Введение к работе
Актуальность проблемы. По объему поступления в водную среду металлы являются основной группой загрязняющих веществ, главный биологический ущерб наносят тяжелые металлы (ТМ), т.е. металлы плотностью более 5 г/см3. Особое положение ТМ среди загрязнителей связано как с возможностью их накопления и передачи по пищевым цепям, так и с высокой токсичностью, которая приводит к множеству взаимосвязанных изменений на разных уровнях организации: клеточном, популяционном и на уровне сообществ и экосистем, в последних возможны структурные сдвиги и смена видового состава (Reddy, Prasad, 1990). Токсическое действие ТМ прежде всего сказывается на первичных продуцентах - микроводорослях и цианобактериях.
Исследования взаимодействия фитопланктонных организмов с ТМ позволяют проанализировать общие проблемы биогеохимического круговорота веществ в биосфере, геохимии отдельных элементов, существования организмов в экстремальных условиях, физиологической роли ТМ и представляют большой интерес для решения как теоретических вопросов микробиологии и экологии, так и практических задач биотехнологии и охраны окружающей среды. В этих исследованиях можно выделить следующие направления:
-
выяснение действующих концентраций ТМ. вызывающих гибель отдельных видов в водоемах:
-
определение устойчивости объектов к воздействию ТМ и выяснение ПДК на этой основе;
-
удаление и концентрирование ТМ из промышленных стоков, природных водоемов и почв.
Микроводоросли и цианобактерии наравне с гетеротрофными микроорганизмами могут использоваться для детоксикации и извлечения ценных металлов из металлсодержащих стоков, поскольку способны как переводить ТМ в менее опасные формы, так и аккумулировать металлы из водной среды и донных отложений в количестве, многократно превышающем потребность в них. как в компонентах минерального питания; накапливаются и те металлы, которые не используются в метабо-
лизме (Nagase et al., 1994; Whiston et al., 1995).
Ванадий - широко используемый в промышленности элемент, годовое поступление которого из антропогенных источников в окружающую среду составляет до 4 -106т (Бандман, 1989). Основными свойствами ванадия можно считать переменную валентность и биофильность. Ванадий не является необходимым элементом для роста высших растений, но используется некоторыми зелеными, желто-зелеными, бурыми водорослями," содержится в альтернативных нитрогеназах почвенных бактерий. Бактерии рода Pseuuomonas, обладающие ванадатредуктазной активностью, способны в анаэробных условиях использовать ванадат в качестве конечного акцептора электронов, восстанавливая его до V4+ и V3*. Подавляющее большинство работ по изучению физиологического действия ванадия проводится на теплокровных позвоночных (Бандман, 1989: Юркова, Ляликова, 1990; Render, 1991; Itoh et al., 1996).
Цель и задачи исследования. Цель настоящей работы состояла в изучении физиолого-биохимических ответов цианобактерий и микроводорослей на повышенное содержание ванадата (V5+) в водной среде, определении действующих концентраций ванадата. влияния внешних условий на его биоаккумуляцию и проявление токсического эффекта и выяснении причин устойчивости исследуемых организмов к ванадату.
Исходя из цели работы были поставлены следующие задачи:
-
поиск наиболее чувствительных объектов для биотестирования сточных вод на наличие ванадата (определение токсичности, а не концентрации), выяснение пределов их чувствительности, наиболее чувствительных и специфических тест-параметров и влияния внешних условий на проявление токсического эффекта металла;
-
изучение возможности использования устойчивых культур - ак-сеничных или смешанных альго-бактериальных пар - для удаления ванадия из сточных вод: .
-
выяснение внутриклеточных механизмов, определяющих устойчивость к ванадию, в частности, возможности индукции синтеза в клетках цианобактерий и микроводорослей низкомолекулярного белка, спе-
цифически связывающего ванадий.
Научная новизна. В работе показано, что ванадий (V5+) токсичен для фитопланктонных организмов - цианобактерий и зеленых микроводорослей. Полученные данные позволяют предполагать, что токсический эффект ванадия связан со стимуляцией образования свободных радикалов кислорода при взаимодействии ионов металла с компонентами клетки; предложена схема, позволяющая объяснить устойчивость клеток цианобактерий к этому загрязнителю.
Для детоксикации среды от ванадия предложено использовать смешанно-раздельные культуры цианобактерий с гетеротрофным бактериальным компонентом; показано, что устойчивостью данной ассоциации микрорганизмов к ванадату можно управлять, воздействуя на внеклеточный метаболизм цианобактерий путем изменения условий культивирования.
Впервые выделен белок, образующийся в клетках цианобактерий Anacystis nidulans при воздействии ванадия, который по совокупности свойств определен как металлотионеин, специфически связывающий ванадий. До настоящего времени в отечественной и зарубежной литературе сведений о существовании металлотионеина, содержащего ванадий не было. Предложена методика обнаружения низкомолекулярных ти-олсодержащих белков в клетках цианобактерий и микроводорослей.
Практическая ценность. Результаты работы могут быть использованы: при проведении лекционных курсов и практических занятий по физиологии клетки; при разработке методов тестирования водной среды с целью получения качественной экспресс-оценки суммарного загрязнения воды и измерения специфического вклада металлов в общую токсичность среды; при разработке методов детоксикации среды от ванадия с использованием диализных культур цианобактерий, а также смешанных культур цианобактерий с бактериями рода Pseudomonas.
Апробация работы. Материалы диссертации были доложены на международной конференции памяти академика РАН Е.Н. Кондратьевой "Ав-тотрофные микроорганизмы" (Москва 1996); заседании кафедры клеточ-
ной физиологии и иммунологии биологического факультета МГУ (Москва, 1996), V Международной конференции "Новые информационные технологии в медицине и экологии" (Ялта-Гурзуф, 1998).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 8 печатных работ.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, обзора литературы, описания материалов и методов исследования, результатов исследования и их обсуждения, заключения, выводов и списка цитируемой литературы. Работа изложена на 200 страницах, иллюстрирована 7 таблицами и 20 рисунками.
