научная статья по теме УСТОЙЧИВОСТЬ МИКРОВОДОРОСЛЕЙ К КОЛЛОИДНОМУ НАНОСЕРЕБРУ Биология

Текст научной статьи на тему «УСТОЙЧИВОСТЬ МИКРОВОДОРОСЛЕЙ К КОЛЛОИДНОМУ НАНОСЕРЕБРУ»

ФИЗИОЛОГИЯ РАСТЕНИЙ, 2015, том 62, № 2, с. 273-282

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ СТАТЬИ

УДК 581.1

УСТОЙЧИВОСТЬ МИКРОВОДОРОСЛЕЙ К КОЛЛОИДНОМУ НАНОСЕРЕБРУ1 © 2015 г. В. И. Ипатова, Н. Е. Спиркина, А. Г. Дмитриева

Биологический факультет Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова, Москва

Поступила в редакцию 01.06.2014 г.

Исследовано влияние коллоидного наносеребра на рост и структуру лабораторных популяций хло-рококковых водорослей Scenedesmus quadricauda (Turp.) Breb. и Monoraphidium arcuatum (Korsch.) Hind. в диапазоне концентраций от 0.0001 до 1 мг/л. Токсичность коллоидного серебра проявлялась при концентрации 0.1 мг/л и выше, при этом наблюдался альгостатический эффект, длительность которого прямо зависела от концентрации серебра в среде. У обоих видов после периода угнетения роста в присутствии 0.1 мг/л наблюдалось постепенное восстановление численности клеток в культуре, и структурный состав популяции (соотношение фракций делящихся, покоящихся и мертвых клеток) становился сходным со структурой популяции в контроле. Обнаружен эффект адаптации S. quadricauda к коллоидному серебру при последовательных пересевах в среды с токсическими концентрациями (0.1 и 0.5 мг/л), который зависел от концентрации и длительности выдерживания культуры при первичной интоксикации. Токсичность бесклеточных фильтратов из культуры S. quadricauda, контактировавшей в течение разного времени с коллоидным серебром, оценивали с помощью интактной культуры этого же вида, численность клеток которой на бесклеточных фильтратах была близка к уровню контроля. Пересев в чистую среду клеток, контактировавших с серебром, показал, что во всех случаях наблюдалась длительная лаг-фаза. Предполагается, что основным механизмом адаптации популяции водорослей к высоким концентрациям (0.1 и 0.5 мг/л) этого токсиканта является отбор резистентных клеток при первичной интоксикации в присутствии коллоидного серебра, имевшихся изначально в исходной гетерогенной популяции. Эти резистентные клетки появляются в популяции случайно путем редких спонтанных мутаций, возникающих при репликации еще до контакта с серебром, и обладают более совершенными механизмами его деток-сикации.

Ключевые слова: Scenedesmus quadricauda — Monoraphidium arcuatum — адаптация — коллоидное нано-серебро

DOI: 10.7868/S001533031501008X

ВВЕДЕНИЕ

В связи с увеличением производства и использования человеком различных форм серебра, особенно наночастиц серебра (Л§НЧ), в фармакологии, пищевой промышленности и в бытовых целях, оно становится не только средством подавления роста вредоносной микрофлоры, но и возможным компонентом загрязнения вод, создавая потенциальный риск для водных организмов и экосистем в целом.

1 Представлено на Международной конференции "Физиология и биотехнология оксигенных фототрофных микроорганизмов: взгляд в будущее" (27-30 мая 2014 г.).

Сокращение: AgНЧ — наночастицы серебра. Адрес для корреспонденции: Ипатова Валентина Ивановна. 119991 Москва, ГСП-1, Ленинские горы, 1, стр. 12. Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, биологический факультет. Электронная почта: viipatova@hotmail.com

AgНЧ имеют чрезвычайно большую удельную площадь поверхности, что увеличивает их область контакта с бактериями и вирусами, и это позволяет снизить концентрацию серебра с сохранением противомикробных свойств. Кроме того, в наноразмерном состоянии любые вещества приобретают новые химические, физические и биологические свойства, существенно отличающиеся от их свойств в макрообъемном состоянии [1], и поэтому они могут быть потенциально токсичными для живых организмов, что обуславливает необходимость их мониторинга в окружающей водной среде и изучения эффектов этих соединений для гидробионтов.

Водные организмы могут быть подвержены действию дискретных или агломерированных AgНЧ, а также ионов серебра (Ag+), которые могут из них высвобождаться [2].

В настоящее время сравнительно небольшое число исследований посвящено изучению взаимодействия наночастиц серебра (AgH4) с водорослями. К примеру, исследовано влияние AgH4 на зеленую водоросль Chlamydomonas reinhardtii [3] и прибрежную морскую диатомовую водоросль Thalassiosira weissflogii [4]. В обоих случаях токсичность AgH4 была главным образом обусловлена присутствием свободных ионов серебра в клетке, а внутриклеточное накопление AgH4 отмечали у пресноводной водоросли Ochromonas danica [5] и у высшего водного растения Lemna gibba [6]. Шестичасовая экспозиция C. reinhardtii в присутствии AgH4 приводила к изменению процесса фотосинтеза и уменьшению квантового выхода ФС II, что было вызвано, по мнению авторов, токсичностью ионов серебра, высвобождаемых в среду из AgH4 [3]. Накопление AgH4 приводило к уменьшению содержания хлорофилла, повышению образования активных форм кислорода (АФК) и усилению перекисного окисления липидов у Chlorella vulgaris и Dunaliella terti-olecta [7].

Внутриклеточное накопление Ag+ при воздействии наночастиц серебра с карбонатным покрытием (средний диаметр 29 нм) и нитрата серебра (20—500 нм) изучено у штамма дикого типа и лишенного клеточной стенки мутанта зеленой водоросли C. reinhardtii [2]. Клеточная стенка выполняет защитную функцию в ограничении поступления Ag+ в клетку. Показано, что содержание Ag+ в клетках возрастало с увеличением времени экспозиции и концентрации AgH4 и AgNO3, достигая постоянного уровня. Отметим, что при этом поступление в клетку через клеточную мембрану AgH4 по сравнению с Ag+ было низким у обоих штаммов.

Предложены две гипотезы возможного частичного поступления AgH4 в клетку водорослей, основанные на сравнении размера наноча-стиц и размера пор клеточной стенки (5—20 нм) [8], и эндоцитозном поглощении AgH4 через клеточную мембрану (интернализация) [9].

Механизм действия коллоидного серебра на растительную клетку до конца не изучен. Показано, что многие наноматериалы индуцируют в клетках водорослей сильный окислительный стресс, нарушающий баланс между оксидантны-ми и антиоксидантными процессами [10, 11]. Цитотоксический эффект AgH4, вызывающих окислительный стресс, может быть результатом взаимодействия ионов серебра с функциональными тиоловыми группами (-SH), поскольку ионы серебра имеют высокое сродство к ним [12]. В присутствии AgH4 может происходить увеличение уровня АФК, повреждающих белки и ДНК

и вызывающих перекисное окисление липидов [13]. В зависимости от силы окислительного стресса клетки могут погибнуть в результате апо-птоза или некроза.

Более подробно изучено влияние ионного серебра на водоросли. Бионакопление и токсичность Ag+ из различных соединений серебра для морских и пресноводных водорослей были рассмотрены в обзоре Ratte [14]. Водоросли имеют высокий коэффициент бионакопления ионного серебра (более 104). У зеленой водоросли C. rein-hardtii поглощение Ag+ происходило очень быстро, возможно с участием Си(1)-транспортной системы [15].

Очень часто в открытой литературе приводятся результаты исследований на водорослях в краткосрочных опытах, длительностью от нескольких часов до нескольких суток. Однако токсический эффект на выживаемость организма или популяции и восстановление популяции после длительного периода угнетения роста в присутствии металлов может проявиться со временем, что экспериментально выявляется только в длительных (хронических) испытаниях.

В связи с недостаточным количеством исследований устойчивости и отсутствием исследований адаптации микроводорослей к коллоидному серебру в длительных испытаниях, целью настоящей работы было изучение влияния коллоидного наносеребра на рост и структуру лабораторных популяций хлорококковых водорослей Scenedes-mus quadricauda (Turp.) Breb. и Monoraphidium ar-cuatum (Korsch.) Hind. в длительных экспериментах.

В задачи работы входило: 1) исследование динамики роста модельных популяций S. quadri-cauda и M. arcuatum при действии коллоидного серебра; 2) изучение структурного состава популяций клеток микроводорослей S. quadricauda и M. arcuatum по соотношению фракций делящихся, покоящихся и мертвых клеток в культурах в норме и при действии коллоидного серебра; 3) выявление возможности адаптации культуры S. quadricauda к наносеребру путем последовательных пересевов ее в среды с токсическими концентрациями коллоидного серебра; 4) исследование изменений свойств культуральной среды в динамике развития культуры S. quadricauda в присутствии коллоидного серебра.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Объектами исследования являлись альгологи-чески чистые культуры зеленых хлорококковых микроводорослей Scenedesmus quadricauda (Turp.) Breb. и Monoraphidium arcuatum (Korsch.) Hind., широко распространенных в пресных водоемах

Южного и Северного полушария и являющихся в них важным звеном трофических цепей.

S. quadricauda получена из коллекции культур водорослей кафедры микробиологии биологического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова (DMMSU, штамм S-3). Данный вид водорослей относится к ценобиальным организмам. Чаще встречаются 2- и 4-клеточные ценобии, реже — 8—16-клеточные. При размножении в каждой клетке образуются автоспоры, которые внутри материнской клетки слагаются в молодую колонию [16].

M. arcuatum — одноклеточная водоросль с дуговидно изогнутыми клетками, размножается бесполо, образуя 4—8 автоспор внутри материнской клетки, которые выходят при разрыве ее оболочки [16]. M. arcuatum введена в культуру на кафедре гидробиологии биологического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова [17].

Культуры обоих видов выращивали на среде Успенского № 1 (состав (г/л): 0.025 KNO3, 0.025 MgSO4, 0.1 KH2PO4, 0.025 Ca(NO3)2, 0.0345 K2CO3, 0.002 Fe2(SO4)3; pH 7.0-7.3) в лю-миностате при освещенности 3.5 клк со сменой дня и ночи (12/12 ч), температуре 22 ± 2°С и перемешивании 2 раза в сутки во избежание их оседания.

Исследовали влияние коллоидного наносе-ребра (Silver Max, "Bio International Inc.", США), рекомендованного в качестве биологически активной добавки к пище и представляющего собой коллоидный раствор сверхмалых частиц серебра (17-35 нм) без присадок, находящихся во взвешенном состоянии в деионизированной воде. Опыты с культурами про

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком