Scientific journal

Modern problems of science and education

ISSN 2070-7428

"Перечень" ВАК

ИФ РИНЦ = 1,006

Высшие водные растения обладают высокой аккумулятивной способностью и используются для определения антропогенных химических нагрузок на водоем в системе биомониторинга состояния окружающей среды [2, 7; 8].

Поскольку под действием антропогенного загрязнения окружающей среды в растениях-биоиндикаторах могут происходить изменения на химическом и анатомическом уровнях, то эффективными методами изучения этих изменений являются Фурье-ИК-спектроскопия, РЭМ и РМА. Точная идентификация типов образуемых соединений в результате накопления растением разных поллютантов позволяет с успехом использовать метод ИК-спектроскопии в биомониторинге кислотного загрязнения [1; 2; 7]. Сочетание РМА и РЭМ позволяет определять элементный состав в объеме ~ 1 мкм³ посредством регистрации рентгеновского излучения. Энергия фотонов, попадающих в детектор, преобразуется в электрический сигнал, который формирует спектр рентгеновского излучения, где каждому химическому элементу соответствует определенный набор пиков, позволяющий идентифицировать элементный состав с проведением количественного анализа [10].

Цель работы - изучение влияния поллютантов на химический состав и анатомическую структуру листа роголистника темно-зеленого методами ИК-спектроскопии, РЭМ и РМА.

Материалы и методы исследования

Объект исследования - Ceratophyllum demersum L. (Роголистник темно-зеленый). Исследуемый вид (гидрофит) встречается в Тверском регионе в стоячих, медленно текущих водах и способен произрастать как в чистых, так и загрязненных местах обитания [7]. Сбор растений и забор воды на химический анализ производился в водоемах на территории Тверской обл., которые делили по фактору близости к источнику загрязнения на две группы - фоновый и загрязненные (табл. 1).

Для последующей интерпретации результатов элементного состава и ИК-спектров образцов растений параллельно был проведен химический анализ воды исследуемых водоемов произрастания C. demersum. Анализ проб воды осуществлялся с помощью спектрофлуориметра «Флюорат-02-панорама» и системы капиллярного электрофореза «Капель-105» фирмы «Люмэкс». Определение неорганических анионов, анионных поверхностно-активных веществ, нефтепродуктов, фенолов в воде проводилось в соответствии с методиками [3-6].

Для записи ИК-спектров исследуемых образцов использовалась методика с KBr [9]. Спектры регистрировали на Фурье-ИК-спектрометре Equinox 55 фирмы Bruker в диапазоне 400-4000 см^-1.

Образцы высушенных растений (30-40 °С), зафиксированных на углеродном скотче, исследовали при увеличении в 500 и 1000 раз в режиме высокого вакуума на растровом электронном микроскопе JEOL 6610LV; РМА проводился с помощью системы микроанализа INCA Energy SEM (OXFORD INSTRUMENTS).

Результаты исследования и их обсуждение

Химический анализ воды в исследуемых водоемах

Результаты химического анализа воды из указанных в табл. 1 водоемов показали наличие в ней поллютантов (табл. 2).

Данные по основным показателям анализа воды (CL^-, NO₂^-, NO₃^-, SO₄^2-, фенолы, АПАВ) в пробах II, III значительно превышают фоновые значения (I).

В пробе воды III содержание примесей фенолов, неорганических анионов в несколько десятков раз выше данных показателей пробы I, что свидетельствует о сбросах химического производства ОАО «Редкинский опытный завод» (табл. 2).

Наличие различных поллютантов в водоемах необходимо учитывать в мониторинге, поскольку водные растения способны накапливать вещества-загрязнители (табл. 2) [1; 2; 7].

ИК-спектральный анализ образцов C. demersum

На рис. 1 представлены ИК-спектры образцов C. demersum из различных водоемов. ИК-спектральный анализ показал, что все исследуемые виды имеют полосы поглощения, соответствующие основному химическому составу растения: углеводам ~56% (от абсолютного сухого веса), белкам ~18%, жирам ~1% [7].

Рис. 1. ИК-спектры образцов C. demersum: I и II (а, б); I и III (в, г).

О присутствии углеводов в растении свидетельствуют полосы поглощения, обусловленные валентным колебанием CH₂ -групп на частоте ~2925 см^-1 и OH-групп на частотах ~3400 см^-1 [2; 9]. О наличии белков свидетельствуют полосы поглощения на частотах ~1640 см^-1 (Амид I), ~1535 (Амид II), ~1235 (Амид III) [2; 9]. О присутствии жиров можно судить по наличию полос поглощения на частотах ~1735 (n_С=О), ~1446 (d_СН2-) (табл. 3) [9].

При сравнении ИК-спектров образцов C. demersum из фонового и загрязненных водоемов отмечено значительное изменение химического состава растений. Причем наиболее существенные изменения в интенсивности полос поглощения обнаружены в образцах, собранных в зоне промышленного загрязнения. В образцах из водоемов, не подверженных прямому загрязнению, интенсивность полос находится на уровне фоновых значений.

Спектры образцов растений из загрязненных местообитаний (рис. 1) демонстрируют существенные изменения на частотах: ~2514 см^-1 (III), обусловленные валентными колебаниями S-H групп; ~1794 см^-1 - валентными колебаниями C=O групп (III); ~876 см^-1 - валентными симметричными колебаниями S-O-C группы (III) и ~712 см^-1 - валентными колебаниями C-S-C групп (III) (табл. 3) [2; 9]. Полоса поглощения ~1431 см^-1, характеризующаяся ν_аs(SО₂), δ(N-H), проявляется во всех спектрах образцов из загрязненных зон, однако наиболее интенсивна в спектре образца III, что связано с высоким содержанием в водной среде серосодержащих анионов, поглощаемых растением (рис. 1), (табл. 3).

Сравнительный анализ C. demersum из разных местообитаний позволяет предположить, что рост интенсивности выше указанных полос поглощения в образцах, взятых из загрязненных водоемов, может быть связан с аккумуляцией и усвоением химических соединений, не свойственных растению, содержащих тиольные, углерод- и азотсодержащие группы [2; 9].

Изучение образцов растений-гидрофитов с помощью РМА и РЭМ

Микрофотографии и рентгеновские спектры образцов растений C. demersum, исследованные методом РЭМ и РМА, представлены на рис. 2.

Рис. 2. Электронные изображения и рентгеновские спектры образцов листьев С. demersum I, II, III.

Как видно из приведенных микроизображений, в образцах растений C. demersum, собранных в загрязнённой зоне, наблюдается деформация и разрушение клеток эпидермиса (образец III), вследствие чего эпидермальный клеточный слой частично теряет свою целостность [10].

В образце II (оз. Удомля) обращает на себя внимание высокая плотность расположенных на эпидермальном слое исследуемого растения-гидрофита диатомовых водорослей (Diatomea sp.). Такое обрастание листьев роголистника водорослями, по-видимому, обусловлено благоприятными для их жизнедеятельности условиями, связанными с повышенным тепловым режимом оз. Удомля Калининской АЭС [1; 10].

Методом РМА определен элементный состав и проведен количественный химический анализ в образцах растений C. demersum (рис. 2). Ниже (табл. 4) приводятся результаты исследований по элементному составу и наличию в тканях C. demersum различных химических элементов из некоторых водоемов Тверской области.

Данные РМА отражают общий химический состав C. demersum [6]. Однако в образцах II и III содержание марганца, железа, серы, хлора выше, чем в фоновом образце, что согласуется с результатами химического анализа воды изучаемых водоемов (табл. 2). Кроме того, в образце II отмечено высокое содержание кремния (рис. 2). Очевидно, источником кремния служит содержащий кремнезем «панцирь» обнаруженных на листьях роголистника диатомовых водорослей [1; 10].

Выводы

С помощью метода Фурье-ИК-спектроскопии удалось доказать способность высших водных растений активно реагировать на изменение химического состава воды ростом интенсивности полос поглощения, связанных с загрязняющими веществами. Материалы исследования позволяют рекомендовать метод Фурье-ИК к использованию в целях эффективного биомониторинга загрязненных водных объектов. При использовании метода РЭМ в биомониторинге на примере C. demersum растений отмечены анатомические изменения в листовых пластинках, наблюдаются деформация и разрушение клеток эпидермиса, что свидетельствует о высокой аккумулятивной и адаптационной способности водных растений. Методом РМА определен элементный состав изучаемых растений, в образцах из мест с антропогенным загрязнением обнаружены тяжелые металлы.

Используемые в работе физические методы анализа могут быть эффективно использованы в биомониторинге окружающей среды.

Авторы выражают благодарность Центру коллективного пользования Тверского государственного университета за помощь в проведении экспериментальных исследований, связанных с растровой электронной микроскопией. Работа выполнена в рамках ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы, ГК № 14.740.11.1281 и при поддержке гранта Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере по программе «Участник Молодежного Научно-инновационного Конкурса» («У.М.Н.И.К.»), ГК № 8754р /14008.

Рецензенты:

• Миняев В.И., профессор, д.б.н., зав. кафедрой анатомии и физиологии человека и животных ФГБОУ ВПО «Тверской государственный университет», г. Тверь.
• Зиновьев А.В., профессор, д.б.н., профессор кафедры зоологии ФГБОУ ВПО «Тверской государственный университет», г. Тверь.