Диагностика экологического состояния высших водных растений по активности маркерных ферментов

Биомаркеры могут быть использованы в качестве системы раннего предупреждения и идентификации специфичного или общего стресса на каждом биологическом уровне, от клетки и отдельного растения до экосистемы в целом. Ферменты, биологические катализаторы, являются удобными индикаторными объектами для использования в биомониторинге и биоиндикации в качестве биомаркеров. Целью работы было проверить возможность использования ферментов – протеиназы, пероксидазы и глутаминсинтетазы – для оперативного мониторинга экологического состояния высших водных растений.

На первом этапе работы исследовали влияние свинца на активности протеиназы, пероксидазы и глутаминсинтетазы после внесения ацетата свинца в клеточные экстракты листьев T. angustifólia, вырашенного в чистой природной воде без контаминантов. Подавления протеолитической активности в экстрактах клеток при внесении свинца в концентрациях 2.5х10^-5 до 2.5 мг/мл практически не наблюдалось. Также происходило постепенное падение пероксидазной и глутаминсинтетазной активности (до 20% и 5% остаточной активности, соответственно) в ряду концентраций от 2.5х10^-5 до 2.5 мг/мл.

Далее исследовали ответ ферментативной системы на присутствие свинца в среде обитания в концентрации 3.0 мг/л. В работах ряда авторов показано, что свинец входит в клетки спустя 2 часа после его внесения и, как известно из литературных данных, способен нарушать структуру белков клетки. Были исследованы растения, взятые из озера Средний Кабан, г.Казань. Данные растения произрастали в антропогенно-измененной среде сильно контаминированной различными токсичными веществами, в том числе и свинцом. Следовательно, можно было ожидать их адаптированность к подобным загрязнениям.

Изменения активности ферментов растений из озера Кабан, хорошо согласуются с ранее полученными фактами – в период от 2 до 5 часов наблюдалась максимальная активность протеазы (рисунок 1, А), что, по нашему мнению, можно объяснить тенденцией клетки к устранению неправильно фолдированных белков. Активность пероксидазы в растениях вначале подавлялась, и поднималась выше контроля на 7 и 10 сутки роста соответственно (рисунок 2, Б), что, вероятно, отражает максимальное распределение свинца по растению за это время. Пик активности, по-видимому, является следствием высшей степени стресса в этот период. Вопреки ожиданиям, активность глутаминсинтетазы не изменялась после внесения свинца в среду культивирования растений (рисунок 2, В). Следовательно, она не может быть использована в качестве биомаркера.

Таким образом, активность пероксидазы, на наш взгляд, можно считать наиболее репрезентативным биомаркером экологического состояния растений рогоза узколистного T. angustifólia.

Еще одним из загрязнителей воды являются соединения фосфора, вызывающие зарастание водоема. Поэтому мы исследовали изменение активности протеиназы, пероксидазы и глутаминсинтетазы в листьях растений T. angustifólia из озера Средний Кабан в ответ на внесение фосфатов (35 мг/л), а также фосфатов в комбинации со свинцом (3.0 мг/л).

Независимо от присутствия фосфатов в среде, активность протеиназ возрастала в ответ на внесение фосфатов, как и в предыдущем эксперименте. Возможно, наличие фосфатов привело к сдвигу подъема протеолитической активности, которая имела свой максимум после 24 часов экспозиции с фосфором и свинцом по сравнению со свинцом (рисунок 1, А). Активность пероксидазы также вначале подавлялась, а затем незначительно повышалась на 48 час в ответ на внесение загрязнителей.

Напротив, активность глутаминсинтетазы значительно возрастала по сравнению с контролем на 4-24 часы экспозиции. Вероятно, это можно объяснить индукцией биосинтетических процессов в присутствии избытка доступного фосфора.