещены для ознакомления и получены посредством распознавания оригинальных текстов диссертаций (OCR). В связи с чем, в них могут содержаться ошибки, связанные с несовершенством алгоритмов распознавания. В PDF файлах диссертаций и авторефератов, которые мы доставляем, подобных ошибок нет.