Изучение биологических эффектов соединений цинка и свинца на биолюминесцентные бактериальные штаммы Черного и Азовского морей (стр. 5 )

С, мг/мл	0	0,0012	0,0025	0,005	0,01	0,02
Zn(CH3COO)2⋅2H2O	100	37,04	25,93	22,22	11,11	7,21

В пробах с дигидратом ацетата цинка происходит стабильное снижение интенсивности биолюминесценции бактериальных клеток при увеличении концентраций от 37% до 7% соответственно. Для дигидрата ацетата цинка уравнение, соответствующее экспоненциальной зависимости - y = 47,422e-108,5x, достоверность аппроксимации - RІ = 0,7792.

Анализируя графики 7-9, можно наблюдать, что полученные достоверности аппроксимации приближены к единице и являются достаточно высокими.

Рис. 11

Таб. 11

Математическая зависимость интенсивности биолюминесценции бактериального штамма Photobacterium leognathi Sh1 от концентраций Pb(CH3COO)2⋅3H2O

С, мг/мл	0	0,01	0,05	0,1	0,2	0,5
5 мин.	100	96,43	114,29	96,43	78,57	57,14
15 мин.	100	86,96	117,39	95,65	86,96	47,83
30 мин.	100	95	115	90	85	50

Через 5 минут в пробах с концентрациями тригидрата ацетата свинца регистрируется снижение биолюминесцентного показателя от 96 до 57%, через 15 минут от 87 до 48%, через 30 минут от 95 до 50%. Однако в пробе с концентрацией 0,05 мг/мл можем наблюдать скачок интенсивности биолюминесценции бактериальных клеток данного штамма, через 5 минут он составляет 114%, через 15 – 117%, через 30 – 115%.

Сравнивая воздействие соединений цинка на избранные бактериальные штаммы, можем наблюдать, что для них оксид цинка является наименее токсичным, что обусловлено его химическими свойствами: оксид цинка нерастворим в воде, и он в отличие от гептагидрата сульфата цинка и дигидрата ацетата цинка в водном растворе не образует ионов. Поэтому непосредственного контакта ионов тяжелого металла с бактериальным lux-опероном не происходит. Однако снижение показателя интенсивности биолюминесценции бактериальных клеток избранных штаммов прослеживается, это связано с взаимодействием оксида цинка и клеточной мембраны бактерий, вследствие которого происходит закрытие ионных каналов и доступ веществ для проведения люциферазной реакции бактериями, а именно кислорода и альдегидов, становится все более ограниченным.

В отличие от оксида цинка дигидрат ацетата цинка и гептагидрат сульфата цинка могут образовывать ионы в водном растворе, а катионы и анионы способны, во-первых, изменять ph-среды, во-вторых, проникать внутрь бактериальной клетки, конкурируя с кислородом за «вход» в клетку.

На всех графиках прослеживается скачок интенсивности биолюминесценции бактериальных клеток в пробах с гептагидратом сульфата цинка и тригидратом ацетата свинца. Возникновение данного парадокса может быть связано с рядом причин.

Во-первых, со связыванием ионов цинка с белками бактериальной клетки [30]. Мы предполагаем, что биолюминесцентные бактерии для защиты клетки от катионов цинка, связывают их с белками, и в связанном состоянии ионы цинка некоторое время не способны воздействовать на lux-опероны бактерий и ингибировать биолюминесценцию бактерий. Однако при повышении концентрации катионов цинка происходит ингибирование свечения биолюминесцентных бактерий, так как количество металлсвязывающих белков в клетке ограничено.

Во-вторых, данная концентрация ионов цинка в растворе стимулирует рост бактериальных колоний [23, С. 8,11], вследствие чего происходит синтез аутоиндукторов [22, С. 38], которые в свою очередь и способствуют наиболее интенсивному свечению бактериальных клеток. При более же высоких концентрациях ионов цинка происходит сильное внешнее и внутреннее повреждение как бактериальных мембран, так и lux-оперонов и процессов дыхания. Вследствие чего при более высоких концентрациях происходит закономерное ингибирование процессов биолюминесценции.

В-третьих, биолюминесцентная реакция находится в конкурентных отношениях с работой цитохромов за молекулы кислорода, и очевидно предпочтительное взаимодействие цитохромов с катионами цинка [22, С. 21], поэтому, вероятно, на определенной концентрации происходит ингибирование дыхания, и весь кислород используется для проведения люциферазной реакции, вследствие чего на графике мы наблюдаем скачок показателя интенсивности биолюминесценции.

Для точного определения причины возникновения данной реакции бактериальных клеток на гептагидрат сульфата цинка, требуется более детальное изучение метаболизма бактерий данных штаммов.

Дигидрат ацетата цинка, так же как и гептагидрат сульфата цинка, оказался токсичным для избранных бактериальных штаммов. Это может быть обусловлено тем, что в водном растворе он так же распадается на ионы, вследствие чего происходит полное взаимодействие ионов данного соединения с lux-опероном бактериальных клеток, и происходит снижение показателя интенсивности биолюминесценции бактериальных штаммов или же их полное ингибирование.

ВЫВОДЫ Изучены биологические эффекты соединений цинка и свинца на биолюминесцентные бактериальные штаммы. Гептагидрат сульфата цинка ингибирует биолюминесценцию использованных штаммов на 98-100% в диапазоне концентраций от 0,1 мг/мл до 0,5 мг/мл. Оксид цинка снижает интенсивность свечения трех штаммов бактерий на 98-100% при содержании в пробах 0,5 мг/мл. Уменьшение регистрируемого сигнала жизнедеятельности микроорганизмов на 96-100% для дигидрата ацетата цинка приходилось на интервал концентрации от 0,05 мг/мл до 0,5 мг/мл. Снижение люминесценции на 43-50% от контрольных значений, регистрировали при концентрации тригидрата ацетата свинца - 0,5 мг/мл Получены экспоненциальные зависимости интенсивности биолюминесценции бактериального штамма Photobacterium leognathi Sh1 от концентраций соединений цинка в диапазоне от 0,001 до 0,2 мг/мл, соответствующие им уравнения, и достоверности аппроксимации. Для оксида цинка уравнение, соответствующее экспоненциальной зависимости -  y = 43,012e-99,68x, достоверность аппроксимации - RІ = 0,607, для гептагидрата сульфата цинка  -  y = 53,722e-104x и  RІ = 0,8261, для дигидрата ацетата цинка - y = 47,422e-108,5x и RІ = 0,7792. Показано, что оптимальным биоселективным элементом для мониторинга сред, загрязненными соединениями цинка, является штамм Photobacterium leognathi Sh1.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Автор выражает благодарность Кацеву Андрею Моисеевичу, доктору биологических наук, профессору, заведующему кафедрой Медицинской и фармацевтической химии Медицинской Академии им. , ФГАОУ ВО «КФУ им. »; Сафронюку Сергею Леонидовичу, ассистенту кафедры Медицинской и фармацевтической химии Медицинской Академии им. , ФГАОУ ВО «КФУ им. » за предоставленные бактериальные штаммы, соединения цинка, свинца и возможность проведения исследований, консультации при написании данной работы.

Практические рекомендации

Полученные результаты могут быть использованы для биологического мониторинга сред, загрязненных микроколичествами соединений цинка и свинца.

Для биологического мониторинга загрязненности сред, доказали, что перспективным является использование биолюминесцентных бактерий Черного и Азовского морей.

В дальнейшем планируется проведение мониторинга почв четырех районов города Симферополь при помощи биолюминесцентного метода.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

, ,1991. [Электронный ресурс]. Режим доступа:

http://www. /content/razrabotka-tekhnologii-bakterialnogo-biopreparata-ekologicheskogo-naznacheniya

, 1984. – С. 223. и др. Загрязнение почв и растительности тяжелыми

  металлами. М. 1978. – С. 52.

, , Медведева тесты на основе светящихся бактерий для экологического мониторинга [Электронный ресурс]. - Режим Доступа: http://vestnik. osu. ru/2004_5/18.pdf. Rees J. F., Thompson E. M., Baguet F., Tsuji F. I. Detecion of coelenterazine and related luciferase activity in the tissues of the luminous fish, Vinciguerria attenuate. // Comp. Biochem. Physiol. – 1990. – V.96A. – P. 425-430. Rees J. F., Thompson E. M., Baguet F., Tsuji F. I. Evidence for the utilization of coelenterazine as the luminescent substrate in Argyropelecus photophores. // Mol. Mar. Biol. Biotechnol. – 1992. – V.1. – P. 219-225. Дерябин биолюминесценция: фундаментальные и прикладные аспекты. // М.: Наука. – 2009. – С. 246 , , Нетрусов

действие фенольных экотоксикантов на фотобактерии при различных

значениях pH. // Прикл. Биохим. Микробиол. – 2005. - №6. – С. 640-646.

Belkin Sh. Microbial whole-cell sensing systems of environmental

pollutants. // Current Opinion in Microbiology. – 2003. –V.6(3). – P. 206-212.

Bulich A. A. A practical and reliable method for monitoring the toxicity of

aquatic samples. // Process Biochem. -1982. – V.17. – P.45-47.

Danilov V. S., Ismailov A. D. Bacterial luciferase as a biosensor of

biologically active compounds. // In Applied Biosensors, D. Wise ed., Boston. –1989. – P. 39 -78

Heitzer A., Malachowsky K., Thonnard J. E., Bienkowski P. R., White

D. С., and Sayler G. S. Optical biosensor for environmental on-line monitoring

of naphthalene and salicylate bioavailability with an immobilized bioluminescent catabolic reporter bacterium. // Applied and Environmental Microbiology. – 1994. – V.60(5). – P.1487-1494.