Клеточный и субклеточный уровни

Биоиндикация на этих уровнях основана на узких пределах протекания биотических и физиологических реакций. Ее достоинства заключаются в высокой чувствительности к нарушениям, позволяющим выявить даже незначительные концентрации поллютантов, и выявить их быстро.

Результаты действия поллютантов следующие:

• нарушение биомембран (особенно их проницаемости);

• изменение концентрации и активности макромолекул (ферменты, белки, аминокислоты, жиры, углеводы, АТФ);

• аккумуляция вредных веществ;

• нарушение физиологических процессов в клетке;

• изменение размеров клеток.

Чтобы разработать тот или иной способ биоиндикации на этом уровне, необходимо выяснить механизмы действия поллютантов.

Влияние поллютантов на биомембраны (на примере клеток растений) [4]

1. Сернистый газ. SO₂ проникает в лист через устьица, попадает в межклеточное пространство, растворяется в воде с образованием SO₃ 2-/HSO₃

- ионов, разрушающих клеточную мембрану. В итоге снижается буферная емкость цитоплазмы клетки, изменяются ее кислотность и редокс-потенциал.

2. Озон и другие окислители, например, пероксиацетилнитрата. Нарушают проницаемость мембран. Этот эффект усугубляется в присутствии ионов тяжелых металлов.

Во всех случаях особенно сильно страдают мембраны хлоропластов – тилакоидные. Их разрушение – основная причина снижения фотосинтеза при воздействии поллютантов. Процесс фотосинтеза как очень чувствительный служит для биоиндикации загрязнения среды. При этом оценивают:

1) интенсивность фотосинтеза,

2) флуоресценцию хлорофилла.

В качестве тест-организма часто используют мох мниум.

Изменение концентрации и активности макромолекул

Ферменты. Действие поллютантов на ферменты нарушает процесс нормального присоединения фермента к субстрату (С-Ф). Это может происходить тремя различными способами:

1) к ферменту вместо субстрата присоединяется поллютант-ингибитор с образованием комплекса Ф-И (отравление СО);

2) поллютант ингибирует фермент, расщепляя его связь с субстратом: С÷Ф;

3) присоединяясь к субстрату вместе с ферментом, поллютант ингибирует его: С-Ф-И.

В итоге нарушаются различные процессы, например:

• ассимиляция углекислого газа в процессе фотосинтеза. SO2 связывается с активным центром ключевого фермента фотосинтеза (рибулозодифосфаткарбоксилазы) вместо СО2 и тормозит фиксацию СО2 в цикле Кальвина. Газообмен СО2 в принципе пригоден для биоиндикации;

• взаимодействие SO2 с HS-группами белков, что ведет к разрушению ферментов (показано для малатдегидрогеназы).

Синтез защитных веществ в клетке. В клетках растений под действием различных нарушений накапливаются определенные защитные вещества. Биоиндикация связана с определением концентрации этих веществ в растениях:

• пролин – аминокислота, считающаяся индикатором стресса. Ее концентрация возрастала в листьях тисса вблизи дорог с интенсивным движением транспорта, в листьях каштана при засолении почвы;

• аланин – аминокислота, накапливалась в клетках водоросли требоуксии, сосны и кукурузы при загрязнении;

• пероксидаза и супероксиддисмутаза. При воздействии стрессоров образуются токсичные перекиси, которые пероксидаза обезвреживает. Например, SO2 вызывает увеличение активности пероксидазы и появление изоферментов

супероксиддисмутазы, что можно выявить с помощью гель-электрофореза.

Пигменты. При загрязнении в клетках растений происходят следующие изменения

пигментов:

• уменьшается содержание хлорофилла. Этапы его разрушения (феофетин, феофорбиды, распад пиррольного кольца);

• понижается отношение хлорофилл а / хлорофилл в. Отмечается, в частности, у ели при хроническом задымлении SО2;

• замедляется флуоресценция хлорофилла.

При биоиндикации все эти изменения фиксируют с помощью приборов: хроматографа, спектрофотометра и флуориметра.

Аденозинтрифосфорная кислота. Содержание АТФ – универсального источника энергии в клетке – важный показатель ее жизнеспособности. Для его количественной оценки предложен показатель «энергетического заряда» (ЭЗ).

ЭЗ = АТФ + 0,5 А,5/ АТФ+ АДФ+АМФ

АДФ и АМФ – менее насыщенные энергией молекулы аденозиндифосфорной и аденозинмонофосфорной кислот. Показано, что с ростом концентрации SO2 в воздухе ЭЗ клеток растений (сосна, водоросль требоуксия) снижается.

Белки. При загрязнении в клетках уменьшается концентрация растворимых белков.

Углеводы. В целях биоиндикации может быть использовано наблюдение о росте содержания глюкозы и фруктозы в листьях гороха при действии газодымных выбросов.

Липиды. Газовые выбросы ведут к уменьшению содержания миристиновой, пальмитиновой и лауриновой кислот и к увеличению линолевой и линоленовой кислот в составе липидов.

Аккумуляция вредных веществ

Хорошим показателем загрязнения среды может служить повышенная концентрация поллютантов в клетках живых организмов. Так, обнаружена корреляция между содержанием свинца в листьях тисса и интенсивностью и движения в городах.

Накопление ртути в перьях птиц позволило с помощью чучел проследить динамику загрязнений ртутью. Обнаружено, что с начала 40-х годов ХХ века содержание ртути в перьях фазана, куропаток, сапсана и других увеличилось в 10–20 раз, по сравнению с 1840–1940 гг.

Изменение размеров клеток

Показано, что при газодымном загрязнении:

• увеличиваются клетки смоляных ходов у хвойных деревьев;

• уменьшаются клетки эпидермиса листьев.

Нарушение физиологических процессов в клетке

Плазмолиз. В клетках растений под действием кислот и SO2 цитоплазма отслаивается от клеточной стенки.