CC BY
58
НЕКОТОРЫЕ АСПЕКТЫ ВОЗДЕЙСТВИЯ ТОКСИЧЕСКИХ ВЕЩЕСТВ НА МХИ
H.H. Серебрякова
РЦГЭКиМ по Пензенской области ФГУ «ГосНИИЭНП» ул. Ботаническая, д. 30, 440014, Пенза, Россия
Изучен характер воздействия некоторых токсических веществ на биохимические и физиологические процессы мхов. Рассматривается возможность использования мхов в мониторинге состояния окружающей среды в районе строительства объекта по уничтожению химического оружия.
Согласно Федеральному закону «Об уничтожении химического оружия» (1997) и ратифицированной в 1998 г. «Конвенции о запрещении разработки, производства, накопления и применения химического оружия и его уничтожении» в России в 2001 г. была разработана Федеральная целевая программа «Уничтожение запасов химического оружия в Российской Федерации» 11; 21. Согласно указу Президента РФ № 314 от 1995 г. химическое оружие должно уничтожаться в регионах хранения [3]. На территории Пензенской области имеется подобный объект, запасы химического оружия на котором составляют более 17% общих запасов РФ. В основном это фосфорорганические отравляющие вещества: зарин, зоман и Ви-икс.
Проблема воздействия продуктов деструкции реакционных масс, образующихся при уничтожении химического оружия (ХО), а также соответствующих реагентов, на живые системы остается малоизученной [5]. Моноэтаноламин (МЭА) - компонент гидролизующей смеси зарина и зомана. Его ПДК составляет в воде 0,5 мг/л, вещество относится ко 2 классу опасности [4].
В связи с этим оценка воздействия МЭА на живые системы является довольно актуальной при осуществлении мониторинга зоны защитных мероприятий (ЗЗМ) объекта уничтожения химического оружия (ОУХО). Целью работы являлась оценка воздействия различных концентраций МЭА на растения мхов для определения их пороговой чувствительности и выявления закономерностей проявления стрессовых реакций.
В качестве модельного объекта для оценки влияния МЭА на живые системы мы использовали растения мхов. Известно, что загрязнители влияют на растительный организм как биохимические агенты, нарушают ультрамикроскопические структуры клеток, физиологические процессы (рост, развитие, размножение, метаболизм) и морфологические характеристики [8; 9]. Мхи, благодаря простоте организации, одними из первых реагируют на изменение концентрации поллю-тантов в окружающей среде. Им принадлежит существенная роль в процессах первичного перехватывания и аккумулирования различных загрязнителей. Именно поэтому мы и выбрали мхи в качестве модельной группы.
Материал и методика. Для изучения влияния МЭА на физиологические параметры бриофитов были собранны образцы листостебельных мхов Stere-odon pallescens (Hedw.) Mitt., Dicranum polysettim Sw. и Pleurozium schreberi (Brid.) Mitt. Образцы отбирались на экологически благополучной территории государственного природного заповедника «Приволжская лесостепь» (участок «Верховье реки Суры») из сосново-березового сообщества, с учетом гомогенности условий: экспозиции, освещенности породы дерева (для эпифитных видов),
влажности, типа почвы. Это необходимо по причине того, что у видов, произрастающих в разных условиях, отличаются многие физиологические параметры, в частности, содержание пигментов [10]. В лаборатории были созданы оптимальные условия для жизнедеятельности исследуемых видов мхов: температура воздуха 22-23°С, освещенность - 1600 Лк. Образцы весом в 1 г помещали в чашки Петри, предварительно заполненные чистым песком, экспонировали в течение одного часа в созданных условиях, а затем в субстрат добавляли по 10 мл растворов МФК в концентрациях Ю'!, К)'3, Ю~4 моль/л. В контроль добавляли такое же количество дистиллированной воды. Физиологические параметры мхов определяли в интервале одни, пять и десять суток.
Для оценки изменения физиологических и биохимических характеристик растений мхов определяли содержание малонового диальдегида (как показателя стрессовой реакции растения). Параметры состояния фотосинтетическо-го аппарата определяли по содержанию пигментов (хлорофиллов а и Ь и ка-ротиноидов) и уровню флуоресценции хлорофилла. Для определения содержания пигментов использовали стандартную методику спектрофотометрического анализа ацетоновой вытяжки пигментов. Экстракцию пигментов проводили 80% ацетоном [12]. Концентрации хлорофиллов а и Ь и каротиноидов определяли на спектрофотометре СФ-46 ЛОМО. Для определения содержания малонового диальдегида использовали его способность взаимодействовать с 2-тиобарбитуровой кислотой с образованием окрашенного продукта с максимумом поглощения 532 нм. [11]. Измерения проводили на фотометре КФК-3-01. Оценку уровня флуоресценции хлорофилла проводили на приборе «Флюорат-02 ПАНОРАМА». Показатель флуоресценции характеризует интегральное состояние пигментных систем, в частности, интенсивность первичных реакций фотосинтеза, процессы миграции энергии, функциональную активность первой и второй фотосистем [12].
Результаты. При воздействии МЭА в концентрациях - 10~1, 10'3, КН моль/л на вид &егеос1оп раИеэсет складывается определенная закономерность изменения биохимических и физиологических параметров — отмечается разрушение зеленых пигментов, снижение уровня флуоресценции и увеличение содержания’ каротиноидов и малонового диальдегида (рис. 1).
$1агеоЛоп раЦе.чсеш'
£ *Г
33 еч
400
300
200
-200
ю-1
□ хлорофилл а НхлорофюшЬ И уровень флуоресценции Икарошноиды Цмал
Рис. 1. Изменение физиологических и биохимических параметров мха Яеге/н1оп радеем при обработке МЭА в концентрациях 10'1,10-3, НИ моль/л. Планки погрешностей - стандартное ошслонение
Изменения пигментации заметны с первого дня экспозиции — образцы приобретают бурый цвет, что еще раз подтверждает увеличение содержания
каротиноидов. Наибольшие отклонения физиологических и биохимических параметров изучаемого вида 5(егеос1оп раИезсет отмечаются при воздействии МЭА в концентрациях КН и 1(И моль/л. Опираясь на этот факт, можно утверждать, что МЭА является токсичным веществом и при длительном воздействии может привести к гибели растительного организма.
У вида Шсгапит рЫухШт при воздействии МЭА сохраняется тенденция изменения изучаемых параметров, как и у 5шеос1оп раИенсет, но при этом стрессовая реакция протекает более активно, данные по содержанию малонового диальдегида и каротиноидов значительно отклоняются от контрольных результатов. При низкой концентрации МЭА (10-4 моль/л) в среде содержание пигментов остается на том же уровне, что и в предыдущих концентрациях, исключение представляет активность фотосинтетического аппарата - процесс фотосинтеза на 60% интенсивнее, чем в контроле, то есть то количество пигментов, которое осталось, интенсивно функционирует, чтобы защитить растительный организм от стресса. По низкому содержанию малонового диальдегида можно судить об относительно низком уровне стрессовой реакции (рис. 2).
01сгапит ро1уШит
10“
□ хлорофилл а Нкаротиноиды
КГ
■ хлорофилл Ь
■ малоновый диальдегид
КГ*
■ уровень флуоресценции
Рис. 2. Изменение физиологических и биохимических параметров мха Шсгапит ро1узшт при обработке МЭА в концентрациях Ю"1,10'3, 10‘4 моль/л. Плавки погрешностей — стандартное отклонение
В результате наших исследований стрессовых реакций мха вида Р1еигогшт зскгеЬеп оказалось, что МЭА стимулирует синтез малонового диальдегида, а также каротиноидов, особенно это очевидно при воздействии вещества в низких концентрациях (10'3, 1(И моль/л) (рис. 3).
Стрессовая реакция находит свое отражение и в разрушении зеленых пигментов при воздействии трех изученных концентраций вещества и, как следствие этого, — в снижении уровня флуоресценции. Опираясь на подученные данные, очевидно, что вид Р1еиго7,шт ьскгеЬеп чувствителен к токсическому влиянию МЭА, негативные изменения отмечены во всех вариантах опыта.
Таким образом, мы предполагаем, что спектр изученных видов Ркигогшт зсИгеЬеп наиболее чувствителен к воздействию МЭА.
Ркпгоишп зсЬтеЬеп
I 300
о -200
10'1
□ хлорофилл а ■ каротиноиды
103
И хлорофилл Ь ■ мало новый диальде гид
10-4
■ уровень флуоресценции
Рис. 3. Изменение физиологических и биохимических параметров мха Меиготлит зсЬгеЬеп при обработке МЭА в концентрациях 10-1,Ю'-\10*4 моль/л. Планки погрешностей — стандартное отклонение
Обсуждение. Загрязняющие вещества, поступившие в окружающую среду, вызывают развитие стрессовых реакций у растений. Под влиянием загрязнителей происходит нарушение баланса между механизмами, запускающими окислительные реакции, и клеточной антиоксидантной защитой. В результате в тканях повышается концентрация активных форм кислорода, которые вызывают окисление клеточных структур. В первую очередь происходит перекисное окисление мембранных липидов. Оценить интенсивность перекисного окисления липидов можно по накоплению в тканях одного из конечных продуктов этого процесса -малонового диальдегида. Этот бифункциональный альдегид способен образовывать шиффовы основания с аминогруппами белка, выступая в качестве сшивающего агента. В результате образуются нерастворимые белоково-липщдаые комплексы, называемые пигментами изнашивания или липофусцинами [13]. В ходе нашего исследования выяснено, что МЭА во всех концентрациях вызывал синтез малонового диальдегида, причем его содержание прямо коррелировало с концентрацией токсиканта в среде.
Мхи — хлорофиллосодержащие организмы, им присущ жизненно важный процесс фотосинтеза. Одним из показателей физиологического статуса мохообразных является состояние фотосинтетического аппарата, в частности, содержание пигментов: хлорофиллов а и 6, а также каротиноидов. Другой показатель -уровень флуоресценции хлорофилла - излучение световой энергии при переходе фотовозбужденной молекулы пигмента из первого возбужденного состояния в основное, невозбужденное. В ходе нашего исследования оказалось, что уровень флуоресценции, как интегральный показатель состояния фотосинтетического аппарата, ингибируется при концентрации МЭА 10-4 моль/л 10~3 у видов Stereodon раИехсет и Октпит ро1ухеШт, 1СИ моль/л у вида Ркигогшт .чсИгеЬеп. Эти цифры указывают на разные пороги чувствительности мхов и на их различную способность выдерживать присутствие в среде токсиканта.
Заключение. Таким образом, исходя из анализа полученных результатов, можно сделать вывод, что МЭА вызывает стрессовые реакции у изучаемых трех видов бриофитов Stereodon раИеясепя, Лкгапит ро1узеШт, Р1еиго1шт яскгеЬеп в виде нарушения физиологических и биохимических параметров. Наиболее чувствительными видами к воздействию МЭА стали Ркигогшт хскгеЬеп и Ысгапит ро1узейт., тогда как вид Stereodon раИеясет оказался более устойчивым, но также подвержен токсическому воздействию МЭА.
ЛИТЕРАТУРА
1. Федеральный закон «Об уничтожении химического оружии» // Собрание законодательства Российской Федерации. - 1997. - № 18.
2. Федеральная целевая программа «Уничтожение запасов химическою оружия н Российской Федерации». Постановление Правительства Рос. Федерации // Собрание законодательства Российской Федерации. - 2001. - № 29.
3. Указ Президента РФ от 24 марта 1995 г. №314 «О подготовке Российской Федерации к выполнению международных обязательств в области химического разоружения» // Собрание законодательства Российской Федерации. - 1995. - № 13.
4. Александров В.H., Ем&шшов В.И. Отравляющие вещества. — М.: Воениздат, 1990.
5. Ашихлшна Т.Я. Комплексный экологический мониторинг объектов храпения и
уничтожения в зонах химического оружия. - Киров. Вятка, 2002.
6. Черных H.A., Сидоренко С.Н. Экологический мониторинг токсикантов в биосфере. - М.: Изд-во РУДН, 2003.
7. Толстых A.B., Шляхтин Г.В., Иванов К.Н., Завьялов Е.В., Перевозчикова ТВ., Березуц-
кий М.А., Костецкий О.В. Разработка, внедрение и эксплуатация системы биологического мониторинга на объекте по уничтожению химического оружия в Саратовской области // Поволжский экологический журнал. Спец. выпуск. — 2005. - С. 47-63.
8. Голденков В.А., Дикий В.В., Лизунова Г.В. Феномен множественной химической
чувствительности как следствие воздействия свсрхмалых доз веществ // Рос. хим. журн. — 2002. - Т. 46. — № 6. - С. 39—45.
9. Савельева Е.И., Зенкевич И.Г., Кузницова Т.А., Радилов A.C., Пшеничная Г.В. Исследования продуктов превращений фосфорорганических отра вляющих веществ методом газовой хроматографии - масс-спектрометрии // Рос. хим. журн. -2002. - Т. 46. - Вып. 6. - С. 82-92.
10. Гудериан Р. Загрязнение воздушной среды. - М., 1979.
11. Демкив Л.О., Kapdaui А.Р., Лобачевская О.В. Мхи как индикаторы загрязнения экосистем тяжелыми металлами // Растения и промышленная среда. - Днепропетровск, 1990. — С. 15—16.
12. Слука З.А. О содержании хлорофилла у мхов в производных тинах леса // Вестн. Моск. ун-та. Сер. Биология. - 1978. — № 1 - С. 23—27.
13. Лукаткин A.C. Холодное повреждение теплолюбивых растений и окислительный стресс. — Саранск: Изд-во Мордов. ун-та, 2002.
14. Гавриленко В.Ф., Жигалова Т.В. Большой практикум по фотосинтезу / Под ред. Ермакова И.П. — М.: Acadma, 2003.
15. Владимиров Ю.А., Арчаков А.И. Перекисное окисление липидов в биологических мембранах. - М.: Наука, 1972.
SOME ASPECTS OF TOXICANTES EFFECT ON MOSSES N.N. Serebriakova
Regional State centre of ecological control and monitoring in Penza region Penza, Botanicheskaia 30, Russia
The cffect of monoetanolamin on biochemical and physiological processes of mosses was studied. The possibility to use mosses in envivonmental monitoring in the region of chemical arms destruction plant building was examinet.
