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

Московский государственный университет имени М.В. ЛомоносоваНа правах рукописиГАББАСОВА ДИЛАРА ТАГИРОВНАОЦЕНКА ВОЗДЕЙСТВИЯ ПОТЕНЦИАЛЬНЫХ ЗАГРЯЗНИТЕЛЕЙ НАСВЕТОВЫЕ РЕАКЦИИ ФОТОСИНТЕЗА В ПРИСУТСТВИИГУМИНОВЫХ ВЕЩЕСТВ03.02.08 – экология (биологические науки)Диссертацияна соискание ученой степеникандидата биологических наукНаучный руководитель:доктор биологических наук, профессорМаторин Дмитрий НиколаевичМосква – 20182ОГЛАВЛЕНИЕВведение..........................................................................................................................4ГЛАВА 1.

ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ...........................................................................101.1.Общая характеристика процесса фотосинтеза……………………..………...101.2.Характеристика флуоресценции хлорофилла растений……………….….....151.3.Природа быстрой флуоресценции хлорофилла растений……………......….201.4.Природа замедленной флуоресценции хлорофилла растений ……………...231.5.Методы измерения флуоресценции хлорофилла…………………………….261.5.1. Регистрация индукции флуоресценции хлорофилла………………………...271.5.2.

Модулированная флуоресценция хлорофилла……………………………….301.6.Роль гуминовых веществ в природе..…..…………………………..…………351.7.Токсическое воздействие соединений хрома…........………….……..…........431.8.Токсическое воздействие наноалмазов детонационного синтеза…………...471.9.Токсическое воздействие наночастиц серебра………………..…….………..51ГЛАВА 2.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ…………..……….542.1.Материалы исследования…………………..…..……………………………...542.2.Методы исследования…………………..…………………………..………….562.2.1. Регистрация световых кривых фотохимического и нефотохимическоготушения на флуориметре Water-PAM……………………...…………………562.2.2. Регистрация флуоресценции хлорофилла на флуориметре Aquapen-C100……….………………………………….…………………………………...592.2.3. Регистрация индукционных кривых быстрой, замедленной флуоресценции иредокс превращения Р700 (пигмент ФС I) на М-РЕА-2…………………….622.2.4.

Регистрация кинетики окисления и восстановления пигмента Р700реакционного центра ФС I………………………………….…………………652.2.5. Спектральный анализ………………………………….………………………672.2.6. Определение размера наночастиц ………………………………..…………..6932.2.7. Программное обеспечение……………………………………………..……...69ГЛАВА 3. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ И ОБСУЖДЕНИЕ.…………..703.1. Оценка влияния гуминовых веществ на световые реакции фотосинтезазеленых микроводорослей Scenedesmus quadricauda………………….…………...703.2. Начальные нарушения фотоситетического аппарата у микроводорослиPhaeodactylum tricornutum в присутствии ионов хрома………………….................773.3. Изменение устойчивости микроводоросли Scenedesmus quadricauda придобавлении гуминовых веществ в присутствии ионов хрома……………..………943.4.

Влияние наноалмазов детонационного синтеза на световые реакциифотосинтеза микроводоросли Scenedesmus quadricauda………………………….1003.5. Влияние наноалмазов детонационного синтеза на световые реакциифотосинтеза растений пшеницы Triticum aestivum L. в присутствии гуминовыхвеществ………………………………………………………………….....................1043.6. Влияние наночастиц серебра на микроводоросли Scenedesmus quadricauda иизменение их устойчивости при разных режимах добавления гуминовыхвеществ….…………………………………………………………………...…….…117ЗАКЛЮЧЕНИЕ........................................................................................................122ВЫВОДЫ....................................................................................................................124СПИСОК УСЛОВНЫХ СОКРАЩЕНИЙ............................................................126СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.......................................................................................1274ВВЕДЕНИЕАктуальность исследования.

В современных условиях значительныйинтерес представляет исследование токсичности различных загрязняющихвеществ, в том числе, современных наноматериалов (Смуров, 2003; Терехова ссоавт., 2014; Филенко, 1988; Черных, Сидоренко, 2003). Наряду с такимиизвестными загрязнителями окружающей среды как тяжелые металлы и ионыхрома, широкое распространение приобрели и наночастицы (НЧ).

Стремительноеразвитие нанотехнологий приводит к увеличению выброса различных наночастицв среду, где их судьба и поведение неизвестны (Голохваст с соавт., 2012; Шайтан,2011). Уникальные свойства НЧ, такие как высокая удельная поверхность иподвижность,можетпривестикнеожиданнымдляздоровьячеловекапоследствиям и опасности для окружающей среды.

Наночастицы серебра широкоиспользуются в медицине, текстиле, красках, в качестве пищевых добавок,упаковочной тары для продуктов питания. Из-за относительно дешевогопроизводства, наноалмазы (ДНА) производимые путем детонационного синтезаиспользуютсявкачествегорюче-смазочныхматериалов,вавиа-иавтомобилестроение, медицине, химической промышленности.

Данные веществамогут существенно влиять на фототрофные организмы, обеспечивающиеэнергией все экосистемы. Уменьшить токсическое воздействие этих веществмогут природные детоксиканты - гуминовые вещества. Гуминовые вещества (ГВ)присутствуют во всех природных средах и выполняют ряд экологическихфункций как в естественных, так и в антропогенных экосистемах (Якименко;2016; Kulikova, 2005; Nardi et al., 2016). ГВ могут повышать доступностьпитательныхвеществ,положительновлиятьнафизико-химическиеибиологические свойства почвы, а также существенно изменять поведениетоксикантов путем связывания их в нетоксичные комплексы или влияя напроцессы окисления-восстановления токсикантов (Перминова с соавт., 2004;Khaled, Fawy, 2011; Pandey et al., 2003).5Однимизобщепринятыхиндикаторовустойчивостисостояниярастительного компонента экосистем, является оценка эффективности процессовфотосинтеза в ответ на воздействия окружающей среды.

Фотосинтез лежит воснове всех экосистем и представляет сложную систему преобразования энергиисвета, состоящую из двух фотосистем (ФС II и ФС I), осуществляющихнециклический электронный транспорт с разложением воды и выделениемкислорода, образованием НАДФН2 и АТФ. Нарушения в первичных процессахфотосинтеза отражаются в изменениях флуоресценции хлорофилла а. Внастоящее время развиваются методы анализа световых и индукционных кривыхфлуоресценции, позволяющих на интактных объектах следить за основнымистадиями фотосинтетической электрон-транспортной цепи.

(Гольцев c соавт.,2014; Маторин, Рубин, 2012; Strasser et. al., 2010). В настоящее время измерениякинетики индукции флуоресценции все шире используются в исследованияхэкологического мониторинга.Однако исследований по воздействию ионов хрома и современныхнаноматериалов на световые реакции фотосинтеза микроводорослей и растений вприсутствии ГВ практически не проводились.Целью настоящей работы являлось изучение особенностей действия ионовхрома, НЧ алмаза и серебра на световые реакции фотосинтеза микроводорослей ивысших растений и выявление изменений их устойчивости в присутствии ГВразличного происхождения с использованием современных флуоресцентныхметодов.Для достижения поставленной цели решали следующие задачи:1.

Оценить влияние ГВ черноземных почв на световые реакции фотосинтезамикроводорослей Scenedesmus quadricauda.2. Выявитьначальныенарушенияфотосинтетическогоаппаратаумикроводорослей Phaeodactylum tricornutum и Scenedesmus quadricauda вприсутствии ионов хрома и изменение их устойчивости при добавленииГВ с использованием параметров флуоресценции.3. ИзучитьвлияниеДНАнасветовыереакциифотосинтеза6микроводорослей Scenedesmus quadricauda и растений пшеницы Triticumaestivum L в присутствии различных ГВ.4.

Исследовать токсическое действия НЧ серебра на микроводорослиScenedesmus quadricauda и изменение устойчивости при разных режимахдобавления ГВ.5. Определитьнаиболеефлуоресценциичувствительныехлорофилладляпараметрыиспользованиявиндукцииэкологическоммониторинге загрязнений в окружающей среде.Научная новизна.

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

Гуминовые кислоты (ГК) обладают болеевыраженным стимулирующим воздействием по сравнению с фульвокислотами(ФК), что, по-видимому, связано с относительной обогащенностью структуры ГКароматическими фрагментами и, как следствие, большим сродством к мембранамклеток.Впервые при одновременной регистрации индукционных кривых быстрой изамедленной флуоресценции, а также редокс-состояния Р700 у морскихводорослей P.

tricornutum и пресноводных S. quadricauda в присутствии ионовхрома было показано, что одно из первых мест воздействия соединенийшестивалентного хрома локализовано на акцепторной части ФС II междупереносчиками QА и QВ. При высоких концентрациях ионов хрома отмеченовлияние на донорную часть ФС II. Обнаружена активация циклическоготранспортаэлектроноввприсутствииионовхрома.Показано,чтотоксикологический эффект ионов хрома снижался в присутствии ГВ.При исследовании влияния НЧ серебра и алмаза на микроводоросли S.quadricauda было обнаружено, что они могут ингибировать эффективность7фотосинтеза микроводорослей на акцепторной части ФС II.

Это отражено вснижении таких параметров флуоресценции как максимальная фотохимическаяэффективность ФС II (FV/FM), эффективность КВК (FV/FO), электронныйтранспорт (φEo), индекс производительности (PIABS). При исследовании НЧсеребра, синтезированные с ГВ, наблюдали возрастание токсического эффекта намикроводоросли S. quadricauda. Впервые выявлено, что ДНА проникают врастения пшеницы Triticum aestivum L и проявляют токсичность в условияхповышенного освещения, что ведет к уменьшению переноса электрона междуакцепторами QA и QB и нарушению формирования трансмембранного потенциала.В присутствии ГК наблюдался детоксифицирующий эффект, который в первуюочередь определялся изменениями дзета-потенциала ДНА.Положения диссертации, выносимые на защиту:- установлено положительное влияние ГВ на световые реакции фотосинтезамикроводорослей;- определены области начальных нарушений фотосинтетического аппарата вприсутствии ионов хрома, НЧ алмаза и серебра;- доказано повышение устойчивости реакции фотосинтеза микроводорослейв присутствии ГК к действию ионов хрома, НЧ алмаза и серебра;- определены параметры индукции флуоресценции хлорофилла дляэкологического мониторинга загрязнений в окружающей среде.Теоретическаяипрактическаязначимостьработы.Вданнойдиссертационной работе были изучены особенности действия ионов хрома исовременных токсикантов: ДНА и НЧ серебра на световые реакции фотосинтезамикроводорослей, высших растений и защитные свойства ГВ различногопроисхождения.Предложен способ оценки влияния ГВ, сочетания ГВ и токсикантов насветовые реакции фотосинтеза микроводорослей и растений с использованиемпараметровиндукциифлуоресценциихлорофилла.Определенынаиболеечувствительные параметры флуоресценции (PIABS, φEo, FV/FO), которые могут бытьиспользованы в экологическом биомониторинге для определения влияния8различных токсикантов и ГВ на фотосинтезирующие организмы.