ВЛИЯНИЕ ВЕЩЕСТВ, СВЯЗЫВАЮЩИХ ИОНЫ МЕДИ, НА ТОКСИЧНОСТЬ РАСТВОРОВ СУЛЬФАТА МЕДИ(II)

АННОТАЦИЯ

Целью работы было исследование влияния сульфата меди(II) в присутствии гуминовых веществ, восстановленного глутатиона и цеолита на биохимические показатели почвенных цианобактерий Nostoc paludosum 18. В качестве показателей выбрано содержание тиоловых соединений в микроорганизмах, дегидрогеназная активность культуры и содержание меди в биомассе. Явный отклик изучаемых показателей отмечен для концентрации ионов меди(II) равной 0,5 мг/дм³. При этом снижается дегидрогеназная активность и усиливается накопление металла культурой. Однозначно судить о биопротекторном действии можно только по дегидрогеназной активности.

Ключевые слова: цианобактерии, медь, биопротекторы.

В окружающей среде редко встречаются монокомпонентные системы. Поэтому актуальным является исследование токсического процесса, развивающегося под действием поллютантов в присутствии различных веществ. В качестве объектов исследования интерес представляют соединения меди. Большую роль в формировании токсичности растворов солей металла играют вещества, изменяющие эффективную концентрацию и физиологическую активность его ионов, в частности Cu²⁺. К таким агентам относятся вещества – потенциальные биопротекторы: гуминовые вещества (ГВ), глутатион восстановленный (GSH) и цеолит (Ц). Существует много литературных данных о структуре соединений, которые они образуют с ионами меди(II). Есть сведения, указывающие на снижение активной концентрации ионов Cu²⁺, однако данные о токсическом процессе, обусловленном солями меди(II) в присутствии ГВ, GSH и Ц малочисленны.

Одними из живых организмов, присутствие и биохимический статус которых отражает состояние окружающей среды, являются почвенные цианобактерии (ЦБ). Поэтому целью данной работы было исследование влияния сульфата меди(II) в присутствии гуминовых веществ, восстановленного глутатиона и цеолита на биохимические показатели почвенных цианобактерий Nostoc paludosum 18.

Методы исследований

Культуру почвенных цианобактерий Nostoc paludosum 18 (возраст 3 месяца) гомогенизировали в течение 2-х минут с помощью гомогенизатора марки HG-15А-Set-A при 30 тыс. об. / мин. Помещали в растворы CuSO₄ (окончательный титр микроорганизмов составил 2·10⁷ кл/см³) с концентрациями ионов Cu²⁺ равными 0,1 и 0,5 мг/дм³, что равно одному и пяти ПДК меди в питьевой воде соответственно. К растворам добавляли GSH, ГВ (выделены из торфа) и Ц. GSH добавляли до молярных соотношений Cu²⁺:GSH равных 1:4. ГВ добавляли к растворам CuSO₄ в массовых количествах равных тому количеству, сколько добавлено в аналогичных вариантах с GSH. Цеолит был добавлен в оба варианта растворов CuSO₄ в массовых соотношениях Ц : масса раствора равных 1:40. В качестве контроля использовали дистиллированную воду и индивидуальные растворы, содержащие ГВ, GSH и Ц без добавки CuSO₄. Через двое суток определяли биохимические показатели: содержание тиоловых соединений в культуре микроорганизмов спектрофотометрическим методом с реактивом Эллмана [2, с. 487], дегидрогеназную активность ЦБ – методом прямого счета клеток ЦБ с кристаллами формазана под микроскопом [3, С. 31–41], содержание меди в биомассе ЦБ – методом инверсионной вольтамперометрии [1].

Результаты и обсуждение

В присутствии ТМ в организмах образуются соединения, способные связывать и тем самым снижать токсичность ионов ТМ. Увеличение содержания таких соединений может быть маркерным признаком токсичности. В вариантах без внесения СuSO₄ содержание тиоловых соединений в ЦБ возросло в три раза в присутствии ГВ и в 1,5 раза в присутствии GSH по сравнению с контролем. Данное явление весьма логично, так как в GSH и в ГВ есть тиоловые группы. Проникновение ГВ и GSH внутрь клеток микроорганизмов привело к их определению в дальнейшем с реактивом Эллмана. Внесение в раствор ионов Cu²⁺ в количестве равном 1 ПДК не привело к достоверному увеличению содержания SH-соединений в ЦБ по сравнению с контролем ни в одном из вариантов с данной концентрацией Cu²⁺. Внесение в раствор ионов Cu²⁺ в количестве равном 5 ПДК без добавления биопротекторов привело к увеличению содержания SH-соединений в ЦБ по сравнению с контролем. Высоким содержанием SH-групп отличается вариант 5 ПДК Сu-ГВ (рис. 1).

Рисунок 1. Влияние металлсвязывающих агентов и CuSO₄ на содержание в ЦБ соединений, содержащих тиоловую группу (в пересчете на GSH)

Присутствие в среде соединений меди может влиять не только на появление тиоловых соединений, но и на активность клеточных дегидрогеназ, которые являются очень чувствительными к действию различных токсикантов, что служит основой тест-систем. Об активности дегидрогеназ судили по количеству клеток с кристаллами формазана в культуре ЦБ, которые в свою очередь образуются под действием клеточных дегидрогеназ из 2,3,5-трифенилтетразолия хлорида. За токсичность принимаются варианты, где доля клеток с формазаном менее 50 %.

Доля клеток (%) с кристаллами формазана в вариантах без внесения сульфата меди(II) приближалась к 100 %, не считая цеолитсодержащего варианта, между значениями в первые и вторые сутки отсутствует достоверная разница. В остальных вариантах доля клеток с формазаном меньше, чем в контроле. С увеличением концентрации ионов Cu²⁺ доля клеток с формазаном уменьшается, что говорит об усилении токсичности растворов. Присутствие агентов, связывающих Cu²⁺, снижает токсичность, однако не позволяет достигать контрольных значений. На вторые сутки токсичность растворов, содержащих Cu²⁺, увеличивается, в том числе в вариантах, содержащих потенциальные биопротекторы.

Рисунок 2. Влияние металлсвязывающих агентов и CuSO₄ на дегидрогеназную активность ЦБ

В вариантах, содержащих ионы Cu²⁺ в присутствии ГВ, GSH и Ц, в первые сутки не было диагностировано токсичности, по сравнению с вариантом, где потенциальных биопротекторов не было. На вторые сутки токсичным стал раствор с ГВ, несмотря на то, что ГВ обладают наибольшим биопротекторным действием в течение первых суток при обеих концентрациях токсиканта (рис. 2).

Установлено, что накопление меди в биомассе ЦБ в вариантах с добавлением в раствор CuSO₄ (кроме контрольного варианта с Ц, 1 ПДКCu-GSH и 1 ПДКCu-ГВ) достоверно выше, чем во всех вариантах без добавления соли металла. Накопление меди в течение двух суток не зависело от концентрации CuSO₄ в растворе, если отсутствовали агенты, связывающие медь. При 1 ПДК Cu²⁺ GSH и ГВ снизили поглощение меди в 2–3 раза. Присутствие Ц протекторного действия не оказало. При 5 ПДК Cu²⁺ агенты, связывающие ионы Cu²⁺, не оказали влияния, а в случае с ГВ и Ц поглощение увеличилось в 1,5 и 3,0 раза по сравнению с контролем, соответственно (рис. 3).

Рисунок 3. Влияние металлсвязывающих агентов и CuSO₄ на содержание меди в ЦБ

Выводы

1. Видимый эффект от действия CuSO₄ наблюдался по всем показателям у ЦБ, на которых воздействовали раствором c концентрацией ионов Cu²⁺ равной 0,5 мг/дм³. Воздействие нашло выражение в повышенном накоплении металла культурой, повышенным содержанием тиоловых соединений в большинстве вариантов и резком снижении дегидрогеназной активности. Важно отметить, что наиболее однозначным и выраженным откликом явилось снижение дегидрогеназной активности.
2. Если говорить о протекторном действии GSH, ГВ и Ц, то судя по дегидрогеназной активности ЦБ, это свойство присуще всем изученным веществам. Судя по накоплению металла микроорганизмами, только GSH и ГВ проявляют биопротекторное действие и только в вариантах с концентрацией ионов Cu²⁺ равной 0,1 мг/дм³. По содержанию тиоловых соединений результаты весьма неоднозначны. Зачастую аналитические эффекты тиоловых групп, образующихся как реакция на стресс-фактор, маскируются эффектами от тиоловых групп самих биопротекторов.

Список литературы:

1. Соколова М.Л. Метрологическая характеристика методики определения восстановленного глутатиона методом спектрофотометрии // Современные научные исследования и разработки. – 2017. – № 4(12). – С. 487–489.
2. Сборник методик измерений концентрации ионов меди, кадмия, цинка, висмута, марганца и никеля методом вольтамперометрии на вольтамперометрическом анализаторе «Экотест-ВА». М.: ООО «Эконикс-Эксперт», 2004. – 61 с.
3. Фокина А.И., Домрачева Л.И., Зыкова Ю.Н., Скугорева С.Г., Лялина Е.И., Трефилова Л.В. Совершенствование тетразольно-топографической методики биотестирования с использованием цианобактерий // Теоретическая и прикладная экология. – 2017. – № 1. – С. 31–41.