Автореферат (Оценка воздействия потенциальных загрязнителей на световые реакции фотосинтеза в присутствии гуминовых веществ)

На правах рукописиГАББАСОВА ДИЛАРА ТАГИРОВНАОЦЕНКА ВОЗДЕЙСТВИЯ ПОТЕНЦИАЛЬНЫХ ЗАГРЯЗНИТЕЛЕЙ НАСВЕТОВЫЕ РЕАКЦИИ ФОТОСИНТЕЗА В ПРИСУТСТВИИ ГУМИНОВЫХВЕЩЕСТВ03.02.08 – Экология (биологические науки)АВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степеникандидата биологических наукМосква – 20182Работа выполнена на кафедре гидробиологии биологического факультета Федеральногогосударственного бюджетного образовательного учреждения высшего образования«Московский государственный университет имени М.В.Ломоносова»Научный руководитель:Маторин Дмитрий Николаевичдоктор биологических наук, профессор, ведущийнаучныйсотрудниккафедрыбиофизикибиологическогофакультетаФГБОУВО«Московский государственный университет имениМ.В.Ломоносова»Официальные оппоненты:Юрий Георгиевич Симаковдоктор биологических наук, профессор кафедрыбиоэкологиииихтиологии,ФГБОУВО«Московскийгосударственныйуниверситеттехнологий и управления имени К.Г.Разумовского»Моск.гос.технологическая академияЗаворуев Валерий Владимировичдоктор биологических наук, профессор кафедрыэкологии и природопользования ФГАОУ ВО«Сибирский федеральный университет»Ведущая организация:ФГАОУ ВОуниверситет»«ДальневосточныйфедеральныйЗащита диссертации состоится «27» сентября 2018 г.

в «14» часов «00» минут назаседании Совета по защите докторских и кандидатских диссертации Д 212.203.38 приРоссийском университете дружбы народов по адресу: 115093, г. Москва, Подольскоешоссе, д. 8/5, экологический факультет.С диссертацией и авторефератом можно ознакомиться в научной библиотеке ФГАОУВО «Российский университет дружбы народов» по адресу: 117198, г. Москва, ул.Миклухо-Маклая, д.6 и на сайте dissovet.rudn.ru.Автореферат разослан « »Ученый секретарьдиссертационного советакандидат биологических наук2018 г.E.A.

Ванисова3ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность исследования. В современных условиях значительный интереспредставляет исследование токсичности различных загрязняющих веществ, в том числе,современных наноматериалов (Смуров А.В., 2003; Терехова В.А. с соавт., 2014;Филенко О.Ф., 1988; Черных Н.А., Сидоренко С.Н., 2003). Наряду с такими известнымизагрязнителями окружающей среды как тяжелые металлы и ионы хрома, широкоераспространениеприобрелинаночастицы(НЧ).Стремительноеразвитиенанотехнологий приводит к увеличению выброса различных наночастиц в среду, где ихсудьба и поведение неизвестны (Голохваст К.С. с соавт., 2012).

Уникальные свойстваНЧ, такие как высокая удельная поверхность и подвижность, может привести кнеожиданным для здоровья человека и окружающей среды последствиям (Шайтан К.В.,2011). Наночастицы серебра широко используются в медицине, текстиле, красках, вкачестве пищевых добавок, упаковочной тары для продуктов питания. Из-заотносительно дешевого производства наноалмазы (ДНА), производимые путемдетонационного синтеза, используются в качестве горюче-смазочных материалов, вавиа- и автомобилестроение, медицине, химической промышленности. Данныевещества могут существенно влиять на фототрофные организмы, обеспечивающиеэнергией все экосистемы. Уменьшить токсическое воздействие этих веществ могутприродные детоксиканты - гуминовые вещества.

Гуминовые вещества (ГВ)присутствуют во всех природных средах и выполняют ряд экологических функций, какв естественных, так и в антропогенных экосистемах (Якименко О.С., 2016; KulikovaN.A., 2005). ГВ могут повышать доступность питательных веществ, положительновлиять на физико-химические и биологические свойства почвы, а также существенноизменять поведение токсикантов путем связывания их в нетоксичные комплексы иливлияя на процессы окисления-восстановления токсикантов (Перминова И. В. с соавт.,2004).Одним из общепринятых индикаторов устойчивости состояния растительногокомпонента экосистем является оценка эффективности процессов фотосинтеза в ответна воздействия окружающей среды (Заворуева Е.Н., Заворуев В.В., 2011). Фотосинтезлежит в основе почти всех экологических систем на земле и представляет сложнуюсистему преобразования энергии света, состоящую из двух фотосистем (ФС II и ФС I),осуществляющих нециклический электронный транспорт с разложением воды ивыделением кислорода, образованием НАДФН2 и АТФ.

Нарушения в первичныхпроцессах фотосинтеза отражаются в изменениях флуоресценции хлорофилла а. Внастоящее время развиваются методы анализа световых и индукционных кривыхфлуоресценции, позволяющих на интактных объектах следить за основными стадиямифотосинтетической электрон-транспортной цепи. (Гольцев В.Н. c соавт., 2014; МаторинД.Н., Рубин А.Б., 2012; Strasser R.J. et. al., 2010). В настоящее время измерения кинетикииндукции флуоресценции все шире используются при проведении экологическогомониторинга.Однако исследований по воздействию ионов хрома и современныхнаноматериалов на световые реакции фотосинтеза микроводорослей и высших растенийв присутствии ГВ практически не проводились.Целью настоящей работы являлось изучение особенностей действия ионов хрома,НЧ алмаза и серебра на световые реакции фотосинтеза микроводорослей и высшихрастений и выявление изменений их устойчивости в присутствии ГВ различногопроисхождения с использованием современных флуоресцентных методов.4Для достижения поставленной цели решали следующие задачи:1.Оценить влияние ГВ черноземных почв на световые реакции фотосинтезамикроводоросли Scenedesmus quadricauda.2.Выявить начальные нарушения фотосинтетического аппарата у микроводорослейPhaeodactylum tricornutum и Scenedesmus quadricauda в присутствии ионов хрома иизменение их устойчивости при добавлении ГВ с использованием параметровфлуоресценции.3.Изучить влияние ДНА на световые реакции фотосинтеза микроводорослиScenedesmus quadricauda и проростков растений пшеницы Triticum aestivum L вприсутствии различных ГВ.4.Исследовать токсическое действия НЧ серебра на микроводоросли Scenedesmusquadricauda и изменение их устойчивости при разных режимах добавления ГВ.5.Определить наиболее чувствительные параметры индукции флуоресценциихлорофилла для использования в экологическом мониторинге загрязнений вокружающей среде.Научная новизна.

Впервые, с использованием параметров индукциифлуоресценции установлено, что ГВ обладают стимулирующим воздействием насветовые реакции фотосинтеза микроводоросли S. quadricauda. ГВ ускорялиэлектронный транспорт (φEo), стимулировали максимальную фотохимическуюэффективность ФС II (FV/FM), эффективность кислородвыделяющего комплекса (FV/FO)и индекс производительности (PIABS). Установлено влияние ГВ на фотосинтетическиемембраны клеток.

Гуминовые кислоты (ГК) обладают более выраженнымстимулирующим воздействием по сравнению с фульвокислотами (ФК), что, повидимому, связано с относительной обогащенностью структуры ГК ароматическимифрагментами.Впервые при одновременной регистрации индукционных кривых быстрой изамедленной флуоресценции, а также редокс-состояния Р700 у морской водоросли P.tricornutum и пресноводной S.

quadricauda в присутствии ионов хрома было показано,что одно из первых мест воздействия соединений шестивалентного хрома локализованона акцепторной части ФС II между переносчиками QА и QВ. Отмечено влияние надонорную часть ФС II при высоких концентрациях ионов хрома. В присутствии ионовхрома обнаружена активация циклического транспорта электронов. Показано, чтотоксикологический эффект ионов хрома снижался в присутствии ГВ.При исследовании влияния НЧ серебра и алмаза на микроводоросли S. quadricaudaбыло обнаружено, что они могут ингибировать эффективность фотосинтезамикроводорослей на акцепторной части ФС II.

Это отражено в снижении такихпараметров флуоресценции как максимальная фотохимическая эффективность ФС II(FV/FM), электронный транспорт (φEo), индекс производительности (PIABS). Приисследовании воздействия НЧ серебра, синтезированных с ГВ, наблюдали возрастаниетоксического эффекта на микроводоросли S. quadricauda. Впервые, выявлено, что ДНАпроникают в растения пшеницы Triticum aestivum L. и проявляют токсичность вусловиях повышенного освещения, что ведет к уменьшению переноса электрона междуакцепторами QA и QB и нарушению формирования трансмембранного потенциала. Вприсутствии ГК наблюдался детоксифицирующий эффект, который в первую очередьопределялся изменениями дзета-потенциала ДНА.Положения диссертации, выносимые на защиту:- установлено положительное влияние ГВ на световые реакции фотосинтеза5микроводорослей;- определены области начальных нарушений фотосинтетического аппарата вприсутствии ионов хрома, НЧ алмаза и серебра;- доказано повышение устойчивости реакции фотосинтеза микроводорослей вприсутствии ГК к действию ионов хрома, НЧ алмаза и серебра;- определены параметры индукции флуоресценции хлорофилла, которые могутбыть использованы в экологическом мониторинге загрязнений окружающей среды.Теоретическая и практическая значимость работы.

В данной диссертационнойработе были изучены особенности действия ионов хрома и современных токсикантов:ДНА и НЧ серебра на световые реакции фотосинтеза фототрофных организмов изащитные свойства ГВ различного происхождения.Предложен способ оценки влияния ГВ, сочетания ГВ и токсикантов на световыереакции фотосинтеза микроводорослей и высших растений с использованиемпараметров индукции флуоресценции хлорофилла.Установлены наиболеечувствительные параметры флуоресценции (PIABS, φEo, FV/FO), которые могут бытьиспользованы в экологическом биомониторинге для определения влияния различныхтоксикантов и ГВ на фотосинтезирующие организмы. Показатель флуоресценции (FО) суспехом может быть использован в биотестировании для оценки влияния токсикантовна ростовые процессы микроводорослей.Материалы диссертации могут быть внедрены в учебный процесс по дисциплинам- «Экология» и «Охрана окружающей среды и рациональное использование ресурсов».Полученные результаты использовали в учебном процессе при проведениипрактикума по экологической биофизике на Звенигородской станции МГУ и большогопрактикума кафедры биофизики МГУ.Метод флуоресценции хлорофилла был внедрен в исследования побиотестированию в лабораторию экотоксикологического анализа почв (ЛЭТАП) нафакультете почвоведения МГУ.Апробация работы.