XV Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2023

В наши дни остро стоит проблема нехватки пригодных земель для сельского хозяйства. Эта ситуация усугубляется постоянно растущей численностью населения. Есть большой запрос на растительные сельскохозяйственные продукты, а земель, на которых произрастают данные продукты, не хватает. Более, таких земель становится меньше из-за истощения плодородного слоя почв и антропогенного загрязнения. Существует множество групп химических веществ и соединений, снижающих плодородие почв. Одной из таких групп являются тяжелые металлы. Они негативно влияют на жизнедеятельность сообществ бактерий, обитающих в почвах и отвечающих за ее плодородие. Как следствие, наблюдается сокращение пригодных для сельского хозяйства земель.

Загрязнение окружающей среды тяжелыми металлами происходит каждый день, на пример, когда люди пользуются транспортом, при добыче полезных ископаемых или при работе заводов, фабрик, угольных теплоэлектростанций. Поэтому становится необходимыми знания о последствиях такого загрязнения и методах определения концентрации загрязнителей в почвах. Одним из индикаторов является биотест с использованием Drosophila melanogaster. В основе метода лежит наблюдение за мутагенезом мух, по результатам которого можно определить концентрацию тяжелых металлов в почвах.

В данной статье была предпринята попытка проанализировать результаты исследований по этой теме, основываясь на общедоступных литературных данных.

В статье [1] приведен ряд экспериментов, указывающих на взаимосвязь мутагенеза D. Melanogaster и наличия тяжелых металлов в среде обитания мушек. Авторы постулируют следующие положения:

1. Наибольшему вредному воздействию подвержены ранние стадии развития мушек. Установлена летальная для личинок дрозофилы доза СdCl2 (0,20 мМ). Соли Co, Cu и Zn в высокой концентрации (0,20 мМ) не вызывают летального эффекта, однако существенно влияют на проявление активности различных форм карбоксиэстераз (ферменты, класса гидролаз, нейтрализующие токсины) в течение всего периода развития дрозофилы.

2. Установлено гаметотоксическое действие тяжелых металлов на различные стадии сперматогенеза в зависимости от времени и дозы действия. Наиболее выраженный гаметотоксический эффект наблюдался у солей кадмия, который проявился в значительном снижении плодовитости. Выявлена более высокая чувствительность к действию тяжелых металлов премейотических стадий сперматогенеза.

3. Изучена продолжительность жизни разных линий дрозофилы в зависимости от содержания солей тяжелых металлов (кадмия, свинца, ртути) в питательной среде. Установлено, что степень изменения продолжительности жизни зависит от типа металла и его концентрации.

Ученые Канзасского университета (США) исследовали взаимосвязи стадий жизненного цикла D. Melanogaster, экспрессиии поведения от резистентности к меди [2]. Основными методами выявления данных зависимостей были секвенирование РНК и картирование локусов количественных признаков (QTL). По результатам эксперимента были сформулированы следующие выводы:

1. Гены Ccs, Sod3, CG11825 обладают известными специфическими для меди функциями, по интенсивности экспрессии этих генов можно установить концентрацию меди в организме D. Melanogaster;

2. Изменение экспрессируемости генов носит наследственный характер.

Департамент науки и окружающей среды (Университет Роскилле, Дания) провел исследование, основанное на влиянии меди и гидроксида меди на биоаккумуляцию, выживание, поведение и плодовитость плодовой мушки Drosophila melanogaster [3]. После 7-10 дней воздействия меди или гидроксида меди (в концентрациях от 0,09 до 1,2 мг Cu на 1 мл питательной среды или Cu(OH)₂ от 0,2 до 11 мг), содержащихся в питательной среде Drosophila melanogaster, ученые измеряли биоакуммуляцию Cu в организме дрозофилы. Было выявлено следующее:

1. Медь и гидроксид меди влияют на выживаемость мух, но не их развитие от яйца до взрослой особи;

2. Cu(OH)₂ сильнее влияет на выживаемость мух, чем Cu (смертность в 2 раза выше);

3. С повышением концентрации меди в питательной среде уменьшается количество откладываемых самками яиц, как следствие уменьшается количество особей в популяциях.

DemirE и другие ученые из Университета Анталии (Турция) использовали дрозофилу, как нецелевой эукариотический модельный организм in vivo, для изучения физиологических изменений при регулярной обработке нанопестицидами, содержащими в своем составе соединения меди (перметрин (CuSO₄·5H₂O) и др. наноэмульсии, содержащие Cu(OH)₂) [4]. Были установлены следующие закономерности:

1. Высокие дозы пестицидов оказывали значительное изменение процесса окисления липидов у личинок мух;

2. Наблюдалось многочисленное повреждение пиримидиновых оснований в молекуле ДНК;

3. Наблюдалось заметное снижение двигательной активности мушек;

4. Выявлено значительное увеличение экспрессии генов стресса (Hsp70 и Hsp83), генов антиоксидантной защиты (CAT и SOD2) и гена целостности генома (p53);

5. Наблюдалось снижение экспрессии Ogg1 – гена отвечающего за репарацию ДНК.

Государственная лаборатория гидронауки и инженерии Университета Цинхуа (Китай) в 2019 году провела исследование, связанное с влиянием тяжелых металлов на микробное сообщество почв [5]. Данное сообщество способствует восстановлению органических и неорганических соединений в почвах, что провоцирует рост плодородия почв.

Образцы микробных сообществ были собраны на участках переработки электронных отходов Зия в Тяньцзине, Северный Китай, а затем микробные сообщества были проанализированны с помощью высокопроизводительного секвенирования рРНК MiSeq 16S. Было установлено угнетение жизненных процессов бактерий, таких как: метаболизм аминокислот, метаболизм углеводов и мембранный транспорт.

Польский институт экологии промышленных территорий провел исследование, направленное на выявление закономерностей между содержанием солей свинца в почвах и активностью почвенных микроорганизмов [6].

Исследование проводилось в двух ландшафтных парках, расположенных в горах Бескид Силезский и Живецкий. Исследование проводилось в шести местах с разным содержанием свинца в почвенной среде. Каждый участок был оборудован четырьмя парами вакуумных керамических лизиметров для оценки подвижности Pb в почве. Метаболическую активность оценивали путем измерения: активности ферментов почвы, дыхания почвы и изучения физиологического профиля на уровне сообщества с использованием технологии Biolog EcoPlates.

В результате исследования установлено, что повышенное содержание свинца в почвенной среде, особенно при низком рН почвы, может влиять на метаболизм почвенных микроорганизмов.

Выводы

Существует серьезная проблема загрязнения тяжелыми металлами почв. В вышеупомянутых исследованиях [5, 6] приведены негативные последствия для сообществ почвенных микроорганизмов, отвечающих за химические и физические характеристики почв, при повышенной концентрации тяжелых металлов в среде обитания. В этой ситуации становится актуальным метод биоиндикации, позволяющий определить наличие и концентрацию тяжёлых металлов в почвах.

Биотесты, основанные на мутагенезе D. Melanogaster обладают рядом преимуществ: короткий цикл развития мушек, высокая плодовитость, простота содержания в лабораторных условиях, малое число хромосом (2п=8) и изученность характера наследования многих признаков.

Данные о влиянии тяжелых металлов на онтогенез D. melanogaster существенно расширяют представления об их токсическом и мутагенном действии на организмы. Тяжелые металлы отрицательно сказываются на всех биологических показателях дрозофилы: удлиняют продолжительность развития, снижают плодовитость, вызывают формирование аномалий, приводящих к снижению жизнеспособности мушек. Результаты исследований показывают, что дрозофила может быть использована для мониторинга состояния почв.

Список литературы

1. Датиева, И. А. Мушка дрозофила как биоиндикатор тяжелых металлов в окружающей среде // Актуальные проблемы биологии и экологии: Материалы международной научно-практической конференции. Грозный: Чеченскийгосударственныйпедагогическийуниверситет, 2019. – С. 94-99.

2. Everman E.R, Cloud-Richardson K.M, Macdonald S.J. Characterizing the genetic basis of copper toxicity in Drosophila reveals a complex pattern of allelic, regulatory, and behavioral variation. Genetics. 2021 Mar 3;217(1):1-20.

3. Budiyanti D.S, Moeller M.E, Thit A. Influence of copper treatment on bioaccumulation, survival, behavior, and fecundity in the fruit fly Drosophila melanogaster: Toxicity of copper oxide nanoparticles differ from dissolved copper. Environ Toxicol Pharmacol. 2022 May; 92:103852

4. Demir E, Kansız S, Doğan M, Topel Ö, Akkoyunlu G, Kandur MY, Turna Demir F. Hazard Assessment of the Effects of Acute and Chronic Exposure to Permethrin, Copper Hydroxide, Acephate, and Validamycin Nanopesticides on the Physiology of Drosophila: Novel Insights into the Cellular Internalization and Biological Effects. Int J Mol Sci. 2022 Aug 14;23(16):9121.

5. Zhineng Wu, Guanghai Gao, Yingying Wang, Effects of soil properties, heavy metals, and PBDEs on microbial community of e-waste contaminated soil, Ecotoxicology and Environmental Safety, Volume 180, 2019, Pages 705-714, ISSN 0147-6513.

6. Borgulat J, Łukasik W, Borgulat A, Nadgórska-Socha A, Kandziora-Ciupa M. Influence of lead on the activity of soil microorganisms in two Beskidy landscape parks. Environ Monit Assess. 2021 Nov 24;193(12):839.

Код для цитирования: Скопировать