В связи с развитием работ по биоиндикации компонентов биоценозов актуальными стали вопросы о комплексном тестировании загрязнения и поиск быстрых тест-систем. Настоящая работа позволяет использовать реакцию растений на ионы тяжелых 128 металлов (например, меди, свинца, тория, кобальта, цинка, бария и др.) в качестве биотеста. Ионы металлов необратимо связываются с SH-группами остатков цистеина, поэтому нарушается каталитическая активность ферментов. Они ингибируют их с образованием меркантидов:
E – SH + Cu2+ = E – S – Cu + H+
То есть, возникает неконкурентное ингибирование, в результате чего клетка погибает.
Цель работы: изучить загрязнение воды, почвы ионами тяжелых металлов с использованием растений.
Материалы и оборудование: центрифужные пробирки; растворы солей металлов разной концентрации; листья элодеи или другого растения; бумажные фильтры; вакуумный насос; чашки Петри; центрифуга; лампа дневного света.
Ход работы.
Проведение инфильтрации.
Отработку теста можно осуществлять в модельных опытах в лабораторных условиях.
Введение меди (равно как и ионов других металлов: свинца, тория и др.) в растительные ткани в эксперименте можно осуществлять методом инфильтрации, т.е. введением растворов, содержащих ионы, в межклетники тканей листа. Ниже приведено описание работы с ионами меди. Для других ионов работа проводит- ся по той же схеме.
В центрифужные пробирки с растворами CuSO4 (концентрации катиона 0,001; 0,01; 0,025) поместите по 10—15 неповрежденных листьев элодеи или другого растения. В качестве контроля используйте вариант с дистиллированной водой. Центрифугируйте 10 минут при 5000 об./мин, затем резко остановите центрифугу.
Проведение теста.
Инфильтрованные листья поместите в чашки Петри на смоченные дистиллированной водой бумажные фильтры, прикройте крышками и поставьте под лампу дневного света или на освещенное окно.
Наблюдения проводите через 15, 30, 60, 120 минут после выдерживания инфильтрованных листьев на свету. Действие ионов металлов должно проявляться в гибели клеток. Живые клетки очень ограничивают проницаемость внутрь органических веществ и, помещенные в раствор красителя, практически не окрашиваются. В мертвые клетки краска проникает свободно, благодаря чему их можно сразу обнаружить и учесть. Для окрашивания используйте краситель сафранин (0,25 г сафранина в 100 мл 10%-ного спирта), поскольку он обладает способностью хорошо окрашивать стенки клеток. Образцы выдержите в красителе 3—5 минут. За показатель токсичности поллютантов (ионов металлов) примите количество окрашенных клеток в процентном отношении к общей площади листа или его поперечного среза.
Контрольные вопросы
1. Источники поступления тяжелых металлов в почву и воду. Какое влияние оказывает загрязнение тяжелыми металлами почвы, воды на растения?
2. В чем смысл метода биотестирования загрязнения воды и почвы тяжелыми металлами, который вы изучили?
ОТВЕТЫНА ВОПРОСЫ1-2:
Загрязнение почв тяжёлыми металлами приводит к необратимым процессам деградации почвы.
Накопление тяжёлых металлов в растениях и в почве в значительной степени зависит от рельефа местности, направления ветра, от количества транспортного потока, скорости движения, типа машин (дизельные, карбюраторные) и от того, на каком расстоянии от дороги они находятся и имеются ли защитные насаждения вдоль автомагистрали.
Более 20% выбросов автотранспорта оседает в непосредственной близости от автодорог, причём зона наибольшего загрязнения тяжёлыми металлами занимает полосу длиной более 10 м. Более крупные частицы (от 0,1 мм до нескольких мм) оседают в непосредственной близости от автодорог.
Одним из основных загрязнителей почвы является свинец. При сгорании 1 л этилированного бензина выделяется от 200 до 500 мг свинца. Из почвы он попадает в растения. До тех пор, пока тяжёлые металлы прочно связаны с составными частями почвы и труднодоступны, их отрицательное влияние на почву и окружающую среду будет незначительным. Однако, если почвенные условия позволяют перейти тяжёлым металлам в почвенный раствор, появляется прямая опасность загрязнения почв, возникает вероятность проникновения их в растения, а также в организм человека и животных, потребляющих эти растения. Опасность загрязнения почв и растений зависит от:
- вида растений;
- форм химических соединений в почве;
- присутствия элементов, противодействующих влиянию тяжёлых металлов и веществ, образующих с ними комплексные соединения;
- от процессов адсорбции и десорбции;
- количества допустимых форм этих металлов в почве.
В результате сжигания топлива растет концентрация свинца в почве, истирание протектора шин и тормозных колодок приводит к загрязнению почвы кадмием, асбестом. Оксиды серы и азота поступают в атмосферу, образуя кислотные дожди, подкисляющие почву и растворяющие восковой защитный слой хвои и листвы.
Растениями-индикаторами называют растения, тесно связанные с определенными экологическими условиями. По их присутствию узнают о содержании определённых микроэлементов и веществ. На изменения окружающей среды растения-индикаторы реагируют изменением внешнего вида и химического состава, количество их может резко возрасти или, наоборот, уменьшиться. Растениями-индикаторами пользуются при оценке механического и химического состава почвы, в поисках пресных вод в пустыне и при разведке полезных ископаемых. Им отводится важная роль в индикационной геоботанике, экологии, физиологии и биохимии растений, биогеографии, геологии, геохимии, гидрогеологии и других науках. Видовой состав растений свидетельствует о рН почвы, степени её плодородия, наличии или нехватке тех или иных химических элементов. По состоянию растения, внешнему виду его листьев и других органов, можно достаточно точно определить состав почвы и наличие в ней питательных веществ.
Не каждое растение может быть индикатором. Лучшими индикаторами являются так называемые стенобионты - виды, приспособленные к существованию в строго определенных условиях и не выносящие больших колебаний окружающей среды по сравнению с видами, существующими при значительных изменениях или в различных условиях окружающей среды. Численные соотношения различных видов и популяций часто служат лучшим индикатором, чем численность одного вида, так как целое лучше, чем часть, отражает общую сумму условий.
Для выявления разных загрязняющих веществ используются различные виды биоиндикаторов. Так, например, для общего загрязнения - лишайники и мхи, для загрязнения тяжёлыми металлами - слива, фасоль, подорожник, диоксидом серы - люцерна, аммиаком - подсолнечник, сероводородом - шпинат и горох, полициклическими ароматическими углеводородами (ПАУ) - недотрога и др.
На медь сильнее других растений реагирует мак, у многих растений приостанавливается рост, резко тормозится прорастание семян, они становятся карликами. На избыток накопления цинка реагирует ярутка, у нее отмирают кончики листьев и возникают уродливые формы. Индикатором свинца может выступать смолёвка, она приобретает карликовую форму, листья становятся тёмно-красными, цветки - мелкими. Индикаторами выхлопных газов могут быть многие растения, у них отмирают или засыхают концы листьев.
Работу выполнил студент гр. ___________ ______________________
Ф.И.О.
____________201__ г. ___________________
(подпись)
Лабораторная работа № 3