Ученица 11 класса МБОУ «Гимназия №82», обучющаяся
МБОУ ДО «ЭБЦ «ЛидерЭко» городского округа город Уфа
, педагог МБОУ ДО «ЭБЦ «ЛидерЭко» ,
, учитель биологии «Гимназия №82», , тьютор
Влияние солей тяжёлых металлов на размножение
одноклеточной водоросли «Chlorella vulgaris»
Актуальность. К началу нового века биосфера подверглась сильнейшему загрязнению продуктами жизнедеятельности человечества. Источниками загрязнений являются практически все виды деятельности человека — от бытовой до производственной.
Тяжёлые металлы (ТМ) – это металлы с удельным весом более 4,5 г/см, которые в высоких концентрациях могут подавлять рост и размножение микроорганизмов, проявляя статический эффект, либо вызывать их гибель. В малых же концентрациях они необходимы всему живому, так как являются микроэлементами, входящими в состав различных соединений, участвуют в важнейших биологических процессах и таким образом поддерживают гомеостаз организма.
Оценку влияния тяжелых металлов на живые организмы обычно проводят методом биотестирования
Практическая значимость: разработанная методика биотестирования проста в применении, не требует дорогостоящего оборудования и значительных временных затрат. Она может быть использована при анализе почв и природных водоёмов, загрязнённых тяжёлыми металлами. Полученные результаты возможно применить в учебном курсе по экологическому мониторингу окружающей среды.
Цель: изучить токсическое действие солей тяжёлых металлов на тест – объект Chlorella vulgaris.
Задачи:
1. Установить пригодность методики биотестирования для оценки токсичности солей тяжёлых металлов на живые микроорганизмы.
2. Исследовать пригодность Chlorella vulgaris в качестве тест – объекта биотестирования.
3. Апробировать разработанную методику биотестирования для оценки токсического влияния солей меди и железа на размножение Chlorella vulgaris.
4. Изучить, какие концентрации растворов солей вызывают гибель клеток водоросли.
Объект исследования: одноклеточная водоросль Chlorella vulgaris.
Предмет исследования: токсическое действие солей меди и железа разной концентрации на одноклеточные организмы.
Гипотеза: наиболее токсичной концентрацией для Chlorella vulgaris будут концентрации водных растворов солей меди и железа от 5,0 мг/л до 15,0 мг/л, при которых будет происходить гибель клеток водоросли.
При выполнении данной работы по изучению влияния солей тяжелых металлов использовался метод биотестирования.
Биотестирование является не простым дополнением к существующей системе химико-аналитического контроля природных вод, а средством получения принципиально новой информации о составе и свойствах загрязнения, которая не может быть получена другими методами. Под главной задачей, которую решает биотестирование понимается получение быстрого ответа, есть или нет токсичность.
Живой организм может тестироваться в специальных камерах или на стендах, где создаются условия изучаемого загрязнения (что очень важно для выявления реакций организма на то или иное доминирующее загрязнение или целый комплекс известных загрязняющих веществ на данной территории обитания).
Характеристика Chlorella vulgaris как тест – объекта.
Chlorella vulgaris – это одноклеточная водоросль отдела Зеленые водоросли (Chlorophyta), класс Требуксиевые (Trebouxiophyceae).
Chlorella vulgaris используется для обеззараживания и доочистки сточных вод, включая очистку промышленных стоков, содержащих тяжёлые металлы. В результате концентрация загрязняющих веществ уменьшается до 90%, обеззараживание воды на 100% (5).
Характеристика тяжёлых металлов.
Среди многих негативных последствий хозяйственной деятельности человека особое место занимает загрязнение окружающей среды тяжелыми металлами. Многие тяжелые металлы являются чрезвычайно токсичными даже в следовых количествах. Они способны концентрироваться в живых организмах, вызывая при этом различные патологии развития. Наибольшую опасность для человека и живой природы представляют подвижные формы металлов, поскольку они характеризуются высокой биологической активностью. Причем механизм воздействия индивидуален для каждого металла.
Главными источниками соединений железа в поверхностных водах являются процессы химического выветривания горных пород, сопровождающиеся их механическим разрушением и растворением.
Медь - один из важнейших микроэлементов. Физиологическая активность меди связана главным образом с включением ее в состав активных центров окислительно-восстановительных ферментов. Недостаточное содержание меди в почвах отрицательно влияет на синтез белков, жиров и витаминов и способствует бесплодию растительных организмов. Медь участвует в процессе фотосинтеза и влияет на усвоение азота растениями. Вместе с тем, избыточные концентрации меди оказывают неблагоприятное воздействие на растительные и животные организмы.
Методика исследования
В работе применена методика «Оценки качества окружающей среды» , [9].
Для приготовления вытяжки хлореллы необходимо приготовить в плоскодонной колбе 1 л питательной среды Болда. Ее приготовление начинается с подготовки маточных растворов макро - и микроэлементов.
Табл. 1
Растворы макроэлементов (по 400 мл каждый): | Растворы микроэлементов (по 1 л каждый): |
1)NaNO3 – 10 г | ЕДТА – 50,0 г; KOH – 31,0 г |
2)KH2PO4 – 7,0 г | FeSO4 x 7H2O – 4,98 г (999 мл H2O и 1 мл концентрированной H2SO4) |
3)K2HPO4 – 3,0 г | H3BO3 – 11,42 г |
4)MgSO4 x 7H2O – 3,0 г | 4) ZnSO4 x 7H2O – 8,82 г; MnCl2 x 4H2O - 1,44 г; MoO3 – 0,71 г; CuSO4 x 5H2O – 1,57 г; Co(NO3)2 x 6H2O – 0,49 г (999 мл H2O и 1 мл концентрированной H2SO4) |
5)CaCl2 x2H2O – 1,0 г | |
6)NaCl – 1,0 г |
Для приготовления питательной среды к 940 мл дистиллированной воды необходимо добавить по 10 мл каждого из шести растворов макро - и по 1 мл каждого из четырех растворов микроэлементов.
В предварительно остуженную после стерилизации питательную среду добавила 15 мл культуральной жидкости Chlorella vulgaris. Культуру водорослей проращивала в течение 7 дней.
Приготовила растворы солей тяжелых металлов в концентрациях 0,001; 0,01; 0,1; 1,0; 5,0; 10,0; 15,0 мг/л.
В подготовленные пробирки разлила по 5 мл раствора и 1 мл вытяжки хлореллы. Опыт проводила в трех повторностях. В качестве контроля использовала водопроводную воду.
Закрыла пробирки ватно-марлевыми пробками, подписала (соль, концентрация, номер повторности, дата приготовления). Инкубировала в течение 14 дней на свету при комнатной температуре. Во время инкубации необходимо периодически встряхивать пробирки, чтобы не образовался осадок из клеток.
В последний день инкубации были приготовлены временные препараты водорослей из каждой пробирки. Просмотр препаратов осуществлялся с использованием микроскопа. Измерение оптической плотности в контрольном и опытных растворах солей железа и меди.
Оценка токсичности солей тяжелых металлов на рост и развитие Chlorella vulgaris
Высокие концентрации тяжелых металлов оказывают негативное воздействие на клетки водорослей. Они вызывают плазмолиз клеток, деформацию хлоропластов, и, в конечном итоге, гибель клеток.
2.2.1. Влияние сульфата железа
Первые две концентрации (0,001 и 0,01 мг/л) не являлись токсичными и не оказывали негативного влияния на тест-объект. См. рис а), б)
а)0,001 мг/л б) 0,01 мг/л
Сульфат железа начинал оказывать губительное воздействие на хлореллу при концентрации 0,1 мг/л: вызывал плазмолиз, разрушал клеточную оболочка и приводил к гибели организма. См. рис в, г,д, е,
Рис в) 0,1 мг/л г) 1,0 мг/л д) 5,0 мг/л е) 10,0 мг/л
2.2.Влияние сульфата меди
Сульфат меди оказался одним из самых токсичных металлов, использованных в ходе эксперимента. Сульфат меди проявлял ингибирующий эффект уже при концентрации 0,01 мг/л. Начиная с этой концентрации, происходил плазмолиз и наблюдалась гибель клеток. См рис А, Б,В, Г,
А) 0,001 мг/л Б) 0,01 мг/л В) 0,1 мг/л
Г) 1,0 мг/л
Для определения ПДК клеток в каждой пробе была измерена оптическая плотность раствора. Полученные данные были занесены в таблицу 2.
Таблица 2.
Концентрация солей № повторности | Оптическая плотность раствора | ||||||
контроль | 0,001 | 0,01 | 0,1 | 1,0 | 5,0 | 10,0 | 15,0 |
1 | |||||||
2 | |||||||
3 | |||||||
Среднее значение |
На основании микроскопического подсчета живых клеток, нами был подсчитан индекс токсичности фактора (ИТФ) солей тяжелых металлов. Данные представлены в таблице 2. Таблица 2.
Значения ИТФ по проценту живых клеток хлореллы
Концентрация, мг/л | CuSO4 | FeSO4 |
0,001 | 0,76 | 1,11 |
0,01 | 0 | 0,94 |
0,1 | 0 | 0 |
1,0 | 0 | 0 |
5,0 | 0 | 0 |
10,0 | 0 | 0 |
15,0 | 0 | 0 |
Стимуляция | Норма | Низкая токсичность | Средняя токсичность | Высокая токсичность | Сверхвысокая токсичность |
Таким образом, выявлено, что наиболее опасными и токсичными для клеток хлореллы являлись концентрации 0,01-15 мг/л сульфата меди, 0,1-15 мг/л железа.
Результаты исследования
Выводы
1. Разработанная методика биотестирования пригодна для оценки токсичности солей тяжёлых металлов в природных средах (почва, вода).
2. Одноклеточную водоросль Chlorella vulgaris можно использовать в качестве тест – объекта биотестирования.
3. Концентрации водных растворов солей CuSO4 0,01мг/л, 0,1 мг/л, 1,0 мг/л, 5,0 мг/л, 10,0 мг/л, 15,0 мг/л являются токсичными для жизнедеятельности водорослей: подавляют их размножение и вызывают гибель клеток.
4. Концентрации растворов солей FeSO4 0,1 мг/л,1 мг/л, 5,0 мг/л, 10,0 мг/л, 15,0 мг/л являются токсичными, приводят к гибели клеток водоросли хлореллы.
5. При концентрации 0,01 мг/л для солей железа и 0,001 мг/л для солей меди отмечалось незначительное увеличение количества клеток водоросли, что возможно связано с нехваткой данных элементов в среде для жизнедеятельности и роста хлореллы.
6. При сравнении солей меди и железа между собой: наиболее токсичны соли меди, губительно действующие на живые организмы при малой концентрации – от 0,01мг/л.
Гипотеза не подтвердилась. Токсическое влияние растворов солей CuSO4 наблюдается при концентрациях от 0,01мг/л и больше, а растворов солей FeSO4 – от 0,1 мг/л и более.
Список литературы
3. «Экология в школе. Мониторинг природной среды. Методическое пособие», «Творческий Центр», М., 2005.
4. ru. wikipedia. оrg.
5. Мир воды. ru.
6. «Питание и здоровье человека», Омск,1998.
7. yznaika com
8. Загрязняющие вещества 2 класса опасности. Chelpogoda. ru.
9. , «Оценка качества окружающей среды», Уфа,2005.
10.., , «Водоросли – индикаторы в оценке качества окружающей среды, ВНИИприроды, М., 2000.
11. Проблемы современной экологии Том 2 (Сборник материалов), Минобрнауки РФ, БГПУ им. М. Акмуллы, Уфа, 2014.
12. СанПин 2.1.4. 1074 – 01 «Питьевая вода и водоснабжение населенных мест».
13. http://beaplanet. ru/vodorosli/zelenye_vodorosli/hlorella. html
14.file:///C:/Users/%D0%9F%D0%9A/Downloads/biotestirovanie-terminologiya-zadachi-osnovnye-trebovaniya-i-primenenie-v-rybohozyaystvennoy-toksikologii. pdf
15. http://ido. tsu. ru/schools/chem/data/res/ecolexpert/UMP/text/g2_2-3.html
Приложение.
ПДК железа1 день | ||||||||
С водопроводной водой | ||||||||
0,001 | 0,01 | 0,1 | 1 | 5 | 10 | 15 | Контроль | |
1 | 0,02 | 0,02 | 0,094 | 0,152 | 0,273 | 0,326 | 0,363 | 0,011 |
2 | 0,018 | 0,026 | 0,09 | 0,163 | 0,259 | 0,356 | 0,395 | 0,02 |
3 | 0,016 | 0,016 | 0,063 | 0,167 | 0,286 | 0,333 | 0,351 | 0,001 |
ср. знач | 0,018 | 0,021 | 0,082 | 0,161 | 0,273 | 0,338 | 0,370 | 0,011 |
3 день | ||||||||
С водопроводной водой | ||||||||
0,001 | 0,01 | 0,1 | 1 | 5 | 10 | 15 | Контроль | |
1 | 0,014 | 0,017 | 0,151 | 0,228 | 0,311 | 0,384 | 0,49 | 0,016 |
2 | 0,018 | 0,019 | 0,159 | 0,245 | 0,308 | 0,428 | 0,541 | 0,004 |
3 | 0,012 | 0,014 | 0,134 | 0,236 | 0,322 | 0,402 | 0,511 | 0,002 |
ср. знач. | 0,015 | 0,017 | 0,148 | 0,236 | 0,314 | 0,405 | 0,514 | 0,007 |
7 день | ||||||||
С водопроводной водой | ||||||||
0,001 | 0,01 | 0,1 | 1 | 5 | 10 | 15 | Контроль | |
1 | 0,014 | 0,024 | 0,181 | 0,277 | 0,346 | 0,413 | 0,501 | 0,02 |
2 | 0,017 | 0,024 | 0,23 | 0,286 | 0,33 | 0,447 | 0,593 | 0,001 |
3 | 0,017 | 0,022 | 0,163 | 0,283 | 0,344 | 0,452 | 0,572 | 0,02 |
ср. знач. | 0,016 | 0,023 | 0,191 | 0,282 | 0,340 | 0,437 | 0,555 | 0,014 |
14 день | ||||||||
С водопроводной водой | ||||||||
0,001 | 0,01 | 0,1 | 1 | 5 | 10 | 15 | Контроль | |
1 | 0,031 | 0,05 | 0,199 | 0,295 | 0,362 | 0,489 | 0,78 | 0,079 |
2 | 0,039 | 0,055 | 0,234 | 0,31 | 0,351 | 0,583 | 0,701 | 0,015 |
3 | 0,041 | 0,045 | 0,178 | 0,304 | 0,355 | 0,628 | 0,795 | 0,016 |
ср. знач. | 0,037 | 0,050 | 0,204 | 0,303 | 0,356 | 0,567 | 0,759 | 0,037 |
1 день | ||||||||
С водопроводной водой | ||||||||
0,001 | 0,01 | 0,1 | 1 | 5 | 10 | 15 | Контроль | |
1 | 0,005 | 0,005 | 0,01 | 0,023 | 0,072 | 0,147 | 0,206 | 0,011 |
2 | 0,006 | 0,008 | 0,013 | 0,02 | 0,075 | 0,149 | 0,214 | 0,02 |
3 | 0,008 | 0,008 | 0,011 | 0,023 | 0,073 | 0,151 | 0,217 | 0,001 |
ср. знач. | 0,006 | 0,007 | 0,011 | 0,022 | 0,073 | 0,149 | 0,212 | 0,011 |
3 день | ||||||||
С водопроводной водой | ||||||||
0,001 | 0,01 | 0,1 | 1 | 5 | 10 | 15 | Контроль | |
1 | 0,003 | 0,005 | 0,009 | 0,01 | 0,066 | 0,138 | 0,223 | 0,016 |
2 | 0,005 | 0,004 | 0,011 | 0,02 | 0,072 | 0,155 | 0,236 | 0,004 |
3 | 0,003 | 0,006 | 0,022 | 0,023 | 0,074 | 0,158 | 0,232 | 0,002 |
ср. знач. | 0,004 | 0,005 | 0,014 | 0,018 | 0,071 | 0,150 | 0,230 | 0,007 |
7 день | ||||||||
С водопроводной водой | ||||||||
0,001 | 0,01 | 0,1 | 1 | 5 | 10 | 15 | Контроль | |
1 | 0,018 | 0,009 | 0,002 | 0,008 | 0,048 | 0,137 | 0,191 | 0,02 |
2 | 0,01 | 0,007 | 0,007 | 0,002 | 0,066 | 0,125 | 0,202 | 0,001 |
3 | 0,018 | 0,008 | 0,006 | 0,007 | 0,068 | 0,135 | 0,221 | 0,02 |
ср. знач. | 0,015 | 0,008 | 0,005 | 0,006 | 0,061 | 0,132 | 0,205 | 0,014 |
14 день | ||||||||
С водопроводной водой | ||||||||
0,001 | 0,01 | 0,1 | 1 | 5 | 10 | 15 | Контроль | |
1 | 0,006 | 0,012 | 0,015 | 0,013 | 0,079 | 0,159 | 0,242 | 0,079 |
2 | 0,007 | 0,011 | 0,012 | 0,015 | 0,074 | 0,143 | 0,238 | 0,015 |
3 | 0,007 | 0,011 | 0,014 | 0,016 | 0,071 | 0,142 | 0,216 | 0,016 |
ср. знач | 0,007 | 0,011 | 0,014 | 0,015 | 0,075 | 0,148 | 0,232 | 0,037 |
