 |
4.1 Клеточный и субклеточный уровни
|
|
|
|
4. 1 Клеточный и субклеточный уровни
Биоиндикация на этих уровнях основана на узких пределах протекания биотических и физиологических реакций. Ее достоинства заключаются в высокой чувствительности к нарушениям, позволяющим выявить даже незначительные концентрации поллютантов, и выявить их быстро. Именно на этих уровнях возможно наиболее раннее выявление нарушений среды. К числу недостатков относится то, что биоиндикаторы-клетки и молекулы требуют сложной аппаратуры.
Результаты действия поллютантов следующие:
· нарушение биомембран (особенно их проницаемости);
· изменение концентрации и активности макромолекул (ферменты, белки, аминокислоты, жиры, углеводы, АТФ);
· аккумуляция вредных веществ;
· нарушение физиологических процессов в клетке;
· изменение размеров клеток.
Чтобы разработать тот или иной способ биоиндикации на этом уровне, необходимо выяснить механизмы действия поллютантов.
Влияние поллютантов на биомембраны (на примере клеток растений)
Сернистый газ. SO2 проникает в лист через устьица, попадает в межклеточное пространство, растворяется в воде с образованием SO32-/HSO3- ионов, разрушающих клеточную мембрану. В итоге снижается буферная емкость цитоплазмы клетки, изменяются ее кислотность и редокс-потенциал.
Озон и другие окислители, например, пероксиацетилнитрата. Нарушают проницаемость мембран. Этот эффект усугубляется в присутствии ионов тяжелых металлов.
Во всех случаях особенно сильно страдают мембраны хлоропластов - тилакоидные. Их разрушение - основная причина снижения фотосинтеза при воздействии поллютантов. Процесс фотосинтеза как очень чувствительный служит для биоиндикации загрязнения среды. При этом оценивают: 1) интенсивность фотосинтеза, 2) флуоресценцию хлорофилла. В качестве тест-организма часто используют мох мниум.
|
|
|
Изменение концентрации и активности макромолекул
Ферменты. Действие поллютантов на ферменты нарушает процесс нормального присоединения фермента к субстрату (С-Ф). Это может происходить тремя различными способами:
1) к ферменту вместо субстрата присоединяется поллютант-ингибитор с образованием комплекса Ф-И (отравление СО);
2) поллютант ингибирует фермент, расщепляя его связь с субстратом: С÷ Ф;
3) присоединяясь к субстрату вместе с ферментом, поллютант ингибирует его: С-Ф-И.
В итоге нарушаются различные процессы, например:
· ассимиляция углекислого газа в процессе фотосинтеза. SO2 связывается с активным центром ключевого фермента фотосинтеза (рибулозодифосфаткарбоксилазы) вместо СО2 и тормозит фиксацию СО2 в цикле Кальвина. Газообмен СО2 в принципе пригоден для биоиндикации;
· взаимодействие SO2 с HS-группами белков, что ведет к разрушению ферментов (показано для малатдегидрогеназы).
Синтез защитных веществ в клетке. В клетках растений под действием различных нарушений накапливаются определенные защитные вещества. Биоиндикация связана с определением концентрации этих веществ в растениях:
· пролин - аминокислота, считающаяся индикатором стресса. Ее концентрация возрастала в листьях тисса вблизи дорог с интенсивным движением транспорта, в листьях каштана при засолении почвы;
· аланин - аминокислота, накапливалась в клетках водоросли требоуксии, сосны и кукурузы при загрязнении;
· пероксидаза и супероксиддисмутаза. При воздействии стрессоров образуются токсичные перекиси, которые пероксидаза обезвреживает. Например, SO2 вызывает увеличение активности пероксидазы и появление изоферментов супероксиддисмутазы, что можно выявить с помощью гель-электрофореза.
|
|
|
Пигменты. При загрязнении в клетках растений происходят следующие изменения пигментов:
· уменьшается содержание хлорофилла. Этапы его разрушения (феофетин, феофорбиды, распад пиррольного кольца);
· понижается отношение хлорофилл а / хлорофилл в. Отмечается, в частности, у ели при хроническом задымлении SО2;
· замедляется флуоресценция хлорофилла.
При биоиндикации все эти изменения фиксируют с помощью приборов: хроматографа, спектрофотометра и флуориметра.
Аденозинтрифосфорная кислота. Содержание АТФ - универсального источника энергии в клетке - важный показатель ее жизнеспособности. Для его количественной оценки предложен показатель " энергетического заряда".
.
АДФ и АМФ - менее насыщенные энергией молекулы аденозиндифосфорной и аденозинмонофосфорной кислот. Показано, что с ростом концентрации SO2 в воздухе ЭЗ клеток растений (сосна, водоросль требоуксия) снижается.
Белки. При загрязнении в клетках уменьшается концентрация растворимых белков.
Углеводы. В целях биоиндикации может быть использовано наблюдение о росте содержания глюкозы и фруктозы в листьях гороха при действии газодымных выбросов.
Липиды. Газовые выбросы ведут к уменьшению содержания миристиновой, пальмитиновой и лауриновой кислот и к увеличению линолевой и линоленовой кислот в составе липидов.
Аккумуляция вредных веществ
Хорошим показателем загрязнения среды может служить повышенная концентрация поллютантов в клетках живых организмов. Так, обнаружена корреляция между содержанием свинца в листьях тисса и интенсивностью движения в городах.
Накопление ртути в перьях птиц позволило с помощью чучел проследить динамику загрязнений ртутью. Обнаружено, что с начала 40-х годов ХХ века содержание ртути в перьях фазана, куропаток, сапсана и других увеличилось в 10-20 раз, по сравнению с 1840-1940 гг.
Изменение размеров клеток
Показано, что при газодымном загрязнении:
· увеличиваются клетки смоляных ходов у хвойных деревьев;
· уменьшаются клетки эпидермиса листьев.
Нарушение физиологических процессов в клетке
Плазмолиз. В клетках растений под действием кислот и SO2 цитоплазма отслаивается от клеточной стенки.
|
|
|
