Цианобактерии nostoc linckia как биосорбенты и биоремедиаторы
|
|  Yüklə 163 Kb.
|
| Горностаева Елена Анатольевна
ФГБОУ ВПО Вятская государственная сельскохозяйственная академия, г. Киров, Россия Научный руководитель: Домрачева Л.И., д.б.н., профессор ВГСХА, ЦИАНОБАКТЕРИИ NOSTOC LINCKIA КАК БИОСОРБЕНТЫ И БИОРЕМЕДИАТОРЫ Тяжелые металлы (ТМ) – один из наиболее приоритетных загрязнителей окружающей среды. Источником ТМ являются промышленные предприятия, транспорт, сельское хозяйство и др. При этом выброс ТМ может иметь протяженность до 30–40 км [2]. Высокие концентрации ТМ наблюдаются не только в почве техногенных территорий, но и в агросистемах, мигрируя в растения, в том числе и товарную часть. Поэтому чрезвычайно актуальна проблема, связанная с биоремедиацией почв, загрязненных ТМ, в частности, поиска микроорганизмов, которые выполняли бы защитные функции. Цианобактерии (ЦБ) – распространенная группа микроорганизмов, которая встречается и в воде, и в почве, способная к фотосинтезу и азотфиксации. Это древнейшие организмы, которые могут адаптироваться к экстремальным условиям благодаря своим биохимическим и физиологическим свойствам и возможности аккумулировать и обезвреживать различные ксенобиотики. Не случайно в химически загрязненных почвах наблюдается феномен цианофитизации альго-циано-бактериальных комплексов [1, 3]. Цель: показать биосорбционные и биоремедиационные способности ЦБ Nostoc linckia. Задачи: 1. Показать физиологический отклик ЦБ N. linckia на действие ТМ; 2. Указать на сорбционные возможности N. linckia; 3. Доказать эффективность цианобактериальной обработки семян при фиторемедиации почв, загрязненных ТМ. Для данных опытов был использован штамм ЦБ Nostoc linckia (Roth.) Born and Flah. № 271 из музея фототрофных микроорганизмов кафедры биологии растений, селекции и семеноводства, микробиологии Вятской ГСХА. Физиологический отклик исследуемой ЦБ N. linckia на действие меди и никеля определяли интенсивностью биохемилюминесценции (БХЛ). Измерения проводились на биохемилюминометре БХЛ-07 на базе ФГБУН «Кировского НИИ гематологии переливания крови Федерального медико-биологического агентства» [5]. Предварительно выращивали культуру на среде Громова №6 без азота в течение 2-х месяцев в люминостате при постоянной температуре (+25°С) и 12-ти часовом освещении (3000 лк). Перед использованием культуру разбивали на гомогенизаторе при 9000 об./мин в течение 5 минут. Определяли оптимальный титр. Контакт с Cu (II) составлял 12 часов. Вели определение хлорофилла а спектрометрическим методом по монохроматической методике [6]. В следующем опыте выявляли действие Cu в области концентраций близких к ПДК. Для этого в культуру ЦБ с титром, определенным в предыдущем опыте, добавляли CuSO4•5Н2О так, чтобы концентрация ТМ составляла 0,1, 0,2, 0,4, 0,8, 1,0 мг/л. В третьем опыте расширяли область концентраций ТМ и экспериментировали с различным времени экспозиции – 12 и 24 ч, а концентрации – 0,1, 1, 10 мг/л. Для опыта был установлен оптимальный титр ЦБ, являющийся наиболее чувствительным и, соответственно, показательным при концентрации меди 2 мг/л. Определение хлорофилла а у ЦБ показало зависимость концентрации хлорофилла а от титра клеток: с уменьшением титра – уменьшается количество хлорофилла. Так, при максимальном титре концентрация хлорофилла а равна 34 мг/мл, при 0,61⋅109 кл/мл – 20,2 мг/л, при 0,31⋅109 кл/мл – 12,5 мг/л, при 0,15⋅109 кл/мл - 5,24 мг/л, а при самой малой концентрации ЦБ – 2,71 мг/л. В результате, по интенсивности БХЛ (свечение минимальное – 486±8 мВ) и содержанию хлорофилла а, был выбран оптимальный титр – 0,15⋅109 кл/мл. В следующем опыте было выявлено действие меди на ЦБ в области концентраций близких к ПДК (ПДК=0,1 мг/л). В ходе увеличения концентраций от 0,1 до 1,0 мг/л в целом не прослеживается увеличение БХЛ. К примеру, при концентрации меди в растворах, равной 0,1 и 1,0 мг/л, люминесценция составляет 1720±49 и 2021±36 мВ соответственно, причем свечение культуры без токсиканта равно 1869±67 мВ. Концентрация 0,2 мг/л оказалась наиболее токсичной даже более высоких концентраций Сu, а концентрация 0,4 мг/л вызывает усиление БХЛ. Поскольку в изученных интервалах низких концентраций ТМ не обнаружено закономерностей в интенсивности БХЛ, то в третьем опыте мы взяли более широкий диапазон концентраций. Так, при концентрации 0,1 мг/л наблюдалось увеличение БХЛ через 24ч, а при концентрации 1 и 10 мг/л увеличении времени экспозиции уменьшало максимальную интенсивность БХЛ. В среднем, общий уровень свечения ЦБ через 12 ч выше, чем в контроле. Проследить общее уменьшение БХЛ можно по данным через 24 ч, где значение планомерно уменьшается с увеличением концентраций ТМ. В следующей серии модельных опытов изучали сорбционные способности N. linckia к действию ионов Ni (II) (в виде соли NiSO4⋅7 H2O) с концентрацией 2 и 20 мг/л. Уровень извлечения никеля из жидкой среды определялся методом атомно-адсорбционной спектроскопии (ААС) на базе экоаналитической лаборатории ВятГГУ [4]. Через 14 суток экспозиции ЦБ в загрязненной среде наблюдалась определенная тенденция в поведении ЦБ на поглощение Ni (II) из культуральной среды – чем выше первоначальная концентрация поллютанта, тем полнее его извлечение из среды биомассой ЦБ – 1,307±0,366 и 8,225±2,333 мг/л при 2 и 20 мг/л соответственно. Таким образом, уровень биосорбции Ni может достигать почти 60% (при концентрации в среде ТМ 20 мг/л). Следовательно, ЦБ N. linckia обладает высокой сорбционной активностью. Доказав высокий уровень сорбционных возможностей N. linckia по отношению к Cu и Ni, в следующей серии опытов провели предварительную цианобактериальную инокуляцию семян горчицы (Sinapis alba L.) трехнедельной культурой ЦБ. Полевой опыт был заложен на опытном поле ВГСХА в 2012 г. Фоновое содержание ТМ в почве в контрольных вариантах составило 0,22±0,02 мг/кг. Почва на данной территории дерново-подзолистая, среднесуглинистая: рН – 5,3, гумус – 1, 74%. Площадь учетной делянки – 0,24 м2. Повторность опыта 3-х кратная. Инокулят доводили до титра 8,3·108 кл/мл разбавлением дистиллированной водой. Перед посевом семена предварительно замачивали в инокуляте в течение 12 ч. Уборку урожая проводили через 11 недель после посева. В качестве поллютанта использована медь в виде соли (CuSO4·5Н2О) в различных концентрациях – 3; 150; 300 мг/кг, что соответствует 1; 50; 100 ПДК для почвы. Водные растворы токсикантов вносили в почву после посадки семян, проливая 10-15 см верхнего горизонта. Были выделены контрольные варианты для каждой серии опытов. Это варианты, в которых обработка семян ЦБ не проводилась или, в соответствующих вариантах, проводилась. Во всех случаях воздействия ТМ на данные участки не было. Содержание ТМ в почве, семенах и вегетативной массе определяли методом ААС на базе экоаналитической лаборатории ВятГГУ [4]. Содержание Cu в вегетативной массе не превышает значения ПДК почти во всех вариантах, в отличие от семян. Необходимо заметить, что Cu перераспределяется в наземной части растения неравномерно, особенно концентрируясь в семенах. Данный факт подтверждается и литературными данными. Значения в контроле говорят о протекторном действии ЦБ N. linckia. К примеру, в семенах в вариантах без обработки ЦБ показатель равен 3,6 мг/кг, тогда как с обработкой – 2,5 мг/кг. В вегетативной массе обработка семян горчицы ЦБ привела к наибольшему запасанию ТМ. При концентрации в почве на уровне 1 ПДК защитного эффекта не проявляется. Наоборот, идет некое запасание Cu, что особенно прослеживается в вегетативной массе: без обработки ЦБ – 2,3 мг/кг, с обработкой – 2,9 мг/кг. При концентрации ТМ, равной 150 мг/кг, отмечается защитный эффект ЦБ, как в семенах, так и в вегетативной массе. К примеру, в семенах данные наиболее показательны - 4 мг/кг без обработки ЦБ и 1,9 мг/кг с обработкой N. linckia. Не исключено, что это наиболее «удобная» концентрация для биологических реакций в клетке ЦБ, и в силу этого и происходит протекторное действие N. linckia по отношению к ТМ.
Рис.1. Содержание меди в семенах и вегетативной массе горчицы, мг/кг Извлечение меди из почвы горчицей наблюдается и при концентрации 300 мг/кг. Похожая реакция была заметна и при 1 ПДК. Но в данном случае четко обнаруживается реакция растения на обработку N.linckia, а именно содержания ТМ в семенах: 3 мг/кг без обработки и 3,9 мг/кг с обработкой семян ЦБ. Возможно, такая высокая концентрация поллютанта влияет на проницаемость корней для ТМ, где ЦБ, вероятно, служат каналом для проведения меди в растение. Наиболее тесная корреляция наблюдается в случае без обработки горчицы ЦБ, как в вегетативной массе, так и семенах (r = 0,7). Что касается вариантов с инокуляцией семян горчицы в цианобактериальной массе, то в обоих вариантах коэффициент корреляции Пирсона равен 0,2. Это означает, что N.linckia оказывает неоднозначное влияние на Sinapis alba, то обеспечивая защитную функцию растению, то, наоборот, усиливая всасывание меди в наземную часть растения. Данная работа выполнялась в течение одного учебного года аспирантуры. Принималось непосредственное участие в выполнении или пробоподготовке во всех описанных методиках. Выводы: 1. Не обнаружено закономерных различий в интенсивности БХЛ при воздействии меди в интервалах низких концентраций. При более широком диапазоне концентраций ТМ можно проследить общее уменьшение БХЛ через 24 ч, где оно планомерно уменьшается с увеличением концентраций ТМ. Следовательно, в дальнейшем используемый штамм ЦБ возможно использовать для биотестирования и биоиндикации техногенных территорий; 2. Благодаря высокому уровню сорбции N. linckia по отношению к Ni ЦБ можно рассматривать как перспективный объект для разработки методов цианобактериальной очистки жидкостей от ТМ; 3. Полевой опыт показал, что содержание меди в семенах во всех случаях больше, чем в вегетативной массе. При концентрации 150 мг/кг, как и в контроле, наблюдается протекторное действие со стороны N. linckia. На уровне 1 и 100 ПДК отмечено увеличение извлечения Sinapis alba в комплексе с ЦБ ионов меди (II). Данный факт говорит об усилении фиторемедиационных способностей растения. Отсюда следует, что данные микроорганизмы являются перспективными объектами для ремедиации почв, загрязненных ТМ.
Публикации по данной тематике:
|
