Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ 2
Глава 1. Обзор литературы 7
Строение клеточной стенки микобионта 8
Роль клеточной стенки в поддержании водного режима 16 лишайников
1.3 Использование лишайников в экологическом мониторинге 25
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ 35
Глава 2. Материалы и методы 35
Характеристика объекта исследований 35
Подготовка материала 35
Определение качественного и количественного состава 36 ионообменных групп клеточных стенок
Метод потенциометрического титрования
Определение содержания аминогрупп в клеточных стенках лишайника методом неводного титрования хлорной кислотой
Определение содержания воды в интактных слоевищах 38 лишайника и весового коэффициента набухания клеточных стенок лишайника в воде и растворах
Элементный анализ образцов 39
Определение восстановленного азота
Определение восстановленного азота по методу Лгобошинского-Зальта
2.6 Поглощение метиленового синего интактными слоевищами 41
лишайника и выделенными из слоевищ клеточными стенками.
Определение зависимости поглощения от времени
Определение максимального поглощения метиленового синего клеточными стенками лишайников и интактными слоевищами
Определение зависимости поглощения метиленового синего интактными слоевищами С. rangiferina и изолированными из них клеточными стенками от рН
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ 44
Глава 3. Элементный состав клеточных стенок, изолированных из 44
слоевищ лишайника С. rangiferina Глава 4. Исследование ионообменных свойств клеточных стенок, 50 изолированных из слоевищ лишайника С. rangiferina 4.1 Процессы кислотно-основного равновесия в клеточных 51
стенках С rangiferina 4.2. Исследование набухания клеточных стенок, изолированных 78 из лишайника С. rangiferina Глава 5. Изучение диффузии органического катиона в полимерном 83
матриксе клеточных стенок С. rangiferina
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 101
ВЫВОДЫ 105
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 107
Введение к работе
Состав и свойства клеточных стенок различных организмов оказывают значительное влияние на протекание многих физиологических процессов и непосредственно воздействуют на поступление растворенных веществ в клетки. В таком организме, как лишайники клеточная стенка приобретает особое значение, так как они не имеют специализированных структур для транспорта воды и ионов, подобных сосудам ксилемы и флоэмы у высших растений. В слоевище транспорт воды и растворенных веществ, который обеспечивает поддержание равновесия между симбионтами, происходит преимущественно по апопласту, и определяется его свойствами. На примере растений и свободноживущих грибов установлено, что внеклеточный транспорт ионов зависит от ионообменных свойств клеточных стенок, а именно от количественного и качественного состава функциональных групп, способных принимать участие в ионном обмене.
В клеточных стенках мицелия как свободноживущих, так и образующих лишайниковый симбиоз грибов, могут накапливаться значительные количества тяжелых металлов. Связывание ионов при этом происходит по ионообменному механизму, а также по механизму комплексообразования, в которых участвуют полимеры клеточных стенок (хитин и хитозан), обладающие высокой сорбционной способностью. Поскольку в растворе тяжелые металлы присутствуют в виде катионов, эффективность связывания их по ионообменному механизму должно определяться количеством и типами катионообменных групп в матриксе клеточных стенок.
Лишайники образуют особую жизненную форму (слоевища), представляющую собой переплетение грибных гиф, в котором располагаются группы водорослевых клеток, формирующие отдельный слой в структуре таллома. Такая жизненная форма характеризуется
низкой скоростью роста по сравнению с свободноживущими грибами. Это обусловлено многими факторами, в том числе тем, что лихенизированные аскомицеты обитают на бедных питательными веществами субстратах, а фотосинтез в водорослевых клетках протекает в течение сравнительно небольших периодов активности.
Указанные выше особенности (способность к накоплению токсичных веществ в слоевищах, низкая скорость роста), а также имеющиеся у лишайников межвидовые различия в чувствительности к антропогенным загрязнениям, делают их удобными объектами для экологического мониторинга. Существует несколько факторов, определяющих чувствительность разных видов лишайников к загрязнениям. Поступающие в слоевища токсичные ионы могут инактивироваться или накапливаться в клеточных стенках и в клетках. Тем не менее, разная видовая чувствительность к токсичным веществам во многом определяется количеством токсичных ионов, проникающих в клетку, и, следовательно, также зависит от ионообменных свойств полимерного матрикса клеточных стенок.
Таким образом, ионообменные свойства клеточных стенок лихенизированных грибов определяют накопление ионов в экстраклеточном пространстве и влияют на их поступление в клетки. Однако до настоящей работы данных, характеризующих функциональные группы, входящие в состав клеточных стенок микобионта лишайников, не получено. Недостаточно изучены процессы поглощения ионов клеточными стенками и их роль как во внеклеточном транспорте веществ, так и в поступлении в клетки.
Цели и задачи работы. Цель настоящей работы состояла в количественной оценке ионообменных свойств клеточных стенок лишайников и в определении вклада ионного обмена в процессы поглощения веществ слоевищем на примере кустистого лишайника Cladonia rangiferina (L.) F. H. Wigg.
Для достижения поставленной цели были сформулированы следующие задачи:
1. Определить элементный состав слоевищ лишайника С. rangiferina и
изолированных из них клеточных стенок.
Изучить качественный и количественный состав функциональных групп клеточных стенок лишайника.
Охарактеризовать физико-химические свойства полимерного матрикса клеточных стенок:
определить константы диссоциации функциональных групп, расположенных в полимерной структуре клеточных стенок и способных вступать в ионообменные реакции с ионами внешней среды
установить относительную сухую массу клеточных стенок и определить коэффициенты набухания их полимерного матрикса
определить коэффициенты диффузии и оценить степень сшивки линейных цепей в полимерном матриксе клеточных стенок.
Изучить процесс поглощения органического катиона клеточными стенками лишайника как модель визуализации процессов ионного обмена и диффузии в природном полимере.
Оценить вклад ионообменного механизма связывания веществ клеточными стенками в процессы поглощения и транспорта растворенных веществ.
Научная новизна. Впервые установлено, что в составе клеточных стенок лишайника Cladonia rangiferina (L.) F. H. Wigg. содержится три типа функциональных групп, из них две являются катионообменными (карбоксильные и фенольные группы), и одна — анионообменной (аминогруппы). Впервые определены физико-химические параметры, характеризующие количественный и качественный состав ионогенных групп клеточных стенок лишайника, а также интервалы рН, в которых эти группы ионизированы и способны вступать в ионообменные реакции с катионами и анионами внешней среды. Показано, что у лишайника С.
rangiferina в составе полимерного матрикса клеточных стенок, представляющих собой преимущественно клеточные стенки микобионта, суммарное содержание хитина и хитозана составляет менее 6%.
Определены параметры, количественно характеризующие способность к набуханию и диффузионные свойства клеточных стенок С. rangiferina. На основании значений коэффициентов набухания и коэффициентов диффузии органического катиона в матриксе клеточных стенок, можно заключить, что степень сшивки полимеров, составляющих каркас клеточных стенок лишайника, значительно превышает этот показатель у растений. Впервые показано, что объем клеточных стенок С. rangiferina является относительно постоянной величиной и мало зависит от ионных условий и рН в окружающей среде и в апопласте, что также связано со структурой их полимерного матрикса.
Практическое значение. Разработан новый подход к количественной оценке ионообменных свойств полимерного матрикса клеточных стенок С. rangiferina, который может быть применен к определению аналогичных свойств других видов лихенизированных и свободноживущих грибов. В дальнейшем количественные показатели, характеризующие физико-химические свойства клеточных стенок различных видов лишайников, могут быть использованы при их выборе и характеристике в качестве объектов экологического мониторинга.
Апробации работы. Результаты исследования были доложены и обсуждены на совместном заседании кафедр физиологии растений и микологии и альгологии биологического факультета МГУ, Международной научной конференции «Изучение и охрана биологического разнообразия природных ландшафтов Русской равнины» Пенза, 1999, V съезде общества физиологии растений России, Пенза, 2003, Ill-Международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы экологии», Караганда 2004.
Публикации. Всего по материалам диссертации опубликовано 5 работ, и одна статья принята к печати. Экспериментальные данные, представленные в диссертации, получены лично соискателем и опубликованы в соавторстве с руководителями и сотрудниками, работавшими совместно с автором в процессе выполнения работы.
Объем и структура работы. Диссертация изложена на 114 стр. машинописного текста, состоит из введения, 5 глав, выводов, списка цитированной литературы, включающего 92 наименования (из них 55 на иностранных языках), приложения. Работа содержит 8 таблиц и иллюстрирована 17 рисунками.
