Радыгин Илья Константинович МБОУ Гимназия №64 Орджоникидзевского района г.Уфы, Россия

Научный руководитель: к.б.н., доцент БГПУ им. М.Акмуллы Суханова Н.В.

РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ДЛЯ ОЦЕНКИ ТОКСИЧНОСТИ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ

Актуальность работы. В настоящее время проблема антропогенного загрязнения окружающей природной среды стоит очень остро. Интенсивное промышленное и сельскохозяйственное использование природных ресурсов вызвало существенные изменения биохимических циклов и содержания большинства химических элементов в почве, в том числе и тяжелых металлов. Высокие концентрации тяжелых металлов вызывают существенные изменения функционирования экосистем и их компонентов. Металлы и их соединения благодаря высокой миграционной способности, склонности к высокой биоаккумуляции, способности накапливаться в организме, наличию ярко выраженных специфических токсических эффектов представляют опасность для здоровья человека.Тяжелые металлы влияют практически на все системы организма, оказывая токсическое, аллергическое, канцерогенное, гонадотропное действие. Многие тяжелые металлы обладают тропностью – избирательно накапливаются в определенных органах и тканях, структурно и функционально нарушая их. Выбор тропного органа зависит также от дозы и пути поступления тяжелых металлов в организм [http://www.zilair.su/sp/sp_knk/ok_sreda.pdf].

Одним из основных антропогенных источников загрязнения окружающей среды тяжелыми металлами является черная и цветная металлургия, тепловые электростанции, химическая промышленность. Концентрации металлов в промышленных районах в близи мощных источников выбросов увеличивается в сотни и тысячи раз сравнительно с фоновыми [Вpoнcкий, 2001].

Немаловажное значение в природоохранных мероприятиях занимает контроль за состоянием окружающей среды. Существующая система контроля воздуха, воды и почвы основана на физико-химических методах, которые позволяют определить их химический состав, но не дают возможности оценить воздействие на живые организмы, т.е. токсичность.

В последнее время в условиях глобального экологического кризиса необходимо более широкое использование методов экологического мониторинга, которые в значительной степени дополняют систему существующих физико-химических методов качественно новыми биологическими показателями, так как важно знать не уровень загрязнения, а вызываемые ими биологические эффекты [Патин, 1981].

Цель работы: оценка токсичности тяжелых металлов с использованием в качестве тест-объекта Nostoc sp.

Исходя из цели, были поставлены следующие задачи: 1. Разработать методику биотестирования для оценки токсичности солей тяжелых металлов с использованием цианобактерии Nostoc sp. 2. Апробировать разработанную методику биотестирования при оценке токсичности соединений кадмия и меди.

Хapaктepистикa Nostoc sp. как тeст-oбъeктa.

Нoстoк (Nostoc sp.) – слоевища микро- или макроскопические желатиновые, аморфной или сферической формы. Оболочки вокруг трихомы присутствуют, но видно их обычно только на периферии колонии. Нити в колонии нерегулярно свернуты, иногда более собраны в периферийном слое. Трихомы одинаковой ширины по всей длине, апикальные клетки морфологически не отличаются от других клеток, клетки цилиндрические, бочкообразные до почти сферической формы. Гетероцисты одиночные. Нoстoк относится к пpoкapиoтaм, т.к. в клетках нет обособленного ядра. Встречается в воде, почве.

Характеристика тяжелых металлов на примере кадмия и меди.

Кадмий и медь являются наиболее важными металлами при изучении проблемы загрязнений так как они широко распространены в мире и обладают токсическими свойствами.

Кадмий (Cd). Атомная масса 112,4. Кадмий по химическим свойствам близок к цинку, но отличается от него большей подвижностью в кислых средах и лучшей доступностью для растений. Токсичность кадмия для растений проявляется в нарушении активности ферментов, торможении фотосинтеза, нарушении транспирации, а также ингибирования восстановления NO2 до NO. Кроме того, в метаболизме растений он является антогонистом ряда элементов питания (Zn, Cu, Mn, Ni, Se, Ca, Mg, P). При токсичном воздействии металла у растений наблюдаются задержка роста, повреждение корневой системы и хлороз листьев.

Кадмий достаточно легко поступает из почвы и атмосферы в растения. По фитотоксичности и способности накапливаться в растения в ряду тяжелых металлов он занимает первое место (Cd > Cu > Zn > Pb) [Oвчapeнкo и др., 1998]. Кадмий способен накапливаться в организме человека и животных так как сравнительно легко усваивается из пищи и воды и проникает в различные органы и ткани. Токсичное действие металла проявляется уже при очень низких концентрациях. Его избыток ингибирует синтез ДНК, белков и нуклеиновых кислот, влияет на активность ферментов, нарушает усвоение и обмен других микроэлементов (Zn, Cu, Se, Fe), что может вызывать их дефицит.

Хроническое воздействие кадмия на человека приводит к нарушениям почечной функции, легочной недостаточности, остеомаляции, анемии и потере обоняния. Существуют данные о возможном канцерогенном эффекте кадмия и о вероятном участии его в развитии сердечно-сосудистых заболеваний. Наиболее тяжелой формой хронического отравления кадмием является болезнь итaй-итaй, характеризующаяся деформацией скелета с заметным уменьшением роста, поясничными болями, болезненными явлениями в мышцах ног, утиной походкой. Кроме тог, отмечаются частые переломы размягченных костей даже при кашле, а также нарушение функции поджелудочной железы, изменения в желудочно-кишечном тракте, гипохромная анемия, дисфункция почек и другие [Aвцын и дp., 1991].

Медь (Cu). Атомная масса 63,5. В химическом отношении медь – малоактивный металл. В почвах медь является слабомиграционным элементом, хотя содержание подвижной формы бывает достаточно высоким. Количество подвижной меди зависит от многих факторов: химического и минералогического состава материнской породы, pН почвенного раствора, содержания органического вещества и др. Наибольшее количество меди в почве связано с оксидами железа, марганца, гидроксидами железа и алюминия и, особенно с мoнтмopиллoнитoм вepмикулитoм. Гуминовые и фульвокислоты способны образовывать устойчивые комплексы с медью. При pН 7-8 растворимость меди наименьшая.

Среднее содержание меди в почвах мира 30 мг/кг. Вблизи индустриальных источников загрязнения в некоторых случаях может наблюдаться загрязнение почвы медью до 3500 мг/кг.

Чрезмерное поглощение меди человеком приводит к болезни Вильсoнa, при которой избыток элемента откладывается в мозговой ткани, коже, печени, поджелудочной железе и миокарде.

Методика оценки токсичности тяжелых металлов с использованием Nostoc sp.

Для оценки токсичности металлов кадмий и медь использовали их соединения CuSO4 (далее медь) и CdSO4 (далее кадмий). Медь и кадмий испытывали в концентрациях 1*10 -10 – 1 моль/л. Растворы соединений металлов разливают в чашки Петри по 1 мл, предварительно выложив на дно чашки Петри фильтровальную бумагу. Для проведения эксперимента с помощью стерильной препоравальной иглы вырезают агаровую пластинку с культурой Nostoc sp. размером 2х2 мм. В одну чашку Пeтpи помещают пять кусочков агаровой пластинки с культурой Nostoc sp. – один в центр, четыре по периферии. Все работы проводятся с соблюдением правил стерильности. Чашки Петри закрывают и инкубируют на люминостате при комнатной температуре. При подсыхание фильтровальную фильтровальную бумагу периодически смачивают дистиллированной водой. Фильтровальную бумагу с контролем смачивают средой Z8. Просмотр начинают через 20 дней со дня постановки опыта. У каждой колонии измеряется не менее четырех диаметров с помощью линейки.

Оценка токсичности тяжелых металлов с использованием Nostoc sp. Исследования показали, что кадмий при концентрациях от 1*10 -7 – 1*10 -10 моль/л не имеет существенного влияния на рост колоний Nostoc sp. Причем концентрация соли кадмия 1*10 -10 моль/л вызывала незначительную стимуляцию роста колоний. При концентрациях 1*10 -5 и 1*10 -6 моль/л наблюдается незначительное ингибирование роста колоний, а при концентрациях кадмия 1*10 -4 – 1 моль/л идет значительное подавление роста диаметра колоний. Разница между значениями опыта и контроля достоверна при уровне значимости 0,05 для концентраций металла 1*10 -6 – 1 моль/л (табл.1).

Влияние разных концентраций раствора медного купороса несколько отличалось от результатов эксперимента по кадмию (рис.). Концентрации раствора медного купороса 1*10 -4 , 1*10 -5 , 1*10 -6 , 1*10 -7 , 1*10 -8 моль/л не оказывали значительного влияния на рост колоний Nostoc sp. (разница по критерию достоверности Стьюдента при уровне значимости 0,05 не достоверна). Наиболее токсичными по отношению к Nostoc sp. являлись концентрации медного купороса 1, 1*10 -1 , 1*10 -2 , 1*10 -3 моль/л, они значительно подавляли рост колоний Nostoc sp. При небольших концентрациях раствора соли меди 1*10 -9 , 1*10 -10 моль/л отмечалось ингибирование роста колоний цианобактерии, что возможно связано с нехваткой данного элемента в среде для жизнедеятельности культуры Nostoc sp. Данные эксперимента по отличию значений диаметра колоний выращенных на среде с концентрацией медного купороса 1, 1*10 -1 , 1*10 -2 , 1*10 -3 и 1*10 -9 , 1*10 -10 моль/л и контрольной среды достоверны по критерию Стьюдена при уровне значимости 0,05 (табл.2).

Выводы.

1. Проведенные эксперименты по оценки токсичности тяжелых металлов говорят о том, что Nostoc sp. является чувствительным тест-объектом по отношению к соединениям тяжелых металлов, разработанная нами методика биотестирования пригодна для оценки токсичности солей тяжелых металлов. Данная методика проста в применении и не требует дорогостоящего оборудования и значительных временных затрат, и возможно ее использование при оценке токсичности различных природных сред (почвы, воды).

2. Сульфат кадмия в концентрациях от 1*10 -7 – 1*10 -10 моль/л не имеет существенного влияния на рост колоний Nostoc sp. При концентрациях 1*10 -5 и 1*10 -6 моль/л наблюдается незначительное ингибирование роста колоний, а при концентрациях кадмия 1*10 -4 – 1 моль/л идет значительное подавление роста диаметра колоний.

3. Концентрации раствора медного купороса 1*10 -4 , 1*10 -5 , 1*10 -6 , 1*10 -7 , 1*10 -8 моль/л не оказывают значительного влияния на рост колоний Nostoc sp. Наиболее токсичными по отношению к Nostoc sp. являлись концентрации медного купороса 1, 1*10 -1 , 1*10 -2 , 1*10 -3 моль/л, они значительно подавляют рост колоний. При небольших концентрациях раствора соли меди 1*10 -9 , 1*10 -10 моль/л отмечается ингибирование роста колоний цианобактерии, что возможно связано с нехваткой данного элемента в среде для жизнедеятельности культуры Nostoc sp.

Источники литературы

1. Авцын А.П., Жаворонков А.А.,Риш М.А., Строчкова Л.С. Микроэлементозы человека. М.: Медецина, 1991.

2. Вронский В. А. Экология. Ростов н/Д, 2001, 343 с.

3. Зайцев Г.Н. Математическая статистика в экспериментальной ботанике. М.: Наука, 1984. 424 с.

4. Патин С.А. Биотестирование как метод изучения и предотвращения загрязнения водоемов//Биотестирование природных и сточных вод. М.: Наука, 1981. С.7-16.

5. Хазиев Ф.Х., Кабиров Р.Р. Количественные методы почвенно-альгологических исследований. Уфа: БФАН СССР, 1986. 172 c. 6. http://www.zilair.su/sp/sp_knk/ok_sreda.pd