Scientific journal
Modern problems of science and education
ISSN 2070-7428
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,940

EFFECT OF AMBIENT ENVIRONMENT FACTORS ON THE CHEMICAL COMPOSITION CHANGES IN LEAF PLATELETS OF BIOINDICATIVE HYDROPHYTIC PLANTS AFTER THE EXAMPLE OF DEEP GREEN HORNWORT (CERATOPHYLLUM DEMERSUM L. )

Ilyashenko N.V. 1 Oleneva Yu.G. 1 Ivanova A.I. 1 Khizhnyak S.D. 1 Pakhomov P.M. 1
1 FSBE IVT «Tver State University»
A study is made of the influence of ambient environment factors on the chemical composition and anatomic constitution of the foliage of bioindicator hydrophytic plants (deep green hornwort) making use of the Fourier transform IR spectroscopy, scanning electron microscopy and X-ray microanalysis (XMA) methods. A correlation is established between the occurrence of intensity changes and position of absorption bands in the IR spectra of the plant samples and anthropogenic pollution of the places of their inhabitation. Deformation of epidermis cells in the plant leaf samples taken from the polluted places. The results of the study of chemical composition of hornwort tissues are presented. Heavy metals were detected in the samples taken from the polluted places. The above-listed reactions observed under the condition of polluted environment should be regarded as protective-adaptive mechanisms of the cells. This fact is indicative of high accumulative and adaptive properties of aquatic plants.
Fourier-Transform IR spectroscopy
scanning electron microscopy
X-ray microanalysis
hydrophytic plants
anthropogenic pollution
Введение

Высшие водные растения обладают высокой аккумулятивной способностью и используются для определения антропогенных химических нагрузок на водоем в системе биомониторинга состояния окружающей среды [2, 7; 8].

Поскольку под действием антропогенного загрязнения окружающей среды в растениях-биоиндикаторах могут происходить изменения на химическом и анатомическом уровнях, то эффективными методами изучения этих изменений являются Фурье-ИК-спектроскопия, РЭМ и РМА. Точная идентификация типов образуемых соединений в результате накопления растением разных поллютантов позволяет с успехом использовать метод ИК-спектроскопии в биомониторинге кислотного загрязнения [1; 2; 7]. Сочетание РМА и РЭМ позволяет определять элементный состав в объеме ~ 1 мкм3 посредством регистрации рентгеновского излучения. Энергия фотонов, попадающих в детектор, преобразуется в электрический сигнал, который формирует спектр рентгеновского излучения, где каждому химическому элементу соответствует определенный набор пиков, позволяющий идентифицировать элементный состав с проведением количественного анализа [10].

Цель работы - изучение влияния поллютантов на химический состав и анатомическую структуру листа роголистника темно-зеленого методами ИК-спектроскопии, РЭМ и РМА.

Материалы и методы исследования

Объект исследования - Ceratophyllum demersum L. (Роголистник темно-зеленый). Исследуемый вид (гидрофит) встречается в Тверском регионе в стоячих, медленно текущих водах и способен произрастать как в чистых, так и загрязненных местах обитания [7]. Сбор растений и забор воды на химический анализ производился в водоемах на территории Тверской обл., которые делили по фактору близости к источнику загрязнения на две группы - фоновый и загрязненные (табл. 1).

Таблица 1 - Места сбора C. demersum

Водоемы
Экологический статус / Источник загрязнения [8]
Основные поллютанты [8]
I

Р. Межа, дер. Большое Федоровское, Нелидовский р-н Тверской обл.

ООПТ* (фоновый участок), Центрально-лесной государственный природный биосферный заповедник

-

 

II

Озеро-охладитель Удомля, г. Удомля Тверской обл.

Узлы экологической напряженности

Калининская АЭС

Нефтепродукты,

малые дозы радиации

 

III

Сточный канал, п. Редкино Конаковского р-на Тверской обл.

ОАО «Редкинский опытный завод»

Нефтепродукты, неорганические анионы, аммиак, ароматические соединения, АПАВ**

*ООПТ - Особо охраняемая природная территория.

**АПАВ - анионные поверхностно-активные вещества.

Для последующей интерпретации результатов элементного состава и ИК-спектров образцов растений параллельно был проведен химический анализ воды исследуемых водоемов произрастания Cdemersum. Анализ проб воды осуществлялся с помощью спектрофлуориметра «Флюорат-02-панорама» и системы капиллярного электрофореза «Капель-105» фирмы «Люмэкс». Определение неорганических анионов, анионных поверхностно-активных веществ, нефтепродуктов, фенолов в воде проводилось в соответствии с методиками [3-6].

Для записи ИК-спектров исследуемых образцов использовалась методика с KBr [9]. Спектры регистрировали на Фурье-ИК-спектрометре Equinox 55 фирмы Bruker в диапазоне 400-4000 см-1.

Образцы высушенных растений (30-40 °С), зафиксированных на углеродном скотче, исследовали при увеличении в 500 и 1000 раз в режиме высокого вакуума на растровом электронном микроскопе JEOL 6610LV; РМА проводился с помощью системы микроанализа INCA Energy SEM (OXFORD INSTRUMENTS).

Результаты исследования и их обсуждение

Химический анализ воды в исследуемых водоемах

Результаты химического анализа воды из указанных в табл. 1 водоемов показали наличие в ней поллютантов (табл. 2).

Таблица 2 - Химический анализ проб воды исследуемых водоемов

Показатель, мг/л

Проба

I (фон)

II

III

CL-

1.2

6.2

64.0

NO2-

<0.2

0.88

5.0

SO42-

2.8

7.4

42.3

NO3-

<0.2

1.2

<0.2

PO43-

<0.2

<0.2

<0.2

Нефтепродукты

0.17

-

0.16

Фенолы (общее)

0.001

-

0.38

АПАВ

0.11

-

0.09

Данные по основным показателям анализа воды (CL-, NO2-, NO3-, SO42-, фенолы, АПАВ) в пробах II, III значительно превышают фоновые значения (I).

В пробе воды III содержание примесей фенолов, неорганических анионов в несколько десятков раз выше данных показателей пробы I, что свидетельствует о сбросах химического производства ОАО «Редкинский опытный завод» (табл. 2).

Наличие различных поллютантов в водоемах необходимо учитывать в мониторинге, поскольку водные растения способны накапливать вещества-загрязнители (табл. 2) [1; 2; 7].

 

ИК-спектральный анализ образцов C. demersum

На рис. 1 представлены ИК-спектры образцов C. demersum из различных водоемов. ИК-спектральный анализ показал, что все исследуемые виды имеют полосы поглощения, соответствующие основному химическому составу растения: углеводам ~56% (от абсолютного сухого веса), белкам ~18%, жирам ~1% [7].

Рис. 1. ИК-спектры образцов C. demersum: I и II (а, б); I и III (в, г).

О присутствии углеводов в растении свидетельствуют полосы поглощения, обусловленные валентным колебанием CH2 -групп на частоте ~2925 см-1 и OH-групп на частотах ~3400 см-1 [2; 9]. О наличии белков свидетельствуют полосы поглощения на частотах ~1640 см-1 (Амид I), ~1535 (Амид II), ~1235 (Амид III) [2; 9]. О присутствии жиров можно судить по наличию полос поглощения на частотах ~1735 (nС=О), ~1446 (dСН2-) (табл. 3) [9].

При сравнении ИК-спектров образцов C. demersum из фонового и загрязненных водоемов отмечено значительное изменение химического состава растений. Причем наиболее существенные изменения в интенсивности полос поглощения обнаружены в образцах, собранных в зоне промышленного загрязнения. В образцах из водоемов, не подверженных прямому загрязнению, интенсивность полос находится на уровне фоновых значений.

Спектры образцов растений из загрязненных местообитаний (рис. 1) демонстрируют существенные изменения на частотах: ~2514 см-1 (III), обусловленные валентными колебаниями S-H групп; ~1794 см-1 - валентными колебаниями C=O групп (III); ~876 см-1 - валентными симметричными колебаниями S-O-C группы (III) и ~712 см-1 - валентными колебаниями C-S-C групп (III) (табл. 3) [2; 9]. Полоса поглощения ~1431 см-1, характеризующаяся νаs(SО2), δ(N-H), проявляется во всех спектрах образцов из загрязненных зон, однако наиболее интенсивна в спектре образца III, что связано с высоким содержанием в водной среде серосодержащих анионов, поглощаемых растением (рис. 1), (табл. 3).

Таблица 3 - Отнесение полос поглощения в ИК-спектрах образцов C. demersum

Положение полосы, см-1

Отнесения

Источник

I

II

III

3350

3393

3423

ν(OH)

[2; 9]

2926

2925

2925

νаs(CH2)

[2; 9]

2855

2855

2854

νs(CH3)

-

-

2514

ν(S-H)

[9]

-

-

1795

ν(C=O)

[9]

1733

1738

1735

ν(С=О)

[2; 9]

1653

1653

1637

Амид I ν(C=O)

[2; 9]

1533

1542

-

Амид II ν(О-C-N)

[2; 9]

-

1438

1431

νаs(SО2), δ(N-H)

[9]

1385

1385

-

δ(OH)

[9]

1325

1325

1325

δ(CH2)

[9]

1233

1230

1265

Амид III δ(N-H)

[2; 9]

1201

1202

1204

ν (С-О), δ(OH)

[9]

1098

1153

1101

ν (С-О), νаs(СОС)

[2]

1071

1078

1077

νаs(СОС)

[9]

-

-

1052

νаs(СОС)

-

-

1025

ν(OH)

874

874

876

S-O-C

[2; 9]

-

-

712

ν (C-S-C)

[9]

Сравнительный анализ C. demersum из разных местообитаний позволяет предположить, что рост интенсивности выше указанных полос поглощения в образцах, взятых из загрязненных водоемов, может быть связан с аккумуляцией и усвоением химических соединений, не свойственных растению, содержащих тиольные, углерод- и азотсодержащие группы [2; 9].

Изучение образцов растений-гидрофитов с помощью РМА и РЭМ

Микрофотографии и рентгеновские спектры образцов растений C. demersum, исследованные методом РЭМ и РМА, представлены на рис. 2.

  

 

 

Рис. 2. Электронные изображения и рентгеновские спектры образцов листьев С. demersum I, II, III.

Как видно из приведенных микроизображений, в образцах растений C. demersum, собранных в загрязнённой зоне, наблюдается деформация и разрушение клеток эпидермиса (образец III), вследствие чего эпидермальный клеточный слой частично теряет свою целостность [10].

В образце II (оз. Удомля) обращает на себя внимание высокая плотность расположенных на эпидермальном слое исследуемого растения-гидрофита диатомовых водорослей (Diatomea sp.). Такое обрастание листьев роголистника водорослями, по-видимому, обусловлено благоприятными для их жизнедеятельности условиями, связанными с повышенным тепловым режимом оз. Удомля Калининской АЭС [1; 10].

Методом РМА определен элементный состав и проведен количественный химический анализ в образцах растений C. demersum (рис. 2). Ниже (табл. 4) приводятся результаты исследований по элементному составу и наличию в тканях C. demersum различных химических элементов из некоторых водоемов Тверской области.

Таблица 4 - Элементный химический состав C. demersum

Образец

Химический элемент

С

O

Na

Mg

Al

P

S

Cl

K

Ca

Si

Mn

Fe

Итого

I

Вес,%

56.35

40.90

0.61

0.27

0.18

0.41

0.11

0.41

0.67

0.12

-

-

-

100

II

48.34

45.31

0.34

0.68

0.11

0.12

0.23

0.50

0.75

-

3.48

0.07

0.06

100

III

53.44

41.92

1.93

0.27

-

0.05

0.14

1.25

0.25

0.26

0.09

0.26

0.11

100

Данные РМА отражают общий химический состав C. demersum [6]. Однако в образцах II и III содержание марганца, железа, серы, хлора выше, чем в фоновом образце, что согласуется с результатами химического анализа воды изучаемых водоемов (табл. 2). Кроме того, в образце II отмечено высокое содержание кремния (рис. 2). Очевидно, источником кремния служит содержащий кремнезем «панцирь» обнаруженных на листьях роголистника диатомовых водорослей [1; 10].

Выводы

С помощью метода Фурье-ИК-спектроскопии удалось доказать способность высших водных растений активно реагировать на изменение химического состава воды ростом интенсивности полос поглощения, связанных с загрязняющими веществами. Материалы исследования позволяют рекомендовать метод Фурье-ИК к использованию в целях эффективного биомониторинга загрязненных водных объектов. При использовании метода РЭМ в биомониторинге на примере C. demersum растений отмечены анатомические изменения в листовых пластинках, наблюдаются деформация и разрушение клеток эпидермиса, что свидетельствует о высокой аккумулятивной и адаптационной способности водных растений. Методом РМА определен элементный состав изучаемых растений, в образцах из мест с антропогенным загрязнением обнаружены тяжелые металлы.

Используемые в работе физические методы анализа могут быть эффективно использованы в биомониторинге окружающей среды.

Авторы выражают благодарность Центру коллективного пользования Тверского государственного университета за помощь в проведении экспериментальных исследований, связанных с растровой электронной микроскопией. Работа выполнена в рамках ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы, ГК № 14.740.11.1281 и при поддержке гранта Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере по программе «Участник Молодежного Научно-инновационного Конкурса» («У.М.Н.И.К.»), ГК № 8754р /14008.

Рецензенты:

  • Миняев В.И., профессор, д.б.н., зав. кафедрой анатомии и физиологии человека и животных ФГБОУ ВПО «Тверской государственный университет», г. Тверь.
  • Зиновьев А.В., профессор, д.б.н., профессор кафедры зоологии ФГБОУ ВПО «Тверской государственный университет», г. Тверь.