Газообмін та пігментна система макрофітів за дії іонів міді (ІІ) і марганцю (ІІ) водного середовища (автореферат)

НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

ІНСТИТУТ ГІДРОБІОЛОГІЇ

ПАСІЧНА

Олена Олександрівна

УДК [(581.526.3:574.64):546.562/546.712](28)

Газообмін та пігментна система макрофітів за дії іонів міді (ІІ) і
марганцю (ІІ) водного середовища

03.00.17 – гідробіологія

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата біологічних наук

Київ – 2004

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Інституті гідробіології НАН України

Науковий керівник: доктор біологічних наук, професор АРСАН Орест
Михайлович, Інститут гідробіології НАН України, завідувач відділу
екотоксикології

Офіційні опоненти: доктор біологічних наук, професор КУЗЬМЕНКО

Михайло Ілліч, Інститут
гідробіології НАН України,

завідувач відділу радіоекології

доктор біологічних наук ДУБИНА
Дмитро

Васильович, Інститут ботаніки ім.
М.Г. Холодного

НАН України, провідний науковий
співробітник

Провідна установа: Київський національний університет ім. Тараса
Шевченка,

біологічний факультет

Захист відбудеться » __27__» __травня______ 2004 р. о _14__ годині

на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.213.01 Інституту
гідробіології

НАН України за адресою: 04210, м. Київ, просп. Героїв Сталінграда, 12

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Інституту гідробіології

НАН України (04210, м. Київ, просп. Героїв Сталінграда, 12)

Автореферат розісланий » _23_» __квітня______ 2004 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради

кандидат біологічних наук
Гончаренко Н.І.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність проблеми. Індустріалізація і розвиток нових галузей
промисловості спричинили загострення екологічної ситуації внаслідок
забруднення водного середовища важкими металами, зокрема міддю і
марганцем. Цей факт визначає актуальність проблеми впливу підвищеної
концентрації Cu2+ та Mn2+ на водні екосистеми, продукційною основою яких
є фотосинтезуючі організми. Серед них значна роль належить зануреним
макрофітам (вищим водяним рослинам і водоростям). Вирішення цієї
проблеми неможливе без з’ясування наслідків дії іонів металів на
життєдіяльність макрофітів, в основі якої лежать такі процеси, як
фотосинтез, дихання, біосинтез пігментів [Грин и др., 1990]. Попри
існуючі літературні дані, які характеризують вплив Cu2+ і Mn2+ на
фізіолого-біохімічні процеси водяних рослин [Багнюк и др., 1997;
Брагинский, Бескаравайная, 1983; Караваев и др., 2001; Подорванов,
Золотарева, 2003; Смирнова, Сиренко, 1993; Cid et al., 1995; Lidon,
Henriques, 1993; Fargasova, 1998], питання щодо умов виникнення
токсичного ефекту залишається невивченим. Тому необхідне поглиблення
досліджень акумуляційної здатності різних видів водяних макрофітів та її
зв’язку з їх фізіологічним станом.

У більшості проведених експериментальних робіт вивчалась дія на водяні
рослини лише окремих важких металів. Однак, з огляду на поліметалічний
характер антропогенного забруднення водних екосистем, виникає потреба
приділяти посилену увагу дослідженням акумуляції та дії іонів важких
металів, зокрема міді та марганцю, на макрофіти при їх сумісному
надходженні у водне середовище.

З’ясування особливостей функціонування макрофітів при підвищенні
концентрації важких металів у водному середовищі пов’язане також з
необхідністю відбору найбільш чутливих до хімічного стресу тест-об’єктів
і тест-функцій для біотестування вод, а також видів, які є ефективними
біомоніторами забруднення водного середовища важкими металами.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дослідження по
дисертаційній роботі проводились в Інституті гідробіології НАН України в
межах держбюджетної теми „Вивчити форми міграції металів у природних
водах та їх біологічну активність” (номер держреєстрації 0198U007675).

Мета і завдання досліджень. Метою даної роботи було дослідження
газообміну і пігментної системи водяних макрофітів за дії іонів міді
(ІІ) та марганцю (ІІ) водного середовища. Для цього необхідно було
виконати такі завдання:

– встановити закономірності накопичення міді і марганцю макрофітами за
окремої та сумісної дії різних концентрацій їх іонів у гострих і
хронічних дослідах;

– вивчити особливості короткочасного (тривалістю 1 доба) і хронічного
(протягом 14 діб) впливу Cu2+ і Mn2+ на газообмінні функції та пігментну
систему вищих водяних рослин і зелених нитчастих водоростей;

– з’ясувати характер зв’язку між чутливістю макрофітів до іонів міді і
марганцю, рівнем накопичення металів у рослинних організмах та їх
адаптивною здатністю; оцінити можливість використання досліджуваних
видів макрофітів для моніторингу забруднення водного середовища цими
важкими металами;

– розробити і провести апробацію методу біотестування вод з
використанням макрофітів як тест-об’єктів, а фотосинтезу і дихання – як
тест-функцій.

Об’єкт дослідження: водяні макрофіти як мішень дії іонів важких металів
у водних екосистемах.

Предмет дослідження: газообмінні функції та пігментна система занурених
вищих водяних рослин і зелених нитчастих водоростей за дії іонів міді і
марганцю водного середовища.

Методи дослідження: полярографічний метод визначення вмісту кисню у
водному середовищі при дослідженні інтенсивності фотосинтезу і темнового
дихання макрофітів; спектрофотометрія при встановленні вмісту їх
фотосинтетичних пігментів; атомно-адсорбційний спектрофотометричний
метод визначення накопичення металів у рослинному організмі.

Наукова новизна одержаних результатів. Вперше здійснено порівняльне
вивчення гострої (протягом 1 доби) і хронічної (тривалістю 14 діб),
індивідуальної та сумісної дії Cu2+ і Mn2+ у концентрації, що
відповідає реальному рівню забруднення ними природних вод, на
газообмінні функції та пігментну систему макрофітів.

Вперше вивчено накопичення міді і марганцю зануреними вищими водяними
рослинами і зеленими нитчастими водоростями за окремого та сумісного
надходження іонів металів у водне середовище; встановлено стимулюючі
концентрації металів у воді і рослинних організмах і такі, що призводять
до виникнення токсичного ефекту; з’ясовано характер зв’язку між
кількістю акумульованого металу і інтенсивністю фотосинтезу, дихання,
вмістом хлорофілу а, хлорофілу b та каротиноїдів.

Запропоновано метод біотестування токсичності водного середовища, що
базується на порівняльному аналізі співвідношення між інтенсивністю
фотосинтезу і дихання макрофітів у досліджуваній та контрольній воді.

Практичне значення одержаних результатів. Одержані результати досліджень
можуть бути використані для складання гідробіологічних прогнозів,
розробки методів управління процесами формування продукції та якості
води в природних водоймах, регламентації граничних концентрацій металів
у рибогосподарській практиці і водній токсикології. Зокрема, дані щодо
впливу іонів міді на водяні рослини необхідно враховувати при
використанні солей міді у боротьбі з обростаннями підводних поверхонь та
“цвітінням” води.

Виявлено види макрофітів, які є ефективними біомоніторами забруднення
водного середовища міддю і марганцем. В умовах поліметалічного
забруднення водойм для правильної оцінки вмісту міді і марганцю у
водному середовищі за рівнем їх накопичення у макрофітах важливими є
результати вивчення взаємовпливу іонів металів при їх поглинанні.
Рекомендовано види водяних рослин, які доцільно застосовувати для
очищення води від іонів міді та марганцю.

Розроблений метод біотестування водного середовища можна використовувати
для встановлення якості природних і токсичності стічних вод. Він
дозволяє порівнювати індивідуальну та спільну дію розчинів різних
хімічних речовин за ступенем їх токсичності.

Особистий внесок здобувача. Автор особисто здійснив комплекс
експериментальних досліджень щодо індивідуальної та сумісної дії іонів
міді і марганцю на газообмінні процеси і пігментну систему макрофітів та
визначення рівня накопичення ними металів; самостійно проаналізував і
узагальнив одержані результати досліджень, виконав їх статистичну
обробку та сформулював висновки щодо адаптивної здатності макрофітів, а
також рекомендації щодо використання їх як тест-об’єктів і біомоніторів
забруднення водного середовища важкими металами.

Метод біотестування був розроблений спільно із співробітниками Інституту
гідробіології НАН України: д.б.н., проф. О.І.Мережко і к.б.н.
О.П.Пасічним.

Апробація результатів дисертації. Результати дисертації були
представлені на 2-му і 3-му з’їздах Гідроекологічного товариства України
(Київ, 1997; Тернопіль, 2001); 2-й Міжнародній конференції “Актуальные
проблемы современной альгологии” (Київ, 1999); конференції молодих
вчених-ботаніків України “Актуальні питання ботаніки та екології”
(Ніжин, 1999); 5-й Міжнародній науково-практичній конференції “Вода:
проблемы и решения” (Дніпропетровськ, 1999); 3-й Всеукраїнській
науково-практичній конференції студентів, аспірантів та молодих вчених з
міжнародною участю “Екологія. Людина. Суспільство” (Київ, 2000);
Міжнародній конференції “Проблеми сучасної екології” (Запоріжжя, 2000);
Міжнародній конференції молодих вчених “Рослина і середовище:
фізіологія, генетика, фітоценологія, агроекологія” (Харків, 2001);
Міжнародній науково-практичній конференції молодих вчених “Проблемы
аквакультуры и функционирования водных экосистем” (Київ, 2002);
конференції молодих вчених-ботаніків України “Актуальні проблеми
систематики, флористики, екології та збереження фіторізноманіття”
(Львів, 2002); 12-й Міжнародній конференції молодих вчених “Биология
внутренних вод: проблемы экологии и биоразнообразия” (Борок, 2002); NATO
Advanced Research Workshop “Ecological Standartization and Equidosimetry
for Radioecology and Environmental Ecology” (Kyiv, 2002); ювілейній
науковій конференції студентів, аспірантів і молодих вчених, присвяченій
180-річчю з дня народження Л.С.Ценковського, “Біорізноманіття. Екологія.
Еволюція. Адаптація” (Одеса, 2003); Всеукраїнській конференції молодих
вчених “Актуальные вопросы современного естествознания – 2003”
(Сімферополь, 2003).

Публікації. Результати дисертації викладено у 19 роботах, із них 7 – у
фахових виданнях, а 12 – в матеріалах конференцій та з’їздів.

Обсяг і структура дисертації. Дисертація складається із вступу, п’яти
розділів, узагальнення, висновків і списку літератури, який нараховує
217 назв. Робота ілюстрована 38 рисунками та 1 таблицею. Загальний обсяг
рукопису становить 166 сторінок.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

МІДЬ І МАРГАНЕЦЬ У ЖИТТЄДІЯЛЬНОСТІ РОСЛИН

(Огляд літератури)

Наведено аналіз наявної у фаховій вітчизняній та зарубіжній літературі
інформації щодо форм знаходження міді і марганцю у водоймах, механізмів
їх впливу на життєдіяльність рослинного організму, зокрема на процеси
газообміну та пігментну систему. Акцентується увага на з’ясуванні
механізмів адаптації рослин до підвищення концентрації важких металів у
водному середовищі.

ОБ’ЄКТИ ТА МЕТОДИ ДОСЛІДЖЕНЬ

Об’єктами досліджень були занурені вищі водяні рослини: різуха
гваделупська Najas guadelupensis L. (в Україні цей вид вегетує лише у
лабораторних умовах) і кушир темно-зелений Ceratophyllum demersum L., а
також зелені нитчасті водорості: едогоніум Oedogonium cardiacum (Hass.)
Wittr. і кладофора Cladophora glomerata (L.) Kuetz.

Вищі водяні рослини і зелені нитчасті водорості вирощували на
розведеному в 20 разів середовищі Успенського № 1 [Методы …, 1975]. В
такій модифікації концентрація біогенних елементів у середовищі
знижується до середнього рівня, характерного для природних вод. При
цьому їх співвідношення залишається збалансованим, оптимальним для росту
і розвитку рослин. Макрофіти вирощували при температурі 20(2оС і
комбінованому освітленні лампами розжарювання і денного світла (150–200
Вт/м2) протягом 14 год/добу; рН середовища вимірювали за допомогою
іономіра ЭВ-74.

Молоді пагони занурених вищих водяних рослин і таломи нитчастих
водоростей поміщали в скляні акваріуми з водним середовищем (без
додавання фосфатів і карбонатів, з якими іони металів утворюють
нерозчинні солі, та мікроелементів згідно з методикою проведення
токсикологічних досліджень [Хоботьев, 1971]), приготовленим на основі
відстояної водопровідної води з розрахунку: 2 г сирої маси : 3 дм3 води.
У водне середовище додавали мідь (CuSO4·5H2О) у концентрації 0,5, 2, 5,
10 і 20 мкг/дм3 (за іонами Cu2+) або марганець (MnSO4·5H2О) – 5, 20, 50,
100 і 200 мкг/дм3 (за іонами Mn2+). Ці концентрації іонів металів у воді
відповідають 0,5, 2, 5, 10 і 20 рибогосподарським ГДК (ГДК Cu2+ = 1
мкг/дм3, ГДК Mn2+ = 10 мкг/дм3 [Алтунин, Белавцева, 1993]). Фоновий
вміст міді у воді становив 0,14±0,05 мкг/дм3, марганцю – 0,24±0,02
мкг/дм3.

Рослини витримували при вищевказаних освітленні і температурі протягом
однієї і чотирнадцяти діб (зі зміною розчину на сьому добу [Растения в
экстремальных …, 1983]), тобто проводили як гострі, так і хронічні
досліди. Контрольними були макрофіти, витримані в ідентичних умовах,
проте без додавання Cu2+ і Mn2+.

При дослідженні сумісної дії іонів міді і марганцю на вищі водяні
рослини та нитчасті водорості у водне середовище додавали метали у
комбінаціях: 0,5 мкг/дм3 Cu2+ + 5 мкг/дм3 Mn2+;

2 мкг/дм3 Cu2+ + 20 мкг/дм3 Mn2+; 5 мкг/дм3 Cu2+ + 50 мкг/дм3 Mn2+; 10
мкг/дм3 Cu2+ + 100 мкг/дм3 Mn2+; 20 мкг/дм3 Cu2+ + 200 мкг/дм3 Mn2+.
Поєднаний вплив Cu2+ і Mn2+ вивчали лише у довготермінових (тривалістю
14 діб) дослідах.

Інтенсивність фотосинтезу і темнового дихання макрофітів визначали
шляхом реєстрації кількості виділеного на світлі та поглинутого у
темряві кисню з допомогою спеціально розробленої установки, робота якої
базується на використанні полярографічного (амперoметричного) методу
визначення вмісту кисню у водному середовищі [Мережко и др., 1996].

Вплив іонів міді і марганцю на пігментну систему макрофітів досліджували
шляхом реєстрації змін у вмісті хлорофілу а, хлорофілу b і каротиноїдів
– основних фотосинтетичних пігментів вищих водяних рослин і зелених
нитчастих водоростей. Хлорофіли і каротиноїди екстрагували 80%-ним
розчином ацетону згідно з методикою [Методы …, 1975]. Їх концентрацію
у рослинах реєстрували за максимумами поглинання світла на
спектрофотометрі СФ-Д-46 і розраховували за формулами, наведеними у
роботі [Lichtenthaler, 1987], та виражали в міліграмах на 1 г сухої
маси.

З метою з’ясування умов виникнення токсичного ефекту проводили
дослідження накопичення міді і марганцю макрофітами при підвищенні
концентрації їх іонів у водному середовищі. Для цього після закінчення
експозиції рослинний матеріал промивали дистильованою водою і 0,02 М
розчином ЕДТА (для видалення адсорбованих на поверхні металів), потім
озоляли концентрованою азотною кислотою при нагріванні [Никаноров и др.,
1985]. Паралельно встановлювали процентний вміст сухої маси. Вміст міді
і марганцю в озоленому матеріалі визначали на атомно-адсорбційному
спектрофотометрі AAS-3 (Німеччина). Кількість акумульованих макрофітами
металів розраховували в мікрограмах на 1 г сухої маси рослин.

Всі досліди проводили у чотирьох-п’яти повторностях.

Одержані дані оброблені статистично з використанням спеціальної
комп’ютерної програми “STATISTICA”.

ВПЛИВ ІОНІВ МІДІ (ІІ) ВОДНОГО СЕРЕДОВИЩА НА МАКРОФІТИ

Накопичення іонів міді (ІІ) макрофітами. При надлишку важких металів у
воді життєдіяльність гідрофітів залежить від стану рівноваги між
процесами їх накопичення та виведення, тобто визначається кількістю
іонів металу, що надійшли в клітини, а також від здатності рослинного
організму до їх детоксикації [Божков, Могилянская, 1996; Гапочка, 1999].

У зв’язку з вищезазначеним нами було проведено вивчення накопичення Cu2+
водного середовища у концентрації 0,5–20 мкг/дм3 макрофітами різних
рівнів морфофізіологічної організації (зануреними вищими водяними
рослинами і зеленими нитчастими водоростями). Результати показали, що
акумуляція рослинними організмами іонів міді залежить від їх
концентрації у воді та експозиції. Із збільшенням кількості Cu2+ у воді
та тривалості їх дії, як правило, підвищується вміст міді в рослинах,
проте виявляються видові відмінності в здатності макрофітів до
акумуляції іонів металу. Зокрема, занурені вищі водяні рослини (різуха і
кушир) накопичують менше міді, ніж зелені нитчасті водорості (едогоніум
і кладофора). При значній концентрації Cu2+ у воді (10–20 мкг/дм3)
останні акумулюють у 2–3 рази більше міді, ніж різуха і кушир. Серед
досліджуваних видів макрофітів найбільшу кількість міді акумулює
кладофора, а найменшу – кушир. Так, за дії Cu2+ у концентрації 20
мкг/дм3 протягом двох тижнів вміст металу в кладофорі зростає у 12,4
раза порівняно з контролем і становить 149,9 мкг/г сухої маси, а у
куширі – в 5,1 раза порівняно з контролем і дорівнює 40,6 мкг/г сухої
маси.

Результати проведених досліджень свідчать про те, що накопичення міді
зеленими нитчастими водоростями є більш пропорційним концентрації Cu2+ у
водному середовищі (r = 0,995–0,998 при P?0,95), ніж зануреними вищими
водяними рослинами (r = 0,879–0,997).

Пігментна система макрофітів за дії іонів міді (ІІ). Іони міді, як
відомо, необхідні для нормального функціонування пігментної системи
рослинного організму і здійснення фотохімічних реакцій [Чернавина,
1970]. В той самий час при надмірній кількості Cu2+ в навколишньому
середовищі порушується функціонування пігментних систем, змінюється
якісний і кількісний склад пігментів [Ольхович, Смірнова, 1995; Abalde
et al., 1995; Cid et al., 1995; Fargasova, 1998]. У зв’язку з цим,
визначивши рівень накопичення міді макрофітами залежно від концентрації
Cu2+ у водному середовищі та від експозиції, ми провели дослідження
впливу іонів металу на їх основні фотосинтетичні пігменти (хлорофіли а і
b та каротиноїди).

Виявлено двофазну дію іонів міді у концентрації 2–5 мкг/дм3 на пігментну
систему різухи та 20 мкг/дм3 – нитчастих водоростей: відсутність
токсичності через добу змінюється зниженням вмісту пігментів через два
тижні, очевидно, внаслідок вичерпання можливостей репараційних систем
хлоропластів при надходженні в них надлишкової кількості іонів міді.

У різусі та куширі вміст досліджуваних пігментів зменшується вже за дії
10–20 мкг/дм3 Cu2+ протягом доби. Подовження терміну впливу іонів міді
до двох тижнів призводить до подальшого його зниження, що пов’язано зі
збільшенням накопичення металу вищими водяними рослинами порівняно з
таким через одну добу. Водночас в едогоніумі та кладофорі кількість як
хлорофілів, так і каротиноїдів зменшується лише за двотижневої дії Cu2+
у концентрації 20 мкг/дм3. За такої концентрації іонів міді у водному
середовищі найбільше знижується вміст пігментів у різусі (хлорофілу а –
на 60,1%, хлорофілу b – на 51,2%, каротиноїдів – на 57,0% порівняно з
контролем), а найменше – в едогоніумі (відповідно на 21,2, 14,4, і
7,4%). Причиною зменшення вмісту пігментів у макрофітах може бути
інактивація ферментів, які беруть участь у їх синтезі (внаслідок
взаємодії іонів міді з активними центрами ферментів [Горбунов, 1993]).
Вважають також, що мідь здатна заміщувати магній у молекулі хлорофілу,
внаслідок чого порушується світлоконцентраційна функція пігментної
системи [Кuepper et al., 1996].

Результати досліджень дозволяють зробити висновок, що іони міді водного
середовища більш токсично впливають на пігментну систему занурених вищих
водяних рослин, ніж зелених нитчастих водоростей.

Газообмін макрофітів за дії іонів міді (ІІ). Відома роль хлорофілу як
фотосенсибілізатора перенесення електронів від донора до акцептора у
фотохімічних процесах фотосинтезу і реакції Хілла [Грин и др., 1990]. У
зв’язку з цим вивчення впливу підвищеної концентрації іонів міді на
пігментну систему водяних рослин супроводжувалось дослідженням їх дії на
інтенсивність фотосинтетичної функції макрофітів. Паралельно вивчався
вплив іонів металу на темнове дихання.

Нами показано, що концентрація Cu2+ у воді 0,5 мкг/дм3 не виявляє
токсичності для газообмінних функцій вищих водяних рослин і зелених
нитчастих водоростей як у короткочасному (протягом 1 доби), так і в
хронічному (тривалістю 14 діб) експерименті і зумовлює активацію реакцій
фотосинтезу і дихання, що може привести до підвищення продуктивності
макрофітів. Інтенсифікація виділення О2 у рослин пов’язана з
використанням міді при транспорті електронів між фотосистемами І і ІІ
(зокрема, мідь входить до складу пластоціаніну, який бере участь у цьому
процесі) та каталітичною дією металу на реакції фотосинтезу [Физиология
растительных .., 1989]. А збільшення кількості кисню, поглинутого
макрофітами у темряві, зумовлене тим, що мідь необхідна для
функціонування таких окиснювальних ферментів, як цитохромоксидаза,
аскорбатоксидаза, поліфенолоксидаза [Ильин, 1985].

Експериментальні дослідження показали, що за дії іонів міді у
концентрації 2–5 мкг/дм3 на різуху та 20 мкг/дм3 на едогоніум і
кладофору активація фотосинтезу через 24 год змінюється його
пригніченням через два тижні. При 10–20 мкг/дм3 Cu2+ у водному
середовищі такі зміни зафіксовано і в інтенсивності дихання вищих
водяних рослин (рис. 1). Тут виявляється

Рис. 1. Інтенсивність фотосинтезу (а) і дихання (б) різухи за дії іонів
міді водного середовища (M(m; n = 4–5)

відома в токсикології двостадійна реакція рослинного організму на стрес,
при якій стимуляція фізіологічних функцій змінюється депресією. Зниження
активності фотосинтетичного апарату, очевидно, пов’язане з порушенням
процесу перенесення електронів у фотохімічних реакціях [Подорванов,
Золотарева, 2003] і ультраструктурними змінами в пластидах [Horvath et
al., 1995; Diannelidis, Delivopoulus, 1997]. За дії високої концентрації
іонів міді (10–20 мкг/дм3), можливо, відбувається також інактивація
окиснювальних ферментів, які беруть участь у процесі дихання.

Одержані нами дані свідчать про те, що 10–20 мкг/дм3 іонів міді у
водному середовищі вже через добу пригнічують процес фотосинтезу в
досліджуваних видів вищих водяних рослин (див. рис. 1), тобто
призводять до гострого токсикозу. При цьому інтоксикація виникає швидко,
токсичний ефект з часом посилюється і супроводжується кількісною
кумуляцією металу в рослинному організмі. Водночас у нитчастих
водоростей (едогоніуму і кладофори) при впливі Cu2+ у концентрації 10–20
мкг/дм3 настає хронічне (дистальне, кумулятивне) отруєння, вияв
симптомів якого відбувається поступово з підвищенням вмісту металу в
організмі. Це свідчить про те, що фотосинтетична і дихальна функції (як
і пігментна система) занурених вищих водяних рослин є більш чутливими до
впливу підвищеної концентрації іонів міді у водному середовищі, ніж
нитчастих водоростей, очевидно, внаслідок наявності у останніх
ефективних адаптивних (детоксикаційних) механізмів.

Результати проведених досліджень свідчать про те, що у водяних рослин
фотосинтез починає пригнічуватись за дії меншої концентрації іонів міді
(2–5 мкг/дм3 Cu2+) у водному середовищі, ніж темнове дихання (10–20
мкг/дм3 Cu2+), тобто дихальна функція більш стійка до впливу Cu2+.

Одержані дані щодо наслідків впливу іонів міді водного середовища на
макрофіти необхідно враховувати при використанні сульфату міді для
боротьби з обростаннями підводних поверхонь і “цвітінням” води та при
встановленні ефективних його концентрацій.

ВПЛИВ ІОНІВ МАРГАНЦЮ (II) ВОДНОГО СЕРЕДОВИЩА НА МАКРОФІТИ

Накопичення іонів марганцю (II) макрофітами. Марганець, як і мідь, з
одного боку, у мікрокількості необхідний для життєдіяльності рослин, а з
іншого – при надлишку в середовищі виявляє токсичність [Ершов,
Плетенева, 1989; Шалыго и др., 1997]. Оскільки відомостей щодо
акумуляції іонів марганцю макрофітами в експериментальних умовах та
наслідків їх впливу на пігментну систему і газообмінні функції майже
немає, виникла необхідність проведення таких досліджень.

Одержані нами дані свідчать про те, що кушир акумулює менше марганцю, як
і міді, ніж різуха (рис. 2). При високій концентрації іонів марганцю у
водному середовищі виявлено

Рис. 2. Накопичення марганцю макрофітами за дії Mn2+ водного середовища
протягом 14 діб (M(m; n = 4–5)

велику різницю в ступені їх накопичення цими видами: за дії Mn2+ у
концентрації 200 мкг/дм3 протягом двох тижнів вміст металу в різусі
підвищується в 17,4, а у куширі – в 9,5 раза порівняно з контролем.
Різниця у накопиченні марганцю різухою і куширем пов’язана, очевидно, з
ущільненою клітинною оболонкою останнього, насичення якої катіонами
металів перешкоджає їх подальшій адсорбції і проникненню усередину
клітин.

У нитчастих водоростей виявлено кращу здатність до акумуляції іонів
марганцю (як і іонів міді), ніж у занурених вищих водяних рослин. Це
зумовлено, головним чином, високою адсорбційною ємністю клітинних
оболонок водоростей щодо іонів металів, значною асиміляційною поверхнею,
яка забезпечується нитчастою будовою їх таломів і великими розмірами
вакуолей, та, можливо, менш розвинутими механізмами регуляції обміну
металів. Зокрема, при двотижневому впливі високої концентрації Mn2+
(100–200 мкг/дм3) вміст металу в едогоніумі перевищував контрольний у
11,3–19,9, у кладофорі – в 13,4–24,0 раза (див. рис. 2). Менше
накопичення металу едогоніумом, очевидно, пов’язано з особливостями
будови його клітинної оболонки (наявністю на поверхні клітин додаткового
покриття – кутикули).

На підставі результатів досліджень можна зробити висновок, що зі
збільшенням концентрації Mn2+ у водному середовищі від 5 до 200 мкг/дм3
та експозиції від 1 до 14 діб підвищується вміст металу в макрофітах,
які характеризуються значною площею зіткнення поверхні з водним
середовищем. Найбільшу кількість марганцю, як і міді, накопичує
кладофора, а найменшу – кушир.

Пігментна система макрофітів за дії іонів марганцю (ІІ). Проведені нами
дослідження щодо впливу Mn2+ водного середовища на пігментну систему
водяних макрофітів свідчать про його ступінчастість: двотижнева дія5–20
мкг/дм3 Mn2+ є сприятливою для функціонування пігментного комплексу
рослин, що випливає з підвищення вмісту хлорофілів і каротиноїдів.
Водночас при довготривалому впливі 50 мкг/дм3 іонів марганцю і більше
виявляється їх токсичність для пігментної системи макрофітів (зменшення
загальної кількості фотосинтетичних пігментів).

Аналіз одержаних даних показує, що за двотижневої дії 50 мкг/дм3 Mn2+ на
кушир і 100 мкг/дм3 Mn2+ на кладофору зниження вмісту хлорофілів
супроводжується зростанням концентрації каротиноїдів, що, очевидно,
зумовлено їх захисними (антиокиснювальними) функціями [Золотухина и др.,
1987]. Встановлено, що зменшення загальної кількості пігментів у
занурених вищих водяних рослинах і кладофорі відбувається за дії Mn2+ у
концентрації 100–200 мкг/дм3 протягом 14 діб. При цьому найбільше
знижується вміст пігментів у різусі (хлорофілу а – на 29,9–42,3%,
хлорофілу b – на 21,7–36,9%, каротиноїдів – на 11,3–28,6% порівняно з
контролем). Водночас в едогоніумі лише при 200 мкг/дм3 Mn2+ у воді
зменшується вміст хлорофілу а, тобто пігментна система цього виду
водоростей виявилась найстійкішою до впливу Mn2+ водного середовища.
Зменшення вмісту пігментів у рослинних організмах, очевидно, пов’язане з
тим, що іони Mn2+ можуть зв’язуватися з ендогенними хелаторами –
переносниками Fe2+ до місць їх включення в метаболізм порфіринів або
вибірково заміщати іони заліза в активних центрах ряду ферментів, у тому
числі тих, які беруть участь у синтезі тетрапіролів, створюючи тим самим
дефіцит Fe2+ in situ [Шалыго и др., 1997].

При накопиченні у рослинному організмі токсичних концентрацій іонів
марганцю, як і іонів міді, або таких, що наближаються до токсичних,
відбувається зменшення величини співвідношення хлорофіл а/хлорофіл b.

Газообмін макрофітів за дії іонів марганцю (ІІ). Проведені нами
дослідження впливу підвищеної концентрації іонів марганцю на фотосинтез
і темнове дихання водяних макрофітів показали, що 5–200 мкг/дм3 Mn2+ у
водному середовищі через добу стимулюють їх газообмін. Зростання
інтенсивності фотосинтезу за дії іонів марганцю пов’язано, очевидно, з
тим, що вони беруть участь у роботі фотосистеми ІІ, оскільки входять до
складу комплексу, що виділяє кисень, і відіграють важливу роль у
перебігу редокс-процесів, пов’язаних із окисненням води до молекулярного
кисню [Физиология растительных …, 1989]. Поряд із „структурними”
функціями марганцю відмічають його каталітичну роль в утворенні О2
[Бойченко, 1979]. Марганець у малій кількості також підвищує активність
окиснювальних ферментів і необхідний для здійснення циклу Кребса
[Никаноров и др., 1985; Ильин, 1985].

r

Ue

h

p

r

?

l

n

D

h

n

p

I

O

U

TH

a

ae

@ в хлоропласти макрофітів зменшується активність комплексу, що виділяє
кисень, внаслідок пригнічення синтезу і оновлення пігментів, які входять
до його складу, та їх деструкції.

За дії досліджуваних концентрацій іонів марганцю пригнічення
газообмінних процесів у едогоніуму не виявлено. Нижча інтенсивність
поглинання іонів марганцю едогоніумом порівняно з кладофорою може бути
причиною його резистентності до підвищення їх концентрації у воді.

Результати досліджень впливу підвищеної концентрації Mn2+ і Сu2+ у
водному середовищі на занурені вищі водяні рослини і зелені нитчасті
водорості свідчать про те, що іони марганцю при більшому їх накопиченні
в рослинному організмі виявляють меншу токсичність для газообмінних
функцій порівняно з іонами міді.

На підставі одержаних даних можна зробити висновок, що про токсичний
вплив іонів міді і марганцю водного середовища на макрофіти свідчить
зниження величини співвідношення фотосинтез/дихання.

CУМІСНИЙ ВПЛИВ ІОНІВ МІДІ (ІІ) І МАРГАНЦЮ (ІІ) ВОДНОГО СЕРЕДОВИЩА НА
МАКРОФІТИ

5.1. Накопичення міді (ІІ) і марганцю (ІІ) макрофітами за сумісної дії
іонів цих металів. Відомо, що хімічні речовини, які є токсичними при
індивідуальному впливі, іноді призводять до протилежних наслідків за дії
їх суміші [Juing et al., 1995]. У зв’язку з поліметалічним забрудненням
водних екосистем вивчення сумісної дії іонів металів на функціонування
макрофітів має важливе значення для оцінки токсичності середовища
залежно від його компонентного складу.

Одержані результати з накопичення водяними рослинами Cu2+ і Mn2+ із
суміші відрізнялись від даних щодо їх акумуляції при впливі іонів лише
одного металу. Так, за спільної дії підвищеної концентрації Cu2+ і Mn2+
(відповідно 5–20 і 50–200 мкг/дм3) на водяні рослини в більшості
випадків вміст обох акумульованих металів був нижчий, ніж при
індивідуальному їх впливі у відповідній кількості, тобто виявлявся
антагонізм іонів. Для пояснення природи взаємодії іонів при поглинанні
їх із суміші (змішаних розчинів) іноді використовують концепцію
подвійного механізму Епштейна, згідно з якою при певній концентрації
металів у середовищі спостерігається високий рівень спорідненості
переносників до іонів, яка має конкурентний характер [Микроэлементы:
поступление …, 1987]. Очевидно, це пов’язано з тим, що двовалентні
форми міді і марганцю мають близький за розміром радіус іонів [Padua,
Casimiro, 1994]. Поряд з цим встановлено, що спільний вплив10–20 мкг/дм3
Cu2+ і 100–200 мкг/дм3 Mn2+ на різуху призводить до зростання рівня
накопичення як міді, так і марганцю порівняно з таким за окремої дії
катіонів у відповідній кількості, а отже, спостерігається їх синергічна
взаємодія. Можливо, це пов’язано з тим, що зазначені концентрації
металів, як показано у попередніх розділах, є високотоксичними для
різухи і спричиняють значні порушення фізіологічних функцій і структурні
зміни у рослинному організмі, в тому числі деструкцію клітинних
оболонок. Це, в свою чергу, є причиною неконтрольованого проникнення
іонів металів усередину клітин.

Таким чином, виявлено, що взаємовплив Cu2+ і Mn2+ при акумуляції
макрофітами залежить від співвідношення їх концентрацій і виду
досліджуваних рослин.

5.2. Пігментна система та газообмін макрофітів за сумісної дії іонів
міді (ІІ) і марганцю (ІІ). Результати досліджень комбінованої дії іонів
міді і марганцю на пігментну систему та газообмінні функції макрофітів
свідчать про модифікацію впливу іонів окремих металів: за низької
концентрації (0,5 мкг/дм3 Cu2+ + 5 мкг/дм3 Mn2+ і 2 мкг/дм3 Cu2+ + 20
мкг/дм3 Mn2+) у більшості випадків відбувається активація синтезу
пігментів, фотосинтезу, дихання, при вищій (5–20 мкг/дм3 Cu2+ + 50–200
мкг/дм3 Mn2+) – звичайно виявляється їх антагоністична дія і знижується
токсичність. Така взаємодія іонів металів пов’язана з модифікацією їх
вмісту у рослинному організмі при акумуляції із суміші.

Зміна концентрації пігментів та інтенсивності фотосинтезу і темнового
дихання у водяних рослин за сумісної дії Cu2+ і Mn2+ відбувається
неоднаково у різних видів макрофітів, що може бути пов’язано з
відмінностями їх біологічних характеристик і чутливості до дії іонів
металів. Так, при комбінованому надходженні у водне середовище іонів
металів у високій концентрації (10 мкг/дм3 Cu2+ + 100 мкг/дм3 Mn2+ і 20
мкг/дм3 Cu2+ + 200 мкг/дм3 Mn2+) їх токсичність для пігментної системи і
газообмінних процесів кушира і нитчастих водоростей менша, ніж за
окремої дії Cu2+ і Mn2+ або лише Cu2+, тобто відбувається антагоністична
взаємодія іонів металів (рис. 3).

Рис. 3. Інтенсивність фотосинтезу (а) та дихання (б) кушира за
індивідуальної і сумісної дії Cu2+ і Mn2+ водного середовища (M(m; n =
4–5)

Очевидно, це зумовлено антагонізмом Cu2+ і Mn2+, який виявляється при їх
поглинанні (тобто зменшенням накопичення металів із суміші). Водночас у
найбільш чутливого з досліджуваних макрофітів – різухи – за сумісної дії
тієї ж концентрації іонів міді і марганцю зафіксовано їх синергізм
(зростання токсичності), що пов’язано з накопиченням значної кількості
обох металів у її тканинах.

Таким чином, результати вивчення дії Cu2+ і Mn2+ на макрофіти при
окремому та спільному надходженні іонів металів у водне середовище
свідчать про те, що їх взаємовплив виявляється як у модифікації
акумуляції міді і марганцю рослинним організмом, так і у зміні
токсичності. Нами було показано, що відповідна реакція газообмінних
процесів і пігментної системи макрофітів на поєднану дію іонів металів
залежить від співвідношення їх концентрацій та досліджуваного виду
водяних рослин.

Результати досліджень щодо індивідуального і сумісного впливу Cu2+ і
Mn2+ на макрофіти підтверджують перспективність застосування методів
біотестування, тобто оцінки якості води за допомогою реєстрації зміни
біологічних показників гідробіонтів, оскільки вони дозволяють
здійснювати комплексну оцінку токсичності розчину, без поділу його на
компоненти. На підставі одержаних нами даних можна дійти висновку про
ефективність впровадження в систему біотестування окремих представників
макрофітів (занурених вищих водяних рослин і зелених нитчастих
водоростей) як біодатчиків інформації про забруднення водного середовища
важкими металами.

На базі досліджень електрофізіологічної активності макрофітів нами
розроблено метод біотестування токсичності оточуючого середовища. В
основу цього методу покладено принцип реєстрації індукованої світлом
біоелектричної реакції у рослин, яка виявляється завдяки процесу
фотосинтезу і складається з чотирьох фаз [Пасичный, Величко, Пасичная,
2000].

Проведені дослідження також доводять, що як тест-функції, які достатньо
чутливі, відносно легко реєструються і добре відтворюються, доцільно
використовувати фотосинтез і дихання макрофітів. Було встановлено, що
збільшення величини відношення фотосинтез/дихання свідчить про зростання
продуктивності макрофітів, а зменшення – про токсичний вплив компонентів
водного середовища на їх життєдіяльність, що узгоджується з
літературними даними [Брагинский, Бескаравайная, 1983]. На підставі
одержаних нами даних було розроблено метод біотестування водного
середовища, що базується на порівняльному аналізі співвідношення між
інтенсивністю фотосинтезу і дихання макрофітів у досліджуваній та
контрольній воді і дозволяє здійснювати інтегральну оцінку токсичності
водного розчину будь-якого хімічного складу [Мережко, Пасичная,
Пасичный, 1996].

Як показують результати досліджень, газообмінні функції різухи і кушира
є більш чутливими до впливу підвищеної концентрації іонів важких
металів, ніж кладофори та едогоніуму. Тому занурені вищі водяні рослини
доцільніше застосовувати як тест-об’єкти при біотестуванні токсичності
води.

УЗАГАЛЬНЕННЯ

Підсумовуючи матеріали, викладені у попередніх розділах, можна
стверджувати, що вплив Cu2+ і Mn2+ на макрофіти залежить від кількості
іонів у водному середовищі, експозиції, накопичення металів у рослинному
організмі (у більшості випадків зі збільшенням концентрації Cu2+ і Mn2+
у воді, тривалості їх дії і вмісту у рослинах токсичний ефект зростає),
а також від функціонування їх адаптивних механізмів.

Одержані дані свідчать про те, що відгук фізіолого-біохімічних процесів
макрофітів на вплив іонів металів слід оцінювати за результатами
тривалих (двотижневих) досліджень, після проходження організмом усіх фаз
інтоксикації та адаптації, оскільки стимуляція процесів життєдіяльності
у короткочасному експерименті може бути первинною захисною реакцією
рослинного організму на вплив токсиканту.

У хронічних дослідах було виявлено, що 0,5 мкг/дм3 Cu2+ і 5–20 мкг/дм3
Mn2+ у водному середовищі інтенсифікують газообмінні функції, синтез
пігментів у вищих водяних рослин, а 0,5–5 мкг/дм3 Cu2+ і 5–50 мкг/дм3
Mn2+ – у нитчастих водоростей, що може спричиняти підвищення
продуктивності макрофітів. Перевищення ж вказаного вмісту іонів металів
у воді призводить до пригнічення цих процесів.

Встановлено, що при надлишку іонів міді і марганцю у водному середовищі
інгібування деяких із досліджуваних процесів може супроводжуватися
стимуляцією інших: поряд зі зниженням інтенсивності фотосинтезу і
концентрації хлорофілу а відбувається прискорення дихання і збільшення
відносного вмісту хлорофілу b та каротиноїдів. Це свідчить про
напруження адаптивних механізмів рослинного організму, які протидіють
інтоксикації іонами металів. Активація поглинання О2 є захисною реакцією
на нестачу енергетичних запасів, що виникає в результаті пригнічення
фотосинтезу [Полищук, 1973], а підвищення вмісту каротиноїдів спрямоване
проти фотодеструкції і пероксидного окиснення хлорофілів [Золотухина и
др., 1987].

Одержана інформація щодо накопичення значної кількості міді і марганцю в
едогоніумі і кладофорі без порушення фізіологічних функцій дозволяє
говорити не лише про відносну стійкість цих водоростей до надлишку Cu2+
і Mn2+ у водному середовищі, а й про їх підвищену адаптивну здатність до
іонів цих металів. Це дає можливість рекомендувати використання
едогоніуму і кладофори як біомоніторів забруднення води іонами міді і
марганцю, а також для видалення їх із води з метою її очищення. На
основі аналізу шляхів адаптації гідрофітів до збільшення концентрації
важких металів у воді [Гапочка, 1999] можна зробити висновок, що у
нитчастих водоростей вона здійснюється за рахунок інактивації Cu2+ і
Mn2+ у клітинах утворенням комплексів або ізоляцією.

Загалом за стійкістю до впливу іонів міді і марганцю досліджувані види
макрофітів можна розташувати у такий ряд: едогоніум > кладофора > кушир
> різуха.

Таким чином, серед водяних макрофітів спорові рослини (нитчасті
водорості) є стійкішими до дії іонів важких металів, ніж квіткові
(занурені вищі водяні рослини). А найбільш стійкі до впливу підвищеної
концентрації Cu2+ і Mn2+ едогонієві водорості відрізняються від інших
розглянутих видів макрофітів значною геологічною давністю (перші їх
знахідки належать до середньодевонських відкладів [Водоросли:
справочник, 1989]).

ВИСНОВКИ

1. Динаміка поглинання Cu2+ і Mn2+ зануреними вищими водяними рослинами
і зеленими нитчастими водоростями залежить від концентрації катіонів у
водному середовищі та експозиції. Із зростанням їх рівня у воді і
тривалості дії у більшості випадків підвищується вміст металів у
макрофітах. За здатністю до накопичення іонів міді і марганцю макрофіти
можна розташувати у такий ряд: кладофора > едогоніум > різуха > кушир.

2. Іони міді у концентрації 0,5 мкг/дм3 та іони марганцю – 2–20 мкг/дм3
не впливають токсично на досліджувані види макрофітів як у гострих
(протягом доби), так і в хронічних (тривалістю 14 діб) експериментах і
зумовлюють активацію процесів фотосинтезу, дихання і синтезу пігментів.

3. Виявлено двофазну дію підвищеної концентрації іонів металів на
макрофіти (2–5 мкг/дм3 Cu2+ – на різуху, 20 мкг/дм3 Cu2+ – на нитчасті
водорості та 100–200 мкг/дм3 Mn2+ – на вищі водяні рослини і кладофору):
зростання інтенсивності їх газообмінних процесів і вмісту пігментів
через добу змінюється зниженням цих показників через 14 діб. За дії
10–20 мкг/дм3 Cu2+ на вищі водяні рослини зменшення їх рівня
відбувається вже через 24 год, а при двотижневій експозиції токсичний
ефект посилюється, що пов’язано з кількісною кумуляцією металу в
рослинних організмах.

4. За двотижневої дії 2–5 мкг/дм3 Cu2+ і 50 мкг/дм3 Mn2+ на вищі водяні
рослини, 20 мкг/дм3 Cu2+ і 100–200 мкг/дм3 Mn2+ – на нитчасті водорості
поряд зі зниженням вмісту хлорофілу а і/або інтенсивності фотосинтезу
зростає відносний вміст хлорофілу b та каротиноїдів і/або активується
дихання – адаптивні процеси, спрямовані на нормалізацію перебігу
фотохімічних реакцій та енергетичного забезпечення рослинного організму.

5. У різухи і кушира пригнічення процесів газообміну і зменшення вмісту
пігментів відбувається при нижчій концентрації Cu2+ і Mn2+ у водному
середовищі (2–5 мкг/дм3 Cu2+ і 50 мкг/дм3 Mn2+), ніж у кладофори та
едогоніуму (20 мкг/дм3 Cu2+ і 100–200 мкг/дм3 Mn2+), тобто занурені вищі
водяні рослини більш чутливі до іонів міді та марганцю, ніж зелені
нитчасті водорості. Найбільш токсичними іони цих металів виявились для
різухи, а найстійкішим до їх дії є едогоніум.

6. Встановлено зв’язок між кількістю акумульованого макрофітами металу і
його дією на рослинний організм. У різухи і кушира пригнічення
фотосинтезу, дихання і зменшення концентрації пігментів відбувається при
накопиченні меншої кількості міді та марганцю (? 15–19 мкг Cu/г сухої
маси і ?400-700 мкг Mn/г сухої маси), ніж у едогоніуму та кладофори
(>71–89 мкг Cu/г сухої маси і >1000 мкг Mn/г сухої маси).

7. Доведено, що іони марганцю водного середовища менш токсично впливають
на газообмінні функції та пігментну систему макрофітів, ніж іони міді:
деструктивна дія Mn2+ виявляється у концентрації 50 мкг/дм3 і більше,
водночас як Cu2+ – вже при 2–5 мкг/дм3.

8. Встановлено, що показником токсичної дії іонів міді і марганцю на
макрофіти є зменшення величини відношень хлорофіл а/хлорофіл b та
фотосинтез/дихання порівняно з контролем, яке у вищих водяних рослин
відбувається при нижчій концентрації іонів металів у водному середовищі
(2–5 мкг/дм3 Cu2+ і 50 мкг/дм3 Mn2+), ніж у нитчастих водоростей (10–20
мкг/дм3 Cu2+ і 100–200 мкг/дм3 Mn2+).

9. Виявлено антагоністичну дію іонів міді у концентрації 5–20 мкг/дм3 та
іонів марганцю – 50–200 мкг/дм3 на газообмінні функції і пігментну
систему макрофітів, що є наслідком антагонізму іонів при їх поглинанні.
Водночас у найбільш чутливого з досліджуваних макрофітів – різухи – при
сумісному впливі Cu2+ і Mn2+ (відповідно 10–20 і 100–200 мкг/дм3)
виявляється їх синергізм, що пов’язано з акумуляцією значної кількості
обох металів у її тканинах.

10. Відносна стійкість едогоніуму і кладофори до дії Cu2+ та Mn2+, поряд
зі здатністю акумулювати значну кількість металів, дозволяє
рекомендувати використання зелених нитчастих водоростей як моніторів
забруднення водного середовища іонами цих металів та для очищення від
них води (з наступним видаленням біомаси). Висока чутливість
газообмінних процесів різухи і кушира до дії Cu2+ і Mn2+ дає можливість
застосовувати їх як тест-об’єкти, а фотосинтез і дихання – як
тест-функції при біотестуванні вод.

СПИСОК НАУКОВИХ ПРАЦЬ, ОПУБЛІКОВАНИХ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Мережко А.И., Пасичная Е.А, Пасичный А.П. Биотестирование токсичности
водной среды по функциональным характеристикам макрофитов // Гидробиол.
журн. – 1996. – Т. 32, № 1. – С. 87–94 (визначення інтенсивності
фотосинтезу і дихання макрофітів за дії досліджуваних зразків води,
участь у розробці методу визначення токсичності води та класифікації
якості природних і стічних вод).

2. Пасичный А.П., Величко И.М., Пасичная Е.А. Электрофизиологические
аспекты биотестирования токсичности водной среды на гидрофитах //
Гидробиол. журн. – 2000. – Т. 36, № 4. – С. 30–44 (реєстрація
біоелектричної реакції гідрофітів за дії іонів міді (ІІ), участь в
аналізі, узагальненні одержаних даних і написанні статті).

3. Пасичная Е.А. Токсичность меди для гидрофитов: аккумуляция, влияние
на фотосинтез, дыхание, пигментную систему (обзор) // Гидробиол. журн. –
2001. – Т. 37, № 3. – С. 93–107.

4. Пасічна О.О. Порівняльна характеристика дії йонів важких металів на
вищі водяні рослини та нитчасті водорості // Наук. зап. Терноп.
педуні-ту ім. В.Гнатюка. Сер.: біологія. Спец. випуск: гідроекологія. –
2001. – № 3 (14). – С. 222–224.

5. Пасічна О.О., Арсан О.М. Індивідуальний та сумісний вплив іонів міді
та мангану на кушир темно-зелений (Ceratophyllum demersum L.) // Доп.
НАН України. – 2002. – № 1. – С. 180–184.

6. Пасічна О.О., Арсан О.М. Вплив йонів міді та мангану на газообмінні
функції та пігментний комплекс різухи гваделупської (Najas guadelupensis
L.) // Наук. зап. Терноп. педуні-ту ім. В.Гнатюка. Сер.: біологія. –
2002. – № 1 (16). – С. 59–67.

7. Пасичная Е.А., Арсан О.М. Накопление меди и марганца некоторыми
погруженными высшими водными растениями и нитчатыми водорослями //
Гидробиол. журн. – 2003. – Т. 39, № 3. – С. 65–73.

8. Пасичный А.П., Пасичная Е.А. Биотестирование качества воды по
функциональным характеристикам гидрофитов // Тези доп. 2-го з`їзду
Гідроекол. т-ва України. – К., 1997. – С. 83–84.

9. Пасичная Е.А. Газообменные функции водорослей при токсическом
воздействии и их использование для биотестирования качества водной среды
// Тез. докл. ІІ Междунар. конф. “Актуальные проблемы современной
альгологии”. – Киев, 1999. – Альгология. – 1999. – Т. 9, № 2. – С.
110–111.

10. Пасічна О.О. Газообмінні функції макрофітів в умовах забруднення
водного середовища токсичними речовинами та їх використання для
біотестування якості води // Матеріали конф. молодих вчених-ботаніків
України “Актуальні питання ботаніки та екології”. – Ніжин, 1999. – С.
90.

11. Пасичная Е.А. Оценка качества воды по газообменным функциям
гидрофитов // Материалы V Междунар. науч.-практ. конф. “Вода: проблемы и
решения”. – Днепропетровск, 1999. – С. 84–87.

12. Пасічна О.О. Фотосинтез і дихання гідрофітів при токсичних впливах
та їх використання у біотестуванні вод // Тези доп. ІІІ Всеукр.
наук.-практ. конф. студентів, аспірантів та молодих вчених з міжнарод.
участю “Екологія. Людина. Суспільство”. – К., 2000. – С. 30–31.

13. Пасічна О.О. Вплив міді та марганцю на фотосинтез, дихання та
пігментну систему гідрофітів // Тези доп. Міжнар. конф. “Проблеми
сучасної екології”. – Запоріжжя, 2000. – С. 32.

14. Пасічна О.О. Вплив іонів міді на водяні макрофіти: стрес і адаптація
// Тези доп. Міжнар. конф. молодих вчених “Рослина і середовище:
фізіологія, генетика, фітоценологія, агроекологія”. – Харків, 2001. – С.
36–37.

15. Пасічна О.О. Адаптивні процеси гідрофітів в умовах стресового впливу
важких металів // Тез. докл. Междунар. науч.-практ. конф. молодых ученых
“Проблемы аквакультуры и функционирования водных экосистем”. – Киев,
2002. – С. 180–182.

16. Пасічна О.О. Функціональні показники гідрофітів в залежності від
вмісту важких металів у водному середовищі // Матеріали конф. молодих
вчених-ботаніків України “Актуальні проблеми систематики, флористики,
екології та збереження фіторізноманіття”. – Львів, 2002. – С. 194–196.

17. Пасичная Е.А. Погруженные макрофиты как мониторы загрязнения водной
среды тяжелыми металлами // Тез. докл. XII Междунар. конф. молодых
ученых “Биология внутренних вод: проблемы экологии и биоразнообразия”. –
Борок, 2002. – С. 14–15.

18. Пасічна О.О. Вищі водяні рослини та нитчасті водорості в системі
моніторингу забруднення водного середовища важкими металами // Тези доп.
ювілейної наук. конф. студентів, аспірантів і молодих вчених,
присвяченої 180-річчю з дня народження Л.С.Ценковського
“Біорізноманіття. Екологія. Еволюція. Адаптація.” – Одеса, 2003. – С.
123.

19. Пасічна О.О. Оцінка чутливості гідрофітів до іонів важких металів //
Тез. докл. Всеукр. конф. молодых ученых “Актуальные вопросы современного
естествознания – 2003”. – Симферополь, 2003.– С. 68–69.

Анотація

Пасічна О.О. Газообмін та пігментна система макрофітів за дії іонів міді
(ІІ) і марганцю (ІІ) водного середовища. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата біологічних наук зі
спеціальності 03.00.17 – гідробіологія. – Інститут гідробіології НАН
України, Київ, 2004.

Дисертація присвячена встановленню закономірностей індивідуальної та
сумісної дії іонів міді (ІІ) і марганцю (ІІ) у концентрації, що
відповідає їх реальному рівню у природних водах, на фотосинтез, дихання,
вмістхлорофілу а, хлорофілу b і каротиноїдів у занурених вищих водяних
рослинах Najas guadelupensis L., Ceratophyllum demersum L. і зелених
нитчастих водоростях Oedogonium cardiacum (Hass.) Wittr., Cladophora
glomerata (L.) Kuetz.

Досліджено акумуляцію іонів міді і марганцю макрофітами. За здатністю до
накопичення металів їх можна розташувати у такий ряд: Cl. glomerata >Oe.
cardiacum > N. guadelupensis > C. demersum.

У N. guadelupensis і C. demersum пригнічення процесів газообміну та
зменшення вмісту пігментів відбувається при нижчій концентрації іонів
міді і марганцю у водному середовищі (2–5 мкг/дм3 Cu2+ і 50 мкг/дм3
Mn2+), ніж у Oe. cardiacum та Cl. glomerata (20 мкг/дм3 Cu2+ і 100–200
мкг/дм3 Mn2+).

Виявлено антагоністичну дію іонів міді у концентрації 5–20 мкг/дм3 та
іонів марганцю – 50–200 мкг/дм3 на фотосинтез, дихання і пігментну
систему більшості макрофітів, що є наслідком антагонізму іонів при їх
поглинанні.

Рекомендовано використання едогоніуму і кладофори як біомоніторів
забруднення водного середовища іонами міді і марганцю. Запропоновано
метод біотестування токсичності водного середовища, що базується на
порівняльному аналізі співвідношення між інтенсивністю фотосинтезу і
дихання макрофітів у досліджуваній та контрольній воді.

Ключові слова: макрофіти, водне середовище, мідь, марганець, фотосинтез,
дихання, пігментна система, акумуляція, моніторинг, токсичність води.

Аннотация

Пасичная Е.А. Газообмен и пигментная система макрофитов при действии
ионов меди (ІІ) и марганца (ІІ) водной среды. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата биологических наук по
специальности 03.00.17 – гидробиология. – Институт гидробиологии НАН
Украины, Киев, 2004.

Диссертация посвящена установлению закономерностей индивидуального и
совместного действия ионов меди (ІІ) и марганца (ІІ) в концентрации,
которая соответствует их реальному уровню в природных водах, на
фотосинтез, дыхание, содержание хлорофилла а, хлорофилла b и
каротиноидов в погруженных высших водных растениях Najas guadelupensis
L., Ceratophyllum demersum L. и зеленых нитчатых водорослях Oedogonium
cardiacum (Hass.) Wittr., Cladophora glomerata (L.) Kuetz.

Исследована аккумуляция ионов меди и марганца макрофитами. Динамика
поглощения Cu2+ и Mn2+ погруженными высшими водными растениями и
зелеными нитчатыми водорослями зависит от концентрации ионов в водной
среде и экспозиции. В большинстве случаев с увеличением их уровня в воде
и длительности действия повышается содержание металлов в макрофитах. По
способности к накоплению металлов их можно расположить в ряд: Cl.
glomerata > Oe. cardiacum > N. guadelupensis > C. demersum.

Обнаружено, что ионы меди в концентрации 0,5 мкг/дм3 и ионы марганца –
5–20 мкг/дм3 не оказывают токсического влияния на исследованные виды
макрофитов как в острых (на протяжении суток), так и в хронических
(длительностью 14 суток) экспериментах и обусловливают активацию
процессов фотосинтеза, дыхания, синтеза пигментов.

У N. guadelupensis и C. demersum угнетение процессов газообмена и
уменьшение содержания пигментов происходит при более низкой концентрации
ионов меди и марганца в водной среде (2–5 мкг/дм3 Cu2+ и 50 мкг/дм3
Mn2+), чем у Oe. cardiacum и Cl. glomerata (20 мкг/дм3 Cu2+ и 100–200
мкг/дм3 Mn2+), т. е. погруженные высшие водные растения более
чувствительны к ионам меди и марганца, чем зеленые нитчатые водоросли.
Наиболее токсичны Cu2+ и Mn2+ для N. guadelupensis, а самый устойчивый к
их действию – Oe. cardiacum.

Установлена связь между уровнем аккумулированного макрофитами металла и
его действием на растительный организм. У N. guadelupensis иC. demersum
угнетение фотосинтеза, дыхания и уменьшение содержания пигментов
происходит при накоплении меньшего количества меди и марганца (? 15–19
мкг Cu/г сухой массы и ?400–700 мкг Mn/г сухой массы), чем у Oe.
cardiacum и Cl. glomerata (>71–89 мкг Cu/г сухой массы и >1000 мкг Mn/г
сухой массы).

Выявлено антагонистическое влияние ионов меди в концентрации 5–20
мкг/дм3 и ионов марганца – 50–200 мкг/дм3 на процессы газообмена и
пигментную систему макрофитов, что является следствием антагонизма ионов
при их поглощении (снижения накопления металлов из смеси). В то же время
у наиболее чувствительного из исследованных растений – N. guadelupensis
– при совместном влиянии Cu2+ и Mn2+ (соответственно 10–20 и 100–200
мкг/дм3) проявляется их синергизм, что связано со значительным
нарушением физиологических функций и деструкцией клеточных оболочек,
вследствие чего в растительный организм проникает значительное
количество обоих металлов.

Показателем токсического действия ионов меди и марганца на макрофиты
является уменьшение величины соотношений хлорофилл а/хлорофилл b и
фотосинтез/дыхание по сравнению с контролем, которое у высших водных
растений происходит при более низкой концентрации ионов металлов в
водной среде (2–5 мкг/дм3 Cu2+ и 50 мкг/дм3 Mn2+), чем у нитчатых
водорослей (10–20 мкг/дм3 Cu2+ и 100–200 мкг/дм3 Mn2+).

Полученные данные о накоплении значительного количества меди и марганца
в нитчатых водорослях без нарушения физиологических функций
свидетельствуют об их повышенной адаптивной способности к ионам этих
металлов, что обеспечивается их инактивацией в клетках путем образования
комплексов. Результаты исследований дают возможность рекомендовать
использование Oe. cardiacum и Cl. glomerata как биомониторов загрязнения
воды ионами меди и марганца, а также для очищения от них воды (с
последующим удалением биомассы водорослей).

Предложено метод биотестирования токсичности водной среды, который
основан на сравнительном анализе соотношения между интенсивностью
фотосинтеза и дыхания макрофитов в исследуемой и контрольной воде.

Ключевые слова: макрофиты, водная среда, медь, марганец, фотосинтез,
дыхание, пигментная система, аккумуляция, мониторинг, токсичность воды.

Summary

Pasichna O.O. Gas exchange and pigment system of macrophytes under
influence of copper (II) and manganese (II) ions of aquatic environment.
– Manuscript.

Thesis for the degree of Candidate of Biological sciences by speciality
03.00.07 – Hydrobiology. – Institute of Hydrobiology, National Academy
of Sciences of Ukraine, Kyiv, 2004.

Regularities of individual and simultaneous influence of copper and
manganese ions on photosynthesis, respiration, content of chlorophyll a,
chlorophyll b and carotenoids in the submersed higher aquatic plants
Najas guadelupensis L., Ceratophyllum demersum L. and green filamentous
algae Oedogonium cardiacum (Hass.) Wittr., Cladophora glomerata (L.)
Kuetz have been established. The concentrations of Cu2+ and Mn2+ in the
aquatic environment were similar to the ones really existing in natural
waters.

Accumulation of copper and manganese ions by the macrophytes has been
studied. For their ability to accumulate the metals they can be placed
in a row: Cl. glomerata > Oe. cardiacum > N. guadelupensis > C.
demersum.

It has been found that the less quantities of Cu2+ and Mn2+ in aquatic
environment depress gas exchange functions and reduce the content of
pigments in N. guadelupensis and C. demersum (2–5 ?g/L Cu2+ and 50 ?g/L
Mn2+) than in Oe. cardiacum and Cl. glomerata (20 ?g/L Cu2+ and 100–200
?g/L Mn2+).

Copper and manganese ions mostly present antagonistic effect on
photosynthesis, respiration and pigment system of the macrophytes when
the concentrations of Cu2+ in aquatic environment are 5–20 ?g/L and Mn2+
– 50–200 ?g/L. It is coursed by antagonism of copper and manganese ions
in the process of their accumulation by macrophytes.

Use of Oe. cardiacum and Cl. glomerata as species-monitors for control
the level of copper and manganese ions in the aquatic environment has
been recommended. The method for water toxicity estimation based on the
comparative analysis of correlation between photosynthesis and
respiration intensities of macrophytes in the tested and control water
samples has been proposed.

Keywords: macrophytes, aquatic environment, copper, manganese,
photosynthesis, respiration, pigment system, accumulation, monitoring,
water toxicity.

PAGE 21

А

А

А

А

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *