Экология и географическое распространение почвенной водоросли klebsormidium flaccidum (kutz) silva et all (chlorophyta)
На правах рукописи
ПУРИНА ЕЛЕНА СЕРГЕЕВНА ЭКОЛОГИЯ И ГЕОГРАФИЧЕСКОЕ РАСПРОСТРАНЕНИЕ ПОЧВЕННОЙ ВОДОРОСЛИ KLEBSORMIDIUM FLACCIDUM (KUTZ) SILVA ET ALL (CHLOROPHYTA) Специальность 03.00.16 – экология 03.02.01 - ботаника
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук
Уфа 2009 2
Работа выполнена на кафедре ботаники, биоэкологии и ландшафтного проектирования ГОУ ВПО «Башкирский государственный педагогический университет им. М. Акмуллы»
Научный консультант: доктор биологических наук, профессор Кабиров Рустэм Расшатович
Официальные оппоненты: доктор биологических наук, профессор Хазиев Фангат Хамматович доктор биологических наук, профессор Кузяхметов Григорий Гильмиярович
Ведущая организация: Вятская государственная сельскохозяйственная академия
Защита диссертации состоится «30» октября 2009 г. в 14-00 часов на заседании Объединённого диссертационного совета ДМ 002.136.01 при Институте биологии Уфим ского научного центра РАН по адресу: 450054, г. Уфа, Проспект Октября, 69. Тел. /факс (3472) 35-53-62. E-mail: [email protected]
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института биологии научного центра РАН Текст автореферата размещён на сайте ИБ УНЦ РАН http://www.anrb.ru/inbio/dissovet/index.htm « » 2009 г.
Автореферат разослан « » 2009 г.
Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат биологических наук Р.В. Уразгильдин
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность исследования. Почвенные водоросли являются обязательным ком понентом любой наземной экосистемы. Развиваясь на поверхности и в толще почвенного слоя, они оказывают влияние на ее физико-химические свойства (изменяют рН, усилива ют аэрацию, препятствуют эрозии и т.д.), активно участвуют в жизнедеятельности любой экосистемы, хотя их размеры могут быть очень небольшими по сравнению с интенсивной активностью, которую они проявляют [Кабиров, 1991;
Рыжов, Ягодин, 2000]. Как авто трофные организмы, водоросли синтезируют дополнительные количества органического вещества, участвующего во многих почвенно-биологических процессах. Водоросли, явля ясь постоянным компонентом почвенного микронаселения, играют существенную роль в процессах самоочищения почвы и могут использоваться в качестве биоиндикаторов ее со стояния [Кабиров, 1986].
Вид Klebsormidium flaccidum (Kutz) Silva et all – зеленая нитчатая водоросль, типич ный представитель почвенной альгофлоры. Легко идентифицируется, часто встречается в альгосинузиях пахотных почв и обычно составляет основу доминирующего комплекса [Кабиров, 1983;
Кабиров, Любина, 1988]. Встречается не только на территории России, но и по всему земному шару. Хотя и просматривается широкое распространение вида, однако биологические и экологические особенности изучены еще не до конца и требуют даль нейшего изучения.
Цель и задачи исследования. Целью исследований явилось изучение экологии, географического распространения и морфометрических характеристик природных попу ляций зеленой нитчатой водоросли Klebsormidium flaccidum (Kutz) Silva et all и оценка ее устойчивости к естественным и антропогенным экологическим факторам.
В соответствии с целью исследования были поставлены следующие задачи:
1. Исследовать вариабельность морфометрических признаков популяций K. flac cidum при лабораторном культивировании.
2. Рассмотреть географическое распространение почвенной водоросли K.flaccidum.
3. Определить характер воздействия абиотических и антропогенных факторов на морфологические признаки K.flaccidum.
4. Установить границы устойчивости K. flaccidum к экологическим факторам.
Научная новизна. Впервые проведено исследование влияния широкого спектра экологи ческих факторов на морфологию и биологию K. flaccidum. Установлены границы устой чивости к абиотическим и антропогенным факторам. Выявлены интервалы напряженно сти исследованных факторов, при которых K.flaccidum сохраняет свой морфологический статус.
Практическая значимость работы. Полученные данные дополняют знания по биологии и экологии вида K.flaccidum. Сведения о границах устойчивости к экстремаль ным экологическим факторам природного и антропогенного происхождения позволят ис пользовать полученные данные при чтении лекционных курсов «Систематика низших растений», «Экология растений».
Апробация. Материалы исследований докладывались на Всероссийской научно практической конференции «Совершенствование преподавания биологии и химии в ВУЗе и школе» (Бирск, 2003), VIII Всероссийской научно-практической конференции студен тов, соискателей, молодых ученых и специалистов «Наука и молодежь» (Н.Новгород, 2007), Всероссийской научно-практической конференции «Общие проблемы мониторинга природных экосистем» (Пенза, 2007), XXIV Всероссийском научно - практическом меж дисциплинарном семинаре «Проблемы радиоэкологии и пограничных дисциплин» (Бирск, 2007), II Всероссийской научно-практической конференции «Растительные ресурсы: опыт, проблемы и перспективы» (Бирск, 2009).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 13 работ, из которых 2 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК Министерства образования и науки РФ.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, выводов, списка литературы (155 наименований, в том числе 131 на русском, 24 на иностранных языках) и приложения. Общий объём работы составил 140 страниц, в том числе страницы основного текста, 24 таблицы, 53 рисунка.
ГЛАВА I. ЭКОЛОГИЯ И ГЕОГРАФИЧЕСКОЕ РАСПРОСТРАНЕНИЕ ВИДА KLEBSORMIDIUM FLACCIDUM (ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ) В главе обсуждается роль водорослей в биосфере, влияние водорослей на другие компоненты почвенной и водной экосистем, возможность использования водорослей в качестве индикаторов окружающей среды. Рассматривается общая характеристика отдела Chlorophyta, обсуждаются вопросы анатомического, морфологического строения вида K.flaccidum, история изучения вида, географическое распространение на территории Рос сии и бывшего СССР и связь зеленых водорослей с высшими растениями. Рассматривает ся диагноз вида K.flaccidum, приводятся данные его таксономии. В связи с тем, что до конца таксономический статус не установлен и постоянно ведется его рассмотрение, мы будем придерживаться общепринятой номенклатурой и классификацией зеленых водо рослей по И.Ю. Костикову [Костiков др., 2006], Стюарту и К.Мэттоксу [Stewart, Mattox, 1975], согласно которой отдел Chlorophyta делится на два класса. Класс Charophyсеае с порядками Klebsormidiales, Zygnematales, Coleochaetales, Charales и класс Chlorophyсеае с порядками Volvocales Chloroсoccales, Microsporales, Ulvales, Chaetophorales, Oedogoniales.
ГЛАВА II. МАТЕРИАЛ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ Объект исследований – K.flaccidum, выделен с пробы почвы Зианчуринского рай она в 2 км от д. Биктау и переведён в музейную культуру. Культуру выращивали на кося ках и чашках Петри с использованием жидкой и агаризованной питательной среды Бри столь и Болда в модификации Голлербаха [Голлербах, Штина, 1969;
Штина, Голлербах, 1976].
Изучали влияние каждого фактора на размерные признаки водоросли (длину нитей, длину и ширину клеток) и описывали морфологические нарушения. Во всех опытах опи сывали по 100 нитей и клеток. Использовали культуру двухнедельного возраста, находя щуюся в стационарной фазе роста.
Измерения проводили методом прямого микроскопирования с помощью светового микроскопа серии Ломо Микмед-1 (объектив 40, апертура 0,65) при помощи окуляр микрометра 510. Микрофотографии выполнялись с использованием фотоаппарата Canon А95 с фотонасадкой при увеличении 40 (апертура 0,65).
При статистической обработке результатов исследований использовали среднюю арифметическую ошибку, медиану, стандартное отклонение и значение коэффициента ва риации [Лакин, 1990]. Коэффициент вариации рассчитывали по формуле:
cv = Sx / X х 100%, где cv -коэффициент вариации, Sx - стандартное отклонение, X средняя арифметическая.
Для оценки уровня изменчивости на основании коэффициента вариации использо вали шкалу А. С. Мамаева (1968), согласно которой выделяли 3 уровня изменчивости, от ражающей разнообразие растительных организмов:
1) пониженный - коэффициент вариации (cv) 15 %;
2) средний (cv =15-25 %);
3) повышенный (cv 25 %).
Достоверность результатов исследований определяли с помощью критерия Стью дента [Урбах, 1963;
Лакин, 1990]. При обработке результатов использовали компьютер ную программу Statistika (STA_BAS.EXE).
Кроме морфометрического исследования использовали показатель индекса инте гральной токсичности (ИИТ), который показывает степень токсичности или стимули рующее действие исследуемого фактора.
Для численного обозначения степени нарушенности протопласта при влиянии по ложительных температур и реакции среды использовали коэффициент показателя состоя ния клеток (ПС) [Павлов, 1995].
ГЛАВА III. ХАРАКТЕРИСТИКА ЛАБОРАТОРНЫХ ПОПУЛЯЦИЙ K.FLACCIDUM В данной главе дается описание популяций выделенных из природных местооби таний и переведенных в культуру. Всего было выделено нами в культуру 7 популяций ви да Klebsormidium flaccidum (№9, №5, №7, №15,№IX, №VI,№VII), 1 популяция предостав лена Гайсиной Л.А.(GSM 2H) и 7 популяций были предоставлены Киевским государст венным университетом (ACKU 609-06, ACKU 608-06, №600, №58, №59, ACKU 604-06, ACKU 607). Лабораторные популяции культивировались в жидкой и на твердой питатель ной среде Болда. Пересев культуры производили через месяц в жидкой питательной среде и через 2 месяца на агаризированной среде.
Длина нии (число клеток) II 2H I 0.
9.
7.
5.
IX.
.
U.
V CK V 9 8 4 M S G U U K CK A C A A Популяции Рис. 1. Длина нитей лабораторных популяций.
Примечание: популяция GSM 2H – одиночные нити;
популяции №604-06 и ACKU 607 – очень длинные нити, которые не удалось измерить используемым методом.
По данным рисунка 1 наименьшая длина нити (1 клетка) наблюдалась в популяции GSM 2H. Наибольшая длина нити наблюдалась у популяций 604-06 и популяции ACKU 607, насчитывающая несколько тысяч клеток, это связано с тем, что популяции довольно долго находились в культуре. Если же сравнивать по длине нитей лабораторные популя ции K. flaccidum обнаруженные в России, то наибольшая длина наблюдалась в популяции IX (Байкал) и составляла более 300 клеток. Так же достаточно большие нити у популяции 15 с о. Байкал и составляли 112 клеток. У популяции VII (Демский район г.Уфы) тоже длинные нити, причем в пробе, взятой в 20 м от дороги, а в популяции VI (Демский район г.Уфы), взятой в 10 м от дороги, нити намного короче, скорее всего, имело место загряз нение (трасса довольно оживленная). Наименьшее количество клеток в нити из проб Рес публики Башкортостан у популяции 5 выделенной из почвы Абзелиловского района, воз можно, это связано с тем, что довольно близко расположен г. Магнитогорск, с находящей ся на его территории металлургической промышленностью, что говорит о неблагоприят ной экологической обстановке.
При изучении морфометрической изменчивости K. flaccidum в большей степени выражена изменчивость длины нитей, наименьшая изменчивость просматривается при ширине клеток.
ГЛАВА IV. ВЛИЯНИЕ АБИОТИЧЕСКИХ И АНТРОПОГЕННЫХ ФАКТОРОВ НА МОРФОМЕТРИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ ПОЧВЕННОЙ ВОДОРОСЛИ KLEBSORMIDIUM FLACCIDUM (KUTZ) SILVA ET ALL 4.1. Влияние температуры Изучали влияние положительных температур от 200С до 1000С с интервалом в 100С на морфометрические показатели (табл. 1) и состояние нарушенности протопласта K. flac cidum. Наиболее полная картина просматривалась на 14-й день.
Таблица 1.
Влияние температуры на статистические показатели размерных признаков Klebsormidium flaccidum 14-й день Температура (C) X min X max X ±Sx Me cv, % tфакт Длина нитей, выраженная числом клеток 4,00 305,00 132,40±10,62 75,09 149,00 56,71 20(контр.) 4,00 305,00 48,90±7,75 54,80 31,50 112,07 5,86* 5,00 216,00 45,50±7,16 50,61 30,50 111,23 8,18* 4,00 310,00 65,92±9,66 68,31 48,00 103,63 4,17* Длина клеток, мкм 5,10 13,60 9,28±0,24 1,72 8,50 18,53 20(контр.) 5,10 13,60 8,57±0,23 1,61 8,50 18,79 2, 5,10 17,00 9,28±0,35 2,46 8,50 26,51 0, 5,10 11,90 8,74±0,15 1,09 8,50 12,47 2, Ширина клеток, мкм 5,10 6,80 6,32±0,11 0,77 6,80 12,18 20(контр.) 5,10 8,50 3,12±0,13 0,91 6,80 14,87 1, 5,10 8,50 3,46±0,11 0,77 6,80 11,92 0, 5,10 6,80 6,02±0,12 0,86 6,80 14,29 1, Примечание: * - разница между контролем и опытом достоверна, при Р=0,05.
При t=600-1000С происходило полное разрушение и обесцвечивание содержимого клеток, что привело к гибели культуры. При 500С наблюдалась частичная грануляция ци топлазмы и деформация нитей. Длина нитей по сравнению с контролем уменьшилась и в интервале температур 300-500С оставалась примерно на одном уровне. Длина клеток по сравнению с контролем варьировала в небольших пределах. Ширина клеток при действии 300С и 400С значительно уменьшилась, а при действии 500С составила примерно такую же ширину клеток как в контроле. С увеличением температуры наблюдались морфологиче ские изменения клетки и происходили нарушения протопласта, наибольшая нарушенность наблюдалась при t=1000С и составила 3 балла.
4.2. Реакция среды Изучали влияние значений pH от 2 до 12 (с интервалом 0,5) на анатомические и морфометрические характеристики K.flaccidum. Контролем служила жидкая питательная среда Бристоль (в модификации Голлербаха) [Голлербах, 1936] с pH=5.
Для изменения рН использовали 0,1 н. растворы HCl и NaOH.
Таблица 2.
Влияние pH на статистические показатели размерных признаков Klebsormidium flaccidum pH Xmin Xmax X±Sx Me cv,% tфакт Длина нитей, выраженная числом клеток 4,00 104,00 47,08±0,09 28,94 46,00 61,47 5 (конр.) 17,96±1, 4,00 57,00 12,69 15,00 70,66 6,74* 3, 4,00 62,00 22,28±2,36 16,71 18,00 75,00 5,40* 4,00 93,00 34,40±2,90 20,49 30,00 59,56 2,64* 4, 5,00 67,00 28,48±2,38 16,82 23,00 59,06 3,77* 5, 5,00 68,00 28,52±2,58 18,24 26,00 63,96 3,52* 10,00 71,00 37,16±2,62 18,55 31,00 49,92 2,70* 6, 4,00 41,00 21,60±1,41 9,96 20,00 46,11 5,47* 6,00 63,00 28,44±2,15 15,19 25,00 53,41 3,85* 7, 8,00 42,00 22,20±1,45 10,23 20,00 56,08 5,60* 6,00 60,00 22,84±1,70 12,00 21,00 52,54 5,70* 8, Длина клеток, мкм 6,80 10,20 8,23±0,16 1,16 8,50 14,09 5(контр.) 6,80 17,00 11,63±0,47 3,32 10,20 28,55 10,10* 3, 6,80 11,90 9,52±0,23 1,61 10,20 16,91 12,46* 3,40 13,60 9,25±0,44 3,11 8,50 33,62 3,24* 4, 5,10 11,90 9,08±0,29 2,08 8,50 22,91 5,22* 5, 5,10 10,20 8,09±0,20 1,40 8,50 17,31 2, 3,40 10,20 7,00±0,29 2,02 6,80 28,86 6,98* 6, 5,10 15,30 8,50±0,31 2,23 8,50 26,24 1, 6,80 11,90 8,98±0,21 1,50 8,50 16,70 6,20* 7, 3,40 8,50 6,77±0,25 1,77 6,80 26,14 8,69* 5,10 8,50 7,55±0,17 1,20 8,50 15,89 5,72* 8, Примечание: “*”- разница между контролем и опытом достоверна, при Р=0,05;
зна чение рН=5 соответствует стандартному значению среды Бристоль (в модификации Гол лербаха).
Значения pH=2-3 (кислая среда) и 9-12 (щелочная среда) вызвали деформацию кле ток и полное разрушение внутриклеточного содержимого, что привело к гибели культуры (табл. 2).
В пределах диапазона рН=3,5-4,5, при рН=5,5, а так же в пределах рН=7-7,5 проис ходитло увеличение клеток в длину по сравнению с контролем, остальные значения рН приводили к уменьшению длины клеток.
Все значения рН привели к уменьшению числа клеток в нити, по сравнению с кон тролем. В кислой среде происходило уменьшение числа клеток равномерно, а вот щелоч ная среда привела к скачкообразному уменьшению длины нитей, причем наименьшая длина нитей наблюдалась при рН=7 и рН=3. При pH=4,5-5,5 значительных морфологиче ских нарушений не наблюдалось. Исследования показали, что даже незначительные изме нения в сторону подкисления или подщелачивания привели к линейным (длина нитей, длина клеток) и морфологическим изменениям клеток и протопласта, только на ширину клеток изменения рН среды не повлияло. Значения нарушенности протопласта варьирова ли в зависимости изменения реакции среды. Щелочная среда рН=7,5 привела к усиленно му спорообразованию.
4.3. Влияние тяжелых металлов Изучали влияние хлоридов меди, никеля и марганца на морфологические признаки водоросли K.flaccidum. Медь испытывали в концентрациях 110-2 -10-10 моль/л, никель -1 110-6 моль/л, марганец - 1-110-4 моль/л. Металлы вносили в виде следующих солей:
CuCl25H2O, MnCl24H2O, NiCl26H2O.
А (число клеток) длина нити контр 1x10-10 1x10-9 1x10-8 1x10-7 1x10-6 1х10- 24 2 4 4 10 14 вегетативные нити концентрация (моль/л) В длина клеток (мкм) контр 1x10-10 1x10-9 1x10-8 1x10-7 1x10-6 1х10- 8 10 13 13 8 8 вегетативные клетки концентрация (моль/л) Рис 2. Влияние хлорида меди на линейные признаки K.flaccidum.
А – длина нити;
В – длина клеток.
Было установлено, что CuCl2 в концентрациях 110-2 – 110-5 моль/л вызывал пол ное разрушение и гибель клеток, при этом наблюдались бесформенные клетки с сильно нарушенным протопластом. При концентрации хлорида меди 110-10 моль/л происходила фрагментация нити по 2 клетки. С ростом концентрации металла отмечались колебания изменчивости длины нитей. При действии хлорида меди наблюдалось стимулирующее влияние на длину клеток или же длина клеток сохранялась в пределах нормы (рис. 2).
А длина нити (число клеток) контр 1x10-6 1х10-5 1х10-4 1х10- 24 5 8 14 вегетативные нити концентрация (моль/л) В длина клеток (мкм) контр 1х10-6 1х10-5 1х10-4 1х10- 8 7 9 7 вегетативные клетки концентрация (моль/л) Рис. 3. Влияние хлорида никеля линейные признаки K.flaccidum.
А – длина нити;
В – длина клеток.
Соль никеля в концентрациях 1 - 110-3 моль/л вызывала полное разрушение кле точного содержимого и гибель культуры. При минимальных значениях концентрации хлорида никеля наблюдалось снижение числа клеток в нити, а с увеличением концентра ции количество клеток в нити возрастало, а при концентрации 110-5 моль/л наблюдалось увеличение длины клеток по сравнению с контрольным значением (рис. 3).
А длина нити (число клеток) контр 1х10-4 1х10-3 1х10-2 1х10- 24 19 14 17 вегетативные нити концентрация (моль/л) В длина клеток (мкм) контр 1х10-4 1х10-3 1х10-2 1х10- 8 7 7 8 вегетативные клетки концентрация (моль/л) Рис. 4. Влияние хлорида марганца на размерные признаки K.flaccidum.
А-длина нити;
В – длина клеток.
Хлорид марганца концентрацией 110-4 моль/л вызывал образование апланоспор.
Высокие концентрации хлорида марганца вызывали разрушение клеточного со держимого, обесцвечивание хлоропластов и разрушение клеточной оболочки, что привело к гибели культуры.
При действии хлорида марганца концентрацией 110-4 и 110-3 моль/л происходило уменьшение длины нитей, а при действии концентрации 110-2 происходило увеличение числа клеток в нити. С увеличением концентрации наблюдалось увеличение длины клеток и при концентрации 110-2 моль/л она достигала контрольного значения (рис. 4).
Исследования показали, Klebsormidium flaccidum проявил высокую чувствительность к исследованным металлам. Действие ионов различных металлов проявлялось в изменении морфологических показателей клеток, которые в дальнейшем приводили к их гибели, укорачиванию длины нити. Было установлено, что для данного вида почвенной зеленой водоросли наименее опасными являются ионы марганца, а наибольшее повреждение вызывают ионы меди. Ионы никеля в данном случае занимают промежуточное положение, и в связи с этим ряд токсичности металлов имеет следующий вид: CuNiMn.
4.4. Засоление Было рассмотрено влияние засоления на морфометрию K.flaccidum и выбраны следующие соли в качестве реагентов NaCl и Na2CO3, как наиболее распространённые со единения в солончаках и солончаковатых почвах природного и антропогенного происхо ждения [Химическое загрязнение…, 1981;
Почвы Башкортостана, Т.2, 1997;
Хазиев, 2007]. NaCl испытывали в концентрациях - 210-2;
3,510-1;
510-1;
710-1;
1;
1,5 моль/л;
Na2CO3 - 110-2 ;
110-3;
510-2;
510-3;
510-4 моль/л. В качестве контроля использовали питательную среду.
При внесении NaCl концентрацией 210-2 моль/л наблюдалась гранулированность и причудливые формы (края изрезаны) хлоропласта, уменьшение длины нитей и образо вание апланоспор.
А 1. коцентрация (моль/л) 1. 7x10- 5x10- 3,5x10- 2x10- контр 0 10 20 30 длина нити (число клеток) В 1. концентрация (моль/л) 1. 7x10- 5x10- 3,5x10- 2x10- контр 0 2 4 6 8 10 длина клеток (мкм) Рис.5. Влияние хлорида натрия на морфометрические показатели K.flaccidum.
А – длина нити;
В – длина клеток.
NaCl концентрацией 3,510-1 моль/л вызывал деформацию протопласта (отхожде ние к центру клетки). Хлорид натрия концентрацией 210-2 моль/л вызывал стимуляцию длины клеток, что превышало контрольное значение (рис. 5).
Na2CO3 110-3 моль/л привел к сильной грануляции хлоропласта, что не дало воз можности подсчитать длину клеток, а соответственно и длину нитей.
А 5x10- концентрация (моль/л) 1x10- 1x10- 5x10- 5x10- контр 0 10 20 30 40 50 длина нити (число клеток) В 5x10- концентрация (моль/л) 1x10- 1x10- 5x10- 5x10- контр 0 5 10 15 20 длина клеток (мкм) Рис. 6. Влияние карбоната натрия на морфометрические показатели K.flaccidum.
А – длина нити;
В – длина клеток.
Карбонат натрия с концентрацией 510-2 моль/л вызывал увеличение числа клеток в нити по сравнению с контролем, но не повлиял на длину и ширину клеток по линейным значениям, однако оказал среднее стимулирующее действие на длину клеток и не оказал существенного влияния на ширину клеток. Концентрация Na2CO3 110-2 моль/л повлияла на уменьшение числа клеток в нити, но в то же время приводила к увеличению длины и ширины клеток. Концентрации Na2CO3 510-4 и 510-3 моль/л вызывали уменьшение дли ны нити, увеличение длины клеток, а на ширину клеток не повлияли (рис. 6).
При рассмотрении вопроса о действии засоления на K.flaccidum нами было доказа но, что наиболее токсичным оказался карбонат натрия (Na2CO3), по сравнению с хлори дом натрия.
4.5. Удобрения Были проведены эксперименты по изучению влияние хлорида калия, суперфосфата простого, мочевины на морфологические и линейные показатели K.flaccidum. Выбор оп ределялся тем, что данные удобрения широко используются в сельском хозяйстве. Удоб рения испытывали в следующих концентрациях: KCl –110-1, 110-2, 110-3, 310-1, 510-2, 510-3;
Ca(H2PO4)2 H2O – 210-3, 210-4, 410-4, 410-5;
CO(NH2)2 – 210-1, 210-2, 210-3, 510-1, 810-1, 810-2, 810-3, 1,7 (моль/л действующего вещества).
А длина нити (число клеток) контроль 1х10-3 5х10-3 1х10-2 5х10-2 1х10-1 3х10- концентрация (моль/л) В длина клеток (мкм) контроль 1х10-3 5х10-3 1х10-2 5х10-2 1х10-1 3х10- концентрация (моль/л) Рис. 7. Влияние хлорида калия на размерные признаки K.flaccidum.
А – длина нити;
В – длина клеток.
Хлорид калия при концентрации 110-3 и 510-2 моль/л вызывал сильный скачек увеличения числа клеток в нити, однако происходило уменьшение длины и ширины кле ток, а при концентрации 510-2 моль/л наблюдалось нарушение клеточной стенки у 10%, плохо виден пиреноид, грануляция хлоропласта, концевые клетки вздуты. Наименьшая длина нити наблюдалась при концентрации 510-3 моль/л, однако на длину нити данная концентрация оказала незначительное действие. Концентрация 510-2 моль/л стимули рующе действовала на ширину клеток (рис. 7).
А длина нити (число клеток) контроль 4х10-5 2х10-4 4х10-4 2х10- концентрация (моль/л) В длина клеток (мкм) контроль 4х10-5 2х10-4 4х10-4 2х10- концентрация (моль/л) Рис. 8. Влияние простого суперфосфата на размерные признаки K.flaccidum.
А – длина нити;
В – длина клеток.
Простой суперфосфат при концентрации 410-5 и 210-3 моль/л вызывал неболь шие изменения в длине нитей (уменьшение), но по-разному действовал при этих концен трациях на размерные признаки клетки (длину и ширину). Концентрация суперфосфата 410-5 моль/л повлияла на уменьшение длины клеток, но не отразилась на ширине клеток, тогда как концентрация 210-3 моль/л приводила к увеличению длины клеток и уменьше нию ширины клеток.
Суперфосфат с концентрациями 210-4 и 410-4 моль/л действовал примерно оди наково на линейные признаки, приводил к увеличению длины нитей (рис. 8).
А длина нити (число клеток) ль - - - - - - - 1.
ро 2х 8х 2х 8х 2х 5х 8х нт ко концентрация (моль/л) В длина клеток (мкм) ль - - - - - - - 1.
ро 2х 8х 2х 8х 2х 5х 8х нт ко концентрация (моль/л) Рис. 9. Влияние мочевины на размерные признаки K.flaccidum.
А - длина нити;
В – длина клеток.
Концентрации раствора мочевины 210-1 и 210-2 моль/л вызывали увеличение числа клеток в нити, но по-разному действовали на длину клеток.
Наименьшая длина клеток наблюдалась при концентрации 810-3 моль/л. Ширина клеток при всех исследуемых концентрациях менялась в незначительных пределах (рис.9).
При внесении мочевины наблюдались морфологические изменения клеток, грануляция хлоропласта. Скорее всего, это связано с тем, что мочевина обладает специфическими воздействиями на ферментативные системы. Суперфосфат и хлорид калия вызывали незначительное изменение окраски клеток и частичную грануляцию хлоропласта.
В ходе эксперимента был установлен следующий ряд токсичности минеральных удобрений: мочевина суперфосфат хлорид калия.
4.6 Гербициды Изучали влияние гербицидов, используемых в сельском хозяйстве нитрана, бетана ла, триаллата в концентрациях 110-3 - 10-8 моль /л., контролем служила питательная сре да.
В ходе эксперимента было установлено, что использованные концентрации (110- – 110-8 моль/л) этих гербицидов вызывали разнообразные морфологические изменения нитей и клеток K. flaccidum. В интервале данных концентраций нитран не приводил к ги бели. Гибель водоросли наблюдалась при концентрациях бетанала –110-7-110-8, а триал лата –110-8 и в интервале 110-3 – 110-6 моль /л.
А длина нити (число клеток) контр 1х10-8 1х10-7 1х10-6 1х10-5 1х10-4 1х10- концентрация (моль/л) нитран бетанал триаллат В длина клеток (мкм) контр 1х10-8 1х10-7 1х10-6 1х10-5 1х10-4 1х10- концентрация (моль/л) нитран бетанал триаллат Рис. 10. Влияние гербицидов на линейные признаки K.flaccidum.
А – длина нити;
В – длина клеток.
Все концентрации нитрана и бетанала приводили к уменьшению числа клеток в нити и длины клеток.
Триаллат привел к увеличению числа клеток в нити, наибольшая длина нити на блюдалась при действии триаллата концентрацией 110-7 моль/л (рис. 10).
Все исследуемые концентрации гербицидов приводили к уменьшению длины кле ток. Наименьшая длина клеток наблюдалась при действии бетанала концентрацией 110- моль/л.
При действии гербицидов, даже с минимальной концентрацией, наблюдали мор фологические изменения клеток: изменение окраски, деформацию, грануляцию хлоропла стов, видоизменение клеток с цилиндрической на бочонковидную.
ГЛАВА V. ГРАНИЦЫ УСТОЙЧИВОСТИ KLEBSORMIDIUM FLACCIDUM К ЭКОЛОГИЧЕСКИМ ФАКТОРАМ Действие любого экологического фактора на организм ограничено пределами вы носливости (толерантности), по мере удаления от которого происходит угнетение, а в дальнейшем и гибель организма. Для каждого организма характерна зона нормальной жизнедеятельности (оптимум), при которой наблюдается максимальный рост, накаплива ется биомасса, происходит увеличение численности популяции. Свойство видов адапти роваться к тому или иному диапазону факторов среды носит название «экологическая пластичность» [Степановских, 1997].
В результате исследований действия различных экологических факторов на K.flaccidum было выявлено, что все факторы оказали влияние на морфологию водоросли.
Однако степень воздействия зависела от вида загрязнителя и его концентрации.
При построении единой шкалы для всех экологических факторов концентрации ис следованных веществ перевели в десятичный логарифм (lg).
Были выявлены минимальные концентрации исследуемых факторов, при которых наблюдалась гибель культуры (рис. 11).
MnCl триаллат NiCl бетанал CuCl Рис. 11. Концентрации исследуемых веществ, при которых наблюдалась гибель K.
flaccidum.
Примечание: 0 соответствует контролю, 1 концентрации 110-8, 2-110-7, 3-110-6, 4-110-5, 5-110-4, 6-110-3, 7-110-2, 8-110-1 моль/л.
Как видно из рисунка 11, гербициды (триаллат и бетанал) оказались более токсич ными по сравнению с хлоридами меди, никеля и марганца. Они вызывали гибель культу ры K.flaccidum при минимальной использованной концентрации 110-8 моль/л.
В ходе эксперимента было доказано, что при действии исследованных факторов наблюдалось как увеличение, так и уменьшение размерных признаков K. flaccidum.(длины нити и длины клеток). Действие одних экологических факторов и реагентов (триаллата, CuCl2, Na2CO3) оказывало влияние на один морфологический признак (длина нити или длина клеток), а действие других факторов (NaCl, NiCl2, MnCl2, удобрений, нитрана, бета нала) оказывало влияние на несколько морфологических признаков (длина нити и длина клеток).
По результатам действия факторов были установлены концентрации сохранности морфологических показателей (длина нити, длина клеток) K.flaccidum. При влиянии хло рида меди на длину клеток – 110-7 моль/л;
хлорида никеля на длину клеток - 110- моль/л;
влияние марганца на длину клеток – 110-2 моль/л.
При засолении морфологический статус длины нити и клеток вида не сохранялся, наблюдалось или угнетение или стимуляция признаков.
При исследовании действия удобрений и гербицидов на морфологический статус K. flaccidum (длина нитей и клеток) сохранялся при следующих значениях концентраций факторов: хлорида калия – 110-1 для длины нитей и – 510-3 моль/л для длины клеток;
су перфосфата для длины клеток – 410-5 моль/л;
мочевины 810-2 моль/л для длины нитей и 210-3 для длины клеток;
бетанала для клеток – 110-6 моль/л.
Изучив изменения длины нитей, длины клеток и ширины клеток Klebsormidium flaccidum относительно друг друга установили, что ширина клеток более устойчива к влияниям экологических факторов и не меняет своего морфологического статуса.
Выводы 1. Klebsormidium flaccidum встречается в различных местообитаниях, характеризую щихся широким спектром экологических условий, что обусловлено его высокой экологической пластичностью.
2. При лабораторном культивировании популяций из различных местообитаний на блюдается 3 (повышенный) уровень изменчивости длины нитей, 1 -3 (пониженный, средний, повышенный) уровни изменчивости длины клеток, и нулевой уровень из менчивости ширины клеток.
3. В современных определителях диагноз вида включает: «нити длинные, длина кле ток 4-15 мкм», нами установлено, что в естественных местообитаниях длина нити может варьировать в пределах от 3 до нескольких тысяч клеток в нити, длина кле ток от 4 до 27 мкм.
4. Граница устойчивости K.flaccidum при положительных температурах составили 20 50C, реакции среды от 3,5 до 8,5. При засолении NaCl – 210-2-1,5 моль/л, Na2CO3 510-4-510-2 моль/л. Под действием CuCl2 от 110-10 до 110-6;
NiCl2-110-6-110-4;
MnCl2-110-4-110-2 моль/л. При действии удобрений границы устойчивости нахо дятся в пределах исследуемых концентраций. При действии нитрана - 110-8-110, бетанала - 110-6-110-3, триаллата - 110-7-110-6 моль/л.
5. Морфологический статус вида сохранялся при внесении тяжёлых металлов: хлори да меди концентрацией 110-8 моль/л;
хлорида марганца - 110-2 моль/л. При засо лении NaCl морфологический статус сохранялся при концентрации 1,5 моль/л, а при внесении Na2CO3 при концентрации 510-4. При исследовании действия удоб рений было установлено, что морфологический статус не меняется при внесении KCl концентрацией 510-3 моль/л;
Ca(H2PO4)2 - 410-5 моль/л.
6. При температуре 30C и значениях pH=4,5-6 не наблюдалось изменения морфоло гического статуса K.flaccidum. При значении pH=7,5, MnCl2 концентрацией 110- моль/л и NaCl концентрацией 210-2 моль/л наблюдается интенсивный выход апла носпор.
7. Наиболее вариабельными оказались длина нити и длина клеток, а ширина клеток наиболее стабильна. К основным морфологическим изменениям происходившим под действием экстремальных значений изученных экологических факторов отно сятся: грануляция и обесцвечивание хлоропластов, нарушение целостности кле точной стенки, появление бочонковидных и бесформенных клеток, сильная изо гнутость и фрагментация нитей.
Список работ, опубликованных по теме диссертации 1. Пурина Е.С., Лыгина Р.И. Биология почвенных водорослей при изучении экологии в вузе и школе // Совершенствование преподавания биологии и химии в ВУЗе и школе:
материалы Всероссийской научно-практической конференции.- Бирск 2003. С. 4-6.
2. Пурина Е.С. Роль низших растений в поддержании стабильности наземных экосистем в условиях техногенного стресса // Наука и молодежь: Материалы VIII Всероссийской научно-практической конференции студентов, соискателей, молодых ученых и спе циалистов (24 мая 2007). – Н.Новгород: ВГИПУ, 2007.-Т.1. С. 128-130.
3. Пурина Е.С., Гайсина Л.А. Возможности использования микроскопической водоросли К1еbsormidium flaccidum (Ktzing) Silva et al. (Chlorophyta) для биоиндикации почвы // Общие проблемы мониторинга природных экосистем. Всероссийская научно практическая конференция: Сборник статей. Ч. 2. – Пенза: РИО ПГСХА, 2007. - С.
122-125.
4. Кабироа Р.Р., Пурина Е.С. Влияние радиации на альгогруппировки почвенных водо рослей // Проблемы радиоэкологии и пограничных дисциплин: Материалы XXIV Все российского научно - практического междисциплинарного семинара 25 – 28 июня 2007г./под общей ред. С.М.Усманова, В.И.Мигунова. – Бирск.:Бирск.гос.соц. пед.акад., 2007. - С.40-43.
5. Гайсина Л.А., Фазлутдинова А.И., Сафиуллина Л.М., Пурина Е.С., Абузарова Л.Х. (За рипова Л.Х.), Кокорина Л.В., Мухаметова Г.М., Бакиева Г.Р. Влияние экстремальных экологических факторов на почвенные водоросли // Материалы Всероссийской конфе ренции XII съезда Русского ботанического общества (22-27 сентября 2008г., Петроза водск). – Петрозаводск, 2008. – Ч.2. – С.23-26.
6. Пурина Е.С., Лыгина Р.И. Значение водорослей в повышении почвенного плодородия // Креативная деятельность в образовании: теория, технология, прогноз: Материалы региональной научно-практической конференции 20-21 февраля 2009г. / Под редакци ей Н.С. Белобородовой, И.М. Синагатуллина, Ю.П. Правдина – Бирск: Бирск.гос.соц. пед.акад., 2009.-328с.
7. Егоров С.В., Пурина Е.С. Отдел Chlorophyta как новый ресурс сельского хозяйства // Растительные ресурсы: опыт, проблемы и перспективы: Материалы II Всероссийской научно-практической конференции 20-21 марта 2009 г. – Бирск: Бирск.гос.соц. пед.акад., 2009.-С.121-123.
8. Пурина Е.С., Никитина И.В., Лыгина Р.И. Использование почвенной альгофлоры в биомониторинге // Растительные ресурсы: опыт, проблемы и перспективы: Материалы II Всероссийской научно-практической конференции 20-21 марта 2009 г. – Бирск:
Бирск.гос.соц.-пед.акад., 2009.-С.157-161.
9. Никитина И.В., Пурина Е.С. Значение альготестирования в биологическом мониторин ге ландшафтов // Растительные ресурсы: опыт, проблемы и перспективы: Материалы II Всероссийской научно-практической конференции 20-21 марта 2009 г. – Бирск:
Бирск.гос.соц.-пед.акад., 2009.-С.134-138.
10. Gaysina LA., Purina ES., Safiullina LM and Bakieva GR. Resistance of Klebsormidium flac cidum (Ktzing) Silva, Mattox & Blackwell (Streptophyta) to heavy metals.- Plant Sciences, Vol. 3, March 2009. - Р. 39-41.
11. Гаттарова С. Ф., Пурина Е.С., Никитина И.В. Изучение влияния токсичности тяжелых металлов на почвенную альгофлору// Наука в школе и вузе: Материалы научной кон ференции аспирантов и студентов. Часть I / Под ред. Ш.Г. Зиятдинова. – Бирск:
Бирск.гос.соц.-пед.акад., 2009.- 207 с. С. 24-25.
12. Пурина Е.С., Кабиров Р.Р. Характер устойчивости зеленой водоросли Klebsormi dium flaccidum к гербицидам// Вестник Оренбургского государственного универ ситета. – 2009. – №6. – С.296-297.
13. Бакиева Г.Р., Гайсина Л.А., Сафиуллина Л.М., Пурина Е.С. Анализ особенностей пространственной организации альгоценозов лесных экосистем Южно уральского государственного природного заповедника (ЮУГЗ)// Вестник Орен бургского государственного университета. – 2009. – №6. – С.55-57.