scenedesmus quadricauda что это
Сценедесмус
Сценедесмус
Scenedesmus quadricauda вид зеленых водорослей из рода Scenedesmus. Ведут колониальный и неподвижный образ жизни.
Scenedesmus является одним из наиболее распространенных пресноводных родов. Однако, чрезвычайное разнообразные морфологии, найденное среди видов, осложняет выявление и понимание механизмов их формирования. В настоящее время существует 74 таксономически принятых видов Scenedesmus. Кроме того, несколько подродов были определены, но различаются в зависимости от источника. Принято различать Acutodesmus, Desmodesmus и Scenedesmus как три основных категории. Acutodesmus характеризуется наличием острых полюсов клеток, в то время как Desmodesmus и Scenedesmus имеют тупые (усеченные) полюса клетки, и в свою очередь различаются по наличию или отсутствию шипов соответственно. Ископаемые представители рода Scenedesmus жили на Земле от 70 до 100 миллионов лет назад наряду с Desmodesmus, предположительно самой молодой из этих трех групп.
В то время как большинство видов распространены по всему миру, некоторые виды существуют только в конкретных местах обитания, например S. Intermedius и S.serratus, которые встречаются только в Новой Зеландии.
Формирование колоний и их распад на одиночные клетки зависит от ряда факторов. Высокая доля одноклеточных организмов обнаруживается при высоком уровне освещенности и высокой температуре. Это позволяет предположить, что при более высоких темпах роста эти организмы предпочитают не образовывать колонии. Колонии из 8 клеток не были обнаружены в культурах с темпом роста ниже 0,6 в день, но были распространены при более медленных темпах роста 0,9-1,0 в день. Процесс успешного роста и деления водорослей зависит от баланса между поддержанием плавучести в эвфотической зоне (которая содержит идеальный свет и питательные условия) и избеганием зон повышенной активности хищников. Большие колонии имеют меньшее отношение поверхности к объему, которое ограничивает поглощение питательных веществ и света, кроме того колонии большой массы тонут. Тем не менее, в присутствии травоядных, таких как дафнии, которые угрожают уничтожить одноклеточные водоросли, большие колонии обеспечивают значительную безопасность. Эта угроза может быть настолько значительным фактором, что клетки будут сливаться в 8-элементные «coenobia» (общежития) даже в строго ограниченных условиях роста.
Scenedesmus quadricauda что это
The impact of population size of the test object Scenedesmus quadricauda (Turpin) Bréb. on the results of bioassay
Московский Государственный Университет имени М. В. Ломоносова,
биологический факультет
Исследовано влияние начальной плотности популяции зеленой микроводоросли Scenedesmus quadricauda (Turpin) Bréb. на результаты оценки токсичности тяжелого металла хрома и антибиотика стрептомицина. Увеличение исходной плотности культуры в 2–2,5 раза приводит к снижению токсичности на 20–25%. Начальная плотность популяции клеток микроводорослей при биотестировании не должна превышать 10 5 кл/мл, поскольку использование культур микроводорослей с плотностью более 10 5 кл/мл может приводить к потенциальной недооценке токсичности веществ.
Ключевые слова : начальная плотность популяции; микроводоросли; биотестирование; токсические вещества.
Биотестирование с использованием культур микроводорослей, основанное на диагностировании ингибирования их роста, традиционно используется для оценки опасности загрязнения водных экосистем. В стандартных краткосрочных водорослевых тестах определяют уменьшение темпа роста популяции или ее конечной численности (биомассы) после 72–96 часов экспозиции. Конечная численность клеток водорослей в таком эксперименте является основой для проведения хронического теста (длительностью 2–4 недели). В токсикологической литературе имеется много данных о влиянии условий культивирования, продолжительности биотеста и состава питательных сред на чувствительность лабораторных испытаний. Однако влияние начальной плотности популяции микроводорослей на проявление токсического эффекта изучено недостаточно. В лабораторном биотестировании с использованием микроводорослей в качестве стартовых часто используются необоснованно высокие клеточные плотности, по сравнению с плотностью популяций в естественных условиях, что может оказаться особенно важным в испытаниях с высокотоксичными веществами при их малых концентрациях. Кроме того, высокая клеточная плотность и увеличение длительности теста могут приводить к химическим превращениям токсиканта в среде, изменениям его биодоступности и токсичности в процессе биотестирования.
До недавнего времени сведения о влиянии плотности популяции на различные общебиологические и физиологические показатели водорослей были случайными. Имеются данные об обратной зависимости фотосинтеза водорослей при световом насыщении, а также скорости деления клеток и содержания фосфора в клетке от плотности популяции (Бурлакова и др., 1979). Для макрофитов было показано, что скорость роста и способность к накоплению металлов у высшего водного растения ряски Lemna gibba значительно менялась при изменении плотности популяции (Demirezen et al., 2007). При этом при высокой плотности популяции наблюдалось уменьшение накопления никеля ряской в расчете на одно растение. В литературе уделено мало внимания влиянию плотности популяции на накопление токсических веществ клетками водорослей (Franklin et al., 2002).
Тяжелые металлы токсичны для гидробионтов и человека и способны накапливаться в живых организмах выше допустимых уровней. Некоторые из них являются необходимыми в качестве микроэлементов, однако в высоких концентрациях проявляют токсические свойства. Они вызывают ингибирование роста растений, изменение большинства физиологических процессов на всех уровнях метаболизма и подавляют темп клеточного деления. Антибиотики, также как и тяжелые металлы, встречаются в окружающей среде во многих водоемах мира в связи с интенсивным развитием фармацевтической промышленности и широким их применением в медицине, ветеринарии, животноводстве и рыбоводстве. Стрептомицин, образуемый актиномицетами рода Actinomyces (Streptomyces), является антибиотиком широкого спектра антибактериального действия. В соответствии с современными представлениями антимикробная активность стрептомицина связана с подавлением синтеза белка, однако первичный механизм его действия окончательно не установлен.
В связи с этим целью настоящего исследования послужило изучение влияния начальной численности популяции клеток зеленой микроводоросли Scenedesmus quadricauda (Turpin) Bréb. на результаты оценки токсичности тяжелого металла хрома и антибиотика стрептомицина.
Материалы и методы
Культуру водоросли Scenedesmus quadricauda (Turpin) Bréb. (=Desmodesmus communis (E.Hegewald) (штамм S-3, DMMSU) выращивали на среде Успенского №1 (Успенская, 1966) в люминостате при освещенности 3 клюкс со сменой дня и ночи (12:12 ч) и температуре 22–25 C°. Для опытов использовали 7-суточную культуру в логарифмической фазе роста. В качестве токсиканта использовали бихромат калия в концентрациях 1 и 3 мг/л (в пересчете на хром) и антибиотик стрептомицина сульфат в концентрации 1 мг/л, которые однократно вносили в культуральную среду в день постановки эксперимента. Далее в тексте для краткости бихромат калия будем называть просто хромом. Показателем токсического действия токсиканта служило изменение общей численности клеток водоросли, которая учитывалась с помощью камеры Горяева, по сравнению с контролем. Мы провели 3 серии экспериментов. В первой серии опытов оценивали токсический эффект 1 мг/л хрома на популяции клеток водоросли с исходной плотностью 100, 200 и 400 тыс. кл/мл. Во второй – хром в концентрации 3 мг/л вносили в культуры с исходной численностью 100 тыс. и 1,5 млн. кл/мл. В третьей – отдельно хром и стрептомицин в концентрации 1 мг/л добавляли в культуры с исходными плотностями 200 тыс., 500 тыс., 1 млн. и 2 млн. кл/мл. Опыты проводили в трех повторностях длительностью 21–45 суток. Токсический эффект оценивали с помощью расчета достоверности отличий опытных значений от контрольных по t-критерию.
Результаты и обсуждение
По результатам хронических 21-суточных экспериментов с антибиотиком было обнаружено, что самая высокая его токсичность наблюдалась при начальных плотностях 200 и 500 тыс. кл/мл (рис. 1), причем ингибирование роста численности (т.е. интенсивность токсического эффекта) оказалось сходным и составило 68 и 66% от контроля соответственно. С увеличением плотности популяции до 1 млн. кл/мл токсичность антибиотика снижалась, а при начальной плотности 2 млн кл/мл отмечали лишь кратковременный токсический эффект на 4 сутки опыта, но в дальнейшем токсичность практически не проявлялась, поскольку рост водоросли был на уровне чистого контроля. Таким образом, токсичность 1 мг/л антибиотика уменьшалась с увеличением начальной плотности клеток от 500 тыс. до 2 млн. кл/мл.
В опыте с хромом в концентрации 1 мг/л зависимость токсического эффекта от начальной плотности популяции оказалась выражена сильнее. При исходных плотностях 200 тыс., 500 тыс. и 1 млн. кл/мл наблюдалось ингибирование роста численности популяции, причем степень ингибирования роста находилась в обратной зависимости от величины начальной плотности популяции (рис. 2). Так, к концу 21-суточного эксперимента численность популяции с исходной плотностью 200 тыс. кл/мл, росшей в присутствии хрома, составила 9,5% от уровня контрольной, в то время как популяции с исходными плотностями 500 тыс. и 1 млн. кл/мл достигли численностей 44 и 74% от контроля соответственно. Таким образом, каждое увеличение плотности культуры в 2–2,5 раза приводило к снижению токсичности на 20–25%. Отметим, что как и в эксперименте с антибиотиком, при максимальной в данной серии опытов начальной плотности популяции 2 млн. кл/мл токсический эффект также практически не наблюдался, а к концу эксперимента численность клеток водоросли достигла уровня контрольной культуры без добавления токсиканта.
Рис. 1. Изменение относительной численности клеток Scenedesmus quadricauda в присутствии 1 мг/л стрептомицина при разной исходной плотности популяции.
Fig. 1. Change in the relative number of Scenedesmus quadricauda cells in the presence of 1 mg/l of streptomycin at various initial population densities.
Сопоставляя полученные нами данные о действии хрома и стрептомицина на культуру S. quadricauda при варьировании ее исходной плотности от 200 тыс. до 2 млн. кл/мл, можно увидеть, что для хрома влияние этого фактора на токсичность (т.е. уменьшение токсического эффекта с ростом начальной плотности культуры) проявлялось, начиная с плотности 500 тыс. кл/мл, а при меньших плотностях (200 и 400 тыс. кл/мл) токсический эффект оказывался сходным. Для антибиотика же уменьшение токсического эффекта наблюдалось при увеличении исходной плотности популяции от 500 тыс. до 1 млн. кл/мл. Такая разница в ответе водоросли на токсическое действие хрома и стрептомицина вероятнее всего связана с разной природой токсикантов и, в частности, с антибактериальными свойствами стрептомицина, учитывая то, что мы использовали альгологически чистую, а не бактериально чистую культуру водоросли.
Рис. 2. Изменение относительной численности клеток Scenedesmus quadricauda в присутствии 1 мг/л хрома при разной исходной плотности популяции.
Полученные нами данные о действии хрома на культуры водоросли с разной исходной плотностью хорошо согласуются с результатами работ других авторов. Изучение влияния различной исходной плотности клеток для двух видов водорослей на токсичность меди (Franklin et al., 2002) показало, что ее токсичность уменьшалась с увеличением плотности популяций. Данные по внеклеточному (на поверхности клеток) и внутриклеточному содержанию меди подтверждают, что при более высокой начальной плотности клетками связывается меди меньше, что приводит к ее меньшему поглощению внутрь клеток и более низкой токсичности. Сходный эффект был получен и другими авторами (Sunda, Huntsman,1998; Vasseur et al., 1988). Чем больше меди связывалось клеточной поверхностью, тем больше было поглощение меди внутрь клеток через клеточную мембрану и тем более сильный эффект был выражен на процессы деления клеток.
Для оказания воздействия на клетку металл должен связаться с рецептором на клеточной поверхности, после чего транспортироваться через клеточную мембрану и поступить в цитоплазму (Franklin et al., 2002). Первоначальная токсическая нагрузка определяется адсорбцией металлов клетками, зависящей от площади клеточной поверхности и количества связывающих сайтов. Более высокая плотность клеток водорослей при биотестировании создает большую площадь поверхности с большим числом связывающих сайтов, но в расчете на одну клетку при этом приходится меньшее количество металла, что и определяет уменьшение его токсичности.
С увеличением числа клеток водорослей повышается продукция их экзометаболитов (например, гликолевой кислоты и полисахаридов), образующих комплексы с токсикантами, в частности, с металлами (Sunda, Huntsman,1998), что приводит к уменьшению биодоступности веществ в растворе, а, следовательно, к уменьшению их токсичности. Развитие водорослей и высокие плотности их популяций могут вызывать изменения рН и последующие химические изменения тестовых веществ (Vasseur et al., 1988). Увеличение рН также может играть роль в понижении токсичности металлов при массовом развитии водорослей путем образования нерастворимых форм металлов. Так, было показано, что повышение рН тестируемой среды, содержащей высокую численность клеток, было вероятным механизмом, ответственным за понижение токсичности Cu, Cd и Zn для Selenastrum capricornutum с увеличением инокулята от 10 4 до 10 6 кл/мл (Vasseur et al., 1988).
В настоящей работе мы изучали действие бихромата калия, а не иона хрома, на культуру водоросли, тем не менее, токсичность бихромата определяется присутствием в нем именно хрома. Мы не исследовали химические превращения хрома в растворе и его концентрацию внутри клеток и на их поверхности, но можем предположить, что после различных физико-химических превращений и адсорбции токсиканта на поверхности клеток хром может проникать в клетку в виде металл-иона.
Выбор оптимальной начальной клеточной плотности культур водорослей имеет большое значение при проведении токсикологических лабораторных испытаний, поскольку от этого параметра непосредственно зависит получаемая экспериментальным или расчетным путем величина полуэффективной концентрации (ЭК50) веществ, а также другие важные параметры токсичности. При более высокой плотности клеток водорослей при проведении процедуры биотестирования в расчете на одну клетку приходится меньшее количество токсиканта.
Наши результаты показали, что токсичность хрома в концентрации 1 мг/л не зависела от начальной плотности клеток водоросли в диапазоне 100–400 тыс. кл/мл, но, в то же время, токсический эффект уже различался при исходной плотности 200 и 500 тыс. кл/мл. С увеличением же начальной клеточной плотности более 500 тыс. кл/мл токсичность как 1 мг/л хрома, так и 1 мг/л стрептомицина уменьшалась существенно. Поэтому биотестирование с использованием культур микроводорослей с начальной плотностью более 10 5 кл/мл может потенциально недооценивать токсичность веществ.
Рекомендуется, чтобы начальная плотность популяции клеток водорослей при биотестировании не превышала 10 5 кл/мл. Однако в природных условиях численность микроводорослей в большинстве случаев ниже 10 5 кл/мл. Учитывая также, что токсичность испытуемых веществ может уменьшаться в результате различных превращений их в растворе, вызванных присутствием в среде метаболитов или увеличением рН, биотестирование следует проводить еще с более низкой начальной численностью клеток популяций микроводорослей, порядка 10 2 –10 4 кл/мл.
Большинство методик биотестирования рекомендуют начальные плотности популяции 10 4 –10 6 кл/мл. Считается, что это компромисс между максимальной чувствительностью испытания и достаточным количеством клеток для определения изменения численности в течение срока биотестирования. Однако численность 10 5 –10 6 кл/мл намного выше, чем бывает даже при условии цветения. В последнее время в экотоксикологии начинают применять более современный проточный счет клеток, что делает возможным регистрацию единичных клеток и проведение биотестирования при малой плотности клеток водорослей 10 2 –10 3 кл/мл, которая является наиболее обычной в природных водных системах. Использование сходных с природным уровнем клеточных плотностей в биотестировании поможет уменьшить химические изменения и превращения исследуемых веществ, связанные с их взаимодействием с клетками так, чтобы токсичность, определяемая в биотестировании с применением культур водорослей и цианобактерий, более близко оценивала биодоступность и токсичность веществ в природной среде.
Работа выполнена в рамках гостемы «Исследование эффекта потенциально токсичных веществ на водные организмы и сообщества с целью защиты водных экосистем».
1. Бурлакова З.П., Крупаткина Д.К., Ланская Л.А., Яфарова Д.Л. Влияние плотности популяции морских одноклеточных водорослей на потребление фосфора и основные физиологические показатели клеток // Взаимодействие между водой и живым веществом: Тр. Междунар. симпоз. (Одесса, 6-10 окт. 1975 г.). – М.: Наука, 1979. – Т. 1. – С. 231 – 235.
2. Успенская В.И. Экология и физиология питания пресноводных водорослей. – М.: Изд-во МГУ, 1966. – 124 с.
3. Demirezen D., Aksoy A., Uruc K. Effect of population density on growth, biomass and nickel accumulation capacity of Lemna gibba (Lemnaceae) // Chemosphere. 2007. V.66. P. 553–557.
4. Franklin N.M., Stauber J.L., Apte S.C., Lim R.P. Effect of initial density on the bioavailability and toxicity of copper in microalgal bioassays // Environ. Toxicol. Chem. 2000. V.21. P. 742–751.
5. Sunda W.G., Huntsman S.A. Processes regulating cellular metal accumulation and physiological effects: Phytoplankton as model system // Sci. Total Environ. 1998. V.219. P. 165–181.
6. Vasseur P., Pandard P., Burnel D. Influence of some experimental factors on metal toxicity to Selenastrum capricornutum // Toxic Assess. 1988. V.3. P. 331–343.
Статья поступила в редакцию 18.12.2016
The impact of population size of the test object Scenedesmus quadricauda (Turpin) Bréb.
on the results of bioassay
Valentina I. Ipatova
The effect of initial population density of green microalga Scenedesmus quadricauda (Turpin) Bréb. on the toxicity estimation of the heavy metal chromium and the antibiotic streptomycin was studied. The increase of the initial density of the culture by a factor of 2–2.5 leads to a reduction in toxicity in 20–25%. Initial microalgal cell population density in bioassay should not exceed 10 5 cells/ml, since the use of cultures of microalgae with a density of more than 10 5 cells/ml can lead to an underestimation of the potential toxicity of the substances.
Keywords : initial population density; microalgae; bioassay; toxic substances.
Об авторе
кандидат биологических наук
доцент, старший научный сотрудник ФГБОУ ВПО «Московский государственный университет им.М.В.Ломоносова», Москва, Россия (Lomonosov Moscow State University, Moscow, Russia), Биологический ф-т, каф. гидробиологии
Корреспондентский адрес: Россия, 119991, Москва, Ленинские горы, Московский Государственный Университет им.М.В.Ломоносова, д. 1, стр. 12, Биологический ф-т, каф. гидробиологии ; тел.: (495) 939-27-73
ССЫЛКА НА СТАТЬЮ:
Ипатова В.И. Влияние размера популяции тест-объекта Scenedesmus quadricauda (Turpin) Bréb. на результаты биотестирования // Вопросы современной альгологии. 2017. № 1 (13). http://algology.ru/1153
При перепечатке ссылка на сайт обязательна
Тест-объекты, используемые для биотестирования
Используя их тест-функции, проводится биотестирование. Что же такое тест-функция? Жизненная функция или критерий токсичности, используемые в биотестировании для характеристики отклика тест-объекта на повреждающее действие среды.
Тест-функции, используемые в качестве показателей биотестирования для различных объектов
для культур одноклеточных водорослей и инфузорий
Немного становимся на описании каждого.
Artemia
Кто же это такие? Планктонные организмы, населяющие морские мелководья и солёные озёра. Питаются фитопланктоном, фильтруя воду с помощью грудных конечностей. Наиболее известный вид — Artemia salina.
Артемии встречаются практически на всех континентах. Обитают в солёных озёрах при уровне солёности от 25 ‰ до 250 ‰ (25–250 г/л). Подобные концентрации смертельны для большинства живых организмов, но в процессе эволюции эти рачки сумели адаптироваться к этим суровым условиям, тем самым заняв экологическую нишу, в которой отсутствуют хищники, а они являются высшей формой жизни. Замершая эмбриональная стадия развития артемий, вызванная агрессивной внешней средой. Эмбрионы могут находиться в состоянии покоя на протяжении нескольких десятилетий, пока не окажутся в благоприятных для себя условиях. Именно спящие цисты широко используются в коммерческих целях.
Цисты имеют крошечные размеры, всего 0,2–0,25 мм в диаметре. Внешняя оболочка надёжно защищает как от сильных морозов, так и от летнего зноя. Кроме того, она обладает особой структурой поверхности, позволяющей цепляться, например, за перья перелётных птиц, и тем самым артемии мигрируют на дальние расстояния. В ювенальной стадии развития артемии внешне выглядят как миниатюрные копии взрослых. Грудные ноги-вёсла становятся полностью функциональны и начинают выполнять функции передвижения, кормления и дыхания. Усики-антенны уменьшаются и теряют своё первоначальное значение. По мере взросления начинают проявляться половые различия. У самок появляется припухлость в нижней части тела — формируется яичный мешок, у самцов начинают расти вторые усики на голове, которые прекратятся в клещи, с помощью которых они будут удерживать самок во время спаривания.
Биотесты на артемии стандартизированы в ряде стран, в том числе и в России. Их применяют для оценки токсичности поверхностных, подземных и сточных вод, водных вытяжек почв, донных отложений и отходов.
Daphnia
За своеобразные резкие движения её часто называют «водяной блохой». Быть может, неуловимость быстро скачущих рачков и напомнила ученым легенду о почти настигнутой Аполлоном, но так и не пойманной им нимфе Дафне? А может быть, усы рачков показались кому-то похожими на ветви вечнозеленого лавра, в который превратилась прекрасная нимфа. Род Daphnia имеет очень широкое распространение, включая Антарктиду. Наименьшее число видов характерно для экваториальных районов, где дафнии редки. Наиболее разнообразна фауна субтропиков и умеренных широт. В последние десятилетия ареалы многих видов изменились из-за их расселения человеком. В прудах и лужах средней полосы России часто встречаются рачки рода Дафния магна (D. magna), самка — до 6 мм, самец — до 2 мм, новорожденные — 0,7 мм. Созревают в течение 10—14 суток. Пометы через 12—14 суток. В кладке до 80 яиц, но обычно 20—30. Продолжительность жизни этого рачка до 3-х месяцев. Большую часть времени проводят в толще воды, передвигаясь резкими скачками за счет взмахов вторых антенн, которые покрыты специальными оперенными щетинками.
Представители низших ракообразных Daphnia magna Straus используются как тест-организм в токсикологических исследованиях уже свыше 65 лет. Пресноводные рачки Daphnia magna Straus в настоящие время считаются наиболее чувствительными и универсальными тест-объектами, поэтому применяются при биотестировании сточных и природных вод, донных осадков, почв и промышленных отходов. С помощью дафний определяют как острую, так и хроническую токсичность контролируемых объектов.
Scenedesmus quadricauda
Род зелёных водорослей из класса протококковых. Образует ценобии (колонии) из 4—16 продолговатых клеток, соединённых боковыми стенками. Поверхность клеток гладкая или с различными выростами, крайние клетки нередко с шипами. Размножается сценедесмус автоспорами, образующимися в каждой клетке по 4, 8 или 16 и там же соединяющимися в новый ценобий. Обитают в пресных водах. Самый многочисленный род среди хлорококковых водорослей. В мировой флоре около 200 видов и более 1000 разновидностей и форм.
Использование в качестве тест-объектов в токсикологических экспериментах Scenedesmus quadricauda неслучайно и обусловлено тем, что эти водоросли встречаются в значительном количестве в естественных водоемах, мезофильны, и не требуют специальных условий для ведения альгологически чистых культур, хотя, в зависимости от конкретных задач исследования, можно использовать и другие массовые формы водорослей, встречающихся в водоемах и вызывающих цветение воды.
Известны десятки методик, оценивающих токсическое действие тестируемой среды по ответным реакциям этих тест-организмов. Чаще всего используют биотестирование на 2-х объектах (культурах). В настоящее время востребованы методики биотестирования, направленные на оценку сублетальных эффектов, что позволяет выявлять действие низких доз загрязняющих веществ.