CC BY
19УДК 546.6:582.272.7
В.В. Яниславский, А.В. Климова, Н.Г. Клочкова
Камчатский государственный технический университет, Петропавловск-Камчатский, 683003 e-mail: [email protected]
ВЛИЯНИЕ СОЛЕЙ СВИНЦА И КАДМИЯ НА МОРФОГЕНЕЗ
ПРОРОСТКОВ FUCUS DISTICHUS SUBSP. EVANESCENS НА СТАДИИ ФОРМИРОВАНИЯ КЛАДОМНОГО ТАЛЛОМА
С целью определения токсического воздействия свинца и кадмия на раннее развитие Fucus distichus subsp. еvanescens проводили изучение его роста и развития в лабораторных условиях. Маточные растения для получения проростков были собраны в Авачинской губе. В культуры вида, выращиваемого в обработанной морской воде и искусственной среде IMR, добавляли соли указанных металлов в концентрации 10, 20, 40 и 60 ppm. Контрольные образцы содержали в тех же средах без добавления тяжелых металлов. Наблюдения за развитием фукуса от момента оплодотворения яйцеклеток до формирования многоклеточных кладомных талломов 0,80 мкм длины вели 40 дней. Проведенные исследования показали, что при воздействии на проростки фукуса солей кадмия и свинца в концентрации 10, 20 ppm скорость их линейного роста повышается, при увеличении концентрации она резко уменьшается. Ионы обоих металлов вызывали значительные изменения морфологии проростков. На основании этого сделан вывод о том, что даже малые дозы свинца и кадмия оказывают негативное влияние на раннее развитие фукуса.
Ключевые слова: Fucus distichus subsp. еvanescens, свинец, кадмий, токсическое воздействие, морфогенез, лабораторное культивирование, аномалии развития.
V.V. Yanislavsky, A.V. Klimova, N.G. Klochkova
Kamchatka State Technical University, Petropavlovsk-Kamchatsky, 683003 e-mail: [email protected]
THE INFLUENCE OF LEAD AND CADMIUM SALTS ON MORPHOGENESIS OF FUCUS DISTICHUS SUBSP. EVANESCENCE SEEDLINGS AT THE STAGE OF THALLUS FORMATION
To determine the toxic effects of lead and cadmium on the early development of Fucus distichus subsp. evanescens the study of its growth and development under laboratory conditions was conducted. Uterine plants for seedlings were collected in the Avacha Bay. The salts of the above metals in a concentration of 10, 20, 40 and 60 ppm were added in the culture of the species, planted in treated sea water and artificial medium IMR. The control samples were contained in the same mediums without adding heavy metals. The development of fucus from the moment of eggs fertilization till the multicellular thallus formation of 0,80 цт length was monitored during 40 days. The conducted studies showed that when the fucus seedlings are influenced by cadmium and lead salts in the concentration of 10, 20 ppm the rate of their linear growth increases. But it decreases sharply when concentration is increased. Ions of both metals caused significant changes in the morphology of seedlings. Based on this fact, it is concluded that even small doses of lead and cadmium have a negative impact on the early development of fucus.
Key words: Fucus distichus subsp. еvanescens, lead, cadmium, toxic effect, morphogenesis, laboratory cultivation, anomaly of development.
Fucus distichus subsp. cvanescens - обычный представитель литоральной флоры холодных и умеренных вод Северного полушария. Он формирует большую биомассу и является структурным каркасом растительных сообществ среднего и нижнего горизонтов литорали. В местах его массового произрастания обычно наблюдается высокое биологическое разнообразие бентосных
сообществ [1]. Фукус характеризуется значительной устойчивостью к изменению абиотических факторов и способен переносить высокий уровень загрязнения, в том числе и техногенного [2-4].
Авачинская губа в настоящее время характеризуется высоким уровнем антропогенного загрязнения. Среди поллютантов здесь присутствуют и разные тяжелые металлы. Они поступают сюда с селитебильными и канализационными бытовыми, и производственными стоками. Особенно велика их концентрация в местах расположения у побережья акватории промышленных предприятий, пирсов и причалов [5, 6]. В Авачинской губе некогда практически повсеместно был развит широкий пояс фукусов [7]. В настоящее время он значительно сократился, а местами, особенно в районах сильного металлического загрязнения, вовсе исчез.
Исследования, проведенные на Белом море О.В. Степаньяном [8], показали, что произрастающий там Е. \esiculosus наименее устойчив к воздействию загрязнителей на самых ранних стадиях своего жизненного цикла, в частности, на стадии прорастающей зиготы. Его взрослые растения менее восприимчивы к воздействию токсикантов и способны развиваться в очень широком диапазоне концентраций загрязнителей. Е. distichus в этом отношении еще до сих пор не изучен. Вполне возможно, что причиной его исчезновения из макрофитобентоса загрязненных районов Авачинской губы является токсическое воздействие тяжелых металлов. Чтобы более определенно ответить на этом вопрос, нами было начато изучение их влияния на протекание ранних стадий развития вида. Среди множества тяжелых металлов были выбраны два, наиболее активно поступающих в данную акваторию, - кадмий и свинец.
Фертильные образцы Е. distichus 8иЬ8р. evanescens и вода для содержания его зигот и проростков в лабораторных культурах были собраны в литоральной зоне бух. Сероглазка 16.10.2018 г. Место сбора материнских растений и собранные для эксперимента слоевища фукуса показаны ниже на рис. 1.
Авачинская губа
Петропавловск-Камчатский
Я \ Â
«Петропавловск (1854 год)
Рис. 1. Внешний вид материнских растений Fucus distichus subsp. еуапезеет (1) и место их сбора в Авачинской губе (2) • - место сбора материала
Для получения оплодотворенных яйцеклеток от материнских растений отделяли зрелые ре-цептакулы, промывали их дистиллированной водой и помещали на 5 мин в однопроцентный раствор йода. Затем для удаления йода их вновь промывали отфильтрованной и проавтоклави-рованной морской водой и помещали в культуральную среду для выхода половых продуктов. Данный метод получения зигот был разработан японскими альгологами [9-10]. Для изучения камчатских представителей рода фукус впервые он был использован А.В. Климовой [11]. Известно, что образование зигот у этого вида при смешивании зрелых яйцеклеток и антерозоидов происходит в течение 30 ± 15 мин [9].
Для изучения воздействия на проростки фукуса разных концентраций тяжелых металлов использовали, как было сказано выше, соли свинца и кадмия. На данном этапе эксперимента стояла задача определения минимальных концентраций указанных металлов, вызывающих заметный отклик на морфофизиологическом уровне. В связи с этим концентрации растворов этих металлов в подготовленных нами средах для культивирования зигот фукуса были небольшими: 10, 20, 40 и 60 ррм. После получения оплодотворенных половых клеток рецептакулы фукуса удаляли, а получившуюся суспензию зигот разливали по чашкам Петри с культуральной средой, содержащей разные соли тяжелых металлов в разной концентрации. Для проведения исследований, таким образом, были подготовлены 4 серии образцов: с IMR (1 серия) и предварительно обработанной морской водой (2 серия) для изучения воздействия свинца; с IMR (3 серия) и предварительно обработанной морской водой (4 серия) для изучения воздействия кадмия. Каждая серия включала 5 чашек Петри: одну контрольную, без добавления ионов металлов, и четыре с их разными указанными выше концентрациями.
2
Регулярные наблюдения за ростом и развитием фукуса проводили при помощи стереомик-роскопа Olympus CZ40, фотодокументирование и измерение линейных размеров проростков осуществляли с помощью цифровой фотокамеры с программным обеспечением Infinity Analyze ver. 6.5 (Lumenera, Canada). Длину проростков определяли путем их измерения от кончика ризоида до конца вершины проростка. Длину гиалиновых нитей, развивающихся в верней части слоевища, не учитывали. Измеряемая выборка для контрольных и остальных образцов одной серии составляла не менее 30 шт. Статистическая обработка количественных данных была проведена в программе Microsoft Excel 2007. Описанные выше эксперименты продолжали в течение 40 дней при температуре 4оС и световом режиме (день: ночь) 8:16 часов.
Прорастание оплодотворенных зигот фукуса начиналось с их деления и формирования кла-домной, т. е. многоклеточной части проростка. Вначале их размеры и форма были достаточно однородными. После третьего или четвертого клеточного деления в нижней части проростка начинали формироваться ризоидальные выросты. В дальнейшем их ризоидальная система в условиях нормального содержания представляла собой многоклеточную однорядную, достаточно длинные нити, у небольшого числа проростков (не более 10%) развивались дополнительные ризоиды. В верхней части проростка у растений контрольной группы практически всегда формировались нитевидные отростки, так называемые гиалиновые нити, выполняющие функцию органотрофного питания.
Проведенные наблюдения показали, что воздействие на проростки фукуса разных металлов имеет достаточно однообразный отклик на морфофизиологическом уровне. Что касается влияния на развитие растений разных доз токсикантов, то оно по мере возрастания концентраций металлов становилось все более очевидным и выражалось, прежде всего, в изменении формы и размеров кладомных частей слоевища. Значительным изменениям также было подвержено строение ризоидальной системы и гиалиновых волосков (рис. 2).
1MR
Морская вода
Кадмий Свинец Кадмий Свинец
Контроль
У
Концентрация 10 мкг
Концентрация 20 мкг
3 ч
Концентрация 60 мкг
\
Рис. 2. Наиболее распространенные аномалии морфологического развития проростков Е. йгзйеЬж зыЬзр. еуапезеет, после 35-40 дней содержания в разных культуральных средах при разных концентрациях ионов кадмия и свинца
Из представленного выше рис. 2. видно, что ризоидальные нити у проростков под влиянием металлов могут быть собраны в пучки, у них могут развиваться короткие или длинные, одиночные или множественные боковые ответвления. При этом определенные закономерности в появлении аномалий развития, связанные с уровнем концентрации металлов, не выявлены. Гиалиновые волоски у растений разных опытных серий в редких случаях присутствуют и могут достигать большой длины. Обычно же они слабо развиты или вовсе отсутствуют. Последнее может свидетельствовать об ингибиции у проростков функции органотрофного питания.
Об изменении длины проростков по мере их развития в 1МЯ среде и простерилизованной морской воде с разной концентрацией токсикантов можно судить по данным рис. 3-4.
03
и
Серия № 1Сё ГМЯ
1400,0 1200,0 1000,0 800,0 600,0 400,0 200,0 0,0
1010,3
■Контроль СБ_10 ■СБ_20 ■СБ_40 ■СБ 60
1 6 8 12 15 19 26 33 40 День эксперимента
1200,0 1000,0 800,0
£ 600,0 н
400,0 200,0 0,0
Серия № 2 РЬ ¡МЯ
12
15
19 26
б
33
883,2
Контроль РВ_10 ■РВ_20 ■РВ_40 ■РВ 60
40
День эксперимента
Рис. 3. Изменение линейных размеров проростков Р. distichus subsp. еvanescens, культивировавшихся в среде 1МК с разным содержанием кадмия (а) и свинца (б)
Рис. 3 свидетельствует о заметных различиях в скорости роста у растений, развивавшихся при разных концентрациях свинца и кадмия. Эти особенности особенно хорошо выражены после 8-12 дней эксперимента для проростков, содержавшихся при концентрациях 10-20 ррт. В серии А наблюдается значительный разброс в скорости относительно контрольной группы. При концентрации кадмия в 60 ррт происходит отчетливо выраженное замедление роста проростков фукуса. Наиболее значительная стимуляция наблюдалась при концентрациях 10 (максимальная) и 20 ррт, чуть менее выраженная при 40 ррт.
а
1
6
8
Развитие проростков в морской воде происходило аналогично таковому в культуральной среде IMR. Это видно из данных, представленных на рис. 4. Они свидетельствуют о том, что свинец и кадмий действует на проростки фукуса сходным образом. При этом различия их размерных характеристик под воздействием разных концентраций свинца выражены не столь очевидно, как под воздействием кадмия.
Серия № 3 CD Ш0
я
¡3
<и Я РС
о «
1600,0 1400,0 1200,0 1000,0 800,0 600,0 400,0 200,0 0,0
8 12 15 19 26 День эксперимента
1275,5
■Контроль СБ_10 ■СБ_20 ■СБ_40 ■ОБ 60
33 40
1600,0
^ 1400,0 к
з 1200,0
1000,0 800,0 600,0 400,0 200,0 0,0
рнт
е я н
о «
Серия № 4 РВ Н20
1143,6
8 12 15 19 26 День эксперимента
33 40
Контроль РВ_10 -РВ_20 ■РВ_40 ■РВ 60
1
6
а
1
6
б
Рис. 4. Изменение линейных размеров проростков Е. йгзйеЬж зыЬзр. еуапезеет, культивировавшихся в морской воде с разным содержанием кадмия (а) и свинца (б)
На 12-й день эксперимента в серии 3, как и в серии 1, наблюдался значительный разброс в скорости роста относительно контрольной группы. Видно, что максимум линейного роста наблюдается при концентрации кадмия 20 ррт. Изначально большая скорость роста наблюдалась при концентрациях 40 и 20 ррт, однако на 12-й день эксперимента наблюдается ингибиция линейного роста всех групп, кроме контрольной. Отметим также, что в морской воде скорость роста представителей контрольной группы выше, чем в среде 1МИ, которая, судя по всему, не повторяет все специфические особенности природной морской воды.
Стимуляцию линейного роста проростков фукуса малыми концентрациями солей тяжелых металлов пока объяснить трудно, не исключено, что это связано с тем, что маточные образцы фукуса были взяты в месте, характеризующемся сильным хроническим металлическим загрязнением. Здесь, можно полагать, уже давно сформировалась микропопуляция фукуса, устойчивая к токсическому воздействию тяжелых металлов.
Говоря о разном действии металлов, более выраженном у кадмия, чем у свинца, следует отметить, что некоторые исследователи, в частности Г.Н. Саенко, считала, что свинец может накапливаться в значительном количестве без явного вреда для водных организмов. Возможно, это связано с их способностью связывать малорастворимый сульфид свинца. В целом же отметим, что даже небольшое постоянное загрязнение среды произрастания проростков фукуса ионами тяжелых металлов угнетает их развитие и вызывает появление отчетливо выраженных аномалий развития.
Литература
1. Кусакин О.Г. Пояс жизни: рассказ о шельфе Охотского моря. - Хабаровск: Кн. Изд-во, 1989. - 208 с.
2. Малиновская Т.М. Оценка химико-экологического состояния прибрежных вод Курильских островов по содержанию металлов в бурой водоросли Fucus evanescens: Автореф. дис. ... канд. биол. наук. - Владивосток, 1996. - 27 с.
3. Малиновская Т.М., Христофорова Н.К. Мониторинг прибрежных вод бухты Крабовая (остров Шикотан) с использованием бурой водоросли Fucus evanescens) // Биология моря. -1997. - Т. 23, № 4. - С. 239-246.
4. Христофорова Н.К., Малиновская Т.М. Содержание металлов в фукусах бухты Кратер-ной (Курильские острова) в связи с условиями существования // Биология моря. - 1995. - Т. 21, № 1. - С. 77-82.
5. Федорченко B.n, Макаров Е.О., Клочкова Н.Г. О возможности использования Saccharina bongardiana (Phaeophyta, Laminariales) в качестве индикатора металлического загрязнения морских прибрежных вод Камчатки // Вестник Камчатского государственного технического университета. - 2011. - Вып. 17. - С. 101-106.
6. Воздействие антропогенного загрязнения на состояние макробентоса в бухте Раковая (Авачинская губа, юго-восточная Камчатка) / Н.Г. Клочкова, A.B. Климова, С.О. Очеретяна, A.Э. Кусиди, E.B. Касперович // Вестник Камчатского государственного технического университета. - 2016. - Вып. 35. - С. 53-64.
7. Савич B.n. Альгологический объезд Авачинской губы в мае 1909 г. // Тр. Камчатской экспедиции Ф.Б. Рябушинского. Бот. отд. 1914. - Вып. 2. - С. 451-472.
8. Степаньян O.B. Морфо-функциональные перестройки у водорослей-макрофитов Баренцева моря под воздействием нефти и нефтепродуктов: Дис. канд. биол. наук. - Мурманск, 2003. - 143 с.
9. Wakana I., Abe M. Artificial insemination 'regulated by EDTA' in the monoecious brown alga Fucus evanescens // Plant Cell Physiol. - 1992. - Vol. 33. - P. 569-575.
10. Motomura T. Electron and immunofluorescence microscopy on the fertilization of Fucus distichus (Fucales, Phaeophyceae) // Protoplasma. - 1994. - Vol. 178. - P. 97-110.
11. Климова A.B., Кашутин A.H. Раннее развитие камчатских представителей Fucus evanescens (Phaeophyceae, Fucales) в условиях лабораторного культивирования // Вестник Камчатского государственного технического университета. - 2016. - Вып. 37. - С. 50-56.
