Введение к работе
Актуальность проблемы. Вода является базовым компонентом любой экосистемы, и изменение ее свойств вызывает перемены в подавляющем большинстве элементов экологических систем. Существует труднообозримый массив данных о зависимости влияния воды на живые организмы от предварительного воздействия на нее различных экологических (как биотических, так и абиотических) факторов, от ее структуры, а также от изотопного состава (Кариманов, 2000; Лавренков, 2006; Bild, 1995; Сho, 1999; Sessions, 2005;). Влияние изотопного состава на биологические эффекты воды (БЭВ) в подавляющем большинстве работ изучали лишь при обогащении воды дейтерием, и очень мало сообщений о воде с низким показателем D/H (Помыткин, 2006; Rakovski, 1996; Knatz, 2000). Значительное число публикаций посвящено анализу структуры воды с помощью ЯМР-, и ИК-спектроскопии а также квантово - механических расчетов. К сожалению, как правило, подобные исследования носят односторонний характер – изучается либо только структура воды, либо ее физические или биологические свойства (Стебновский, 2004; Габуда, 2005; Shmiter, 1992; Hoynut, 1997; Nodiche, 2000). Серьезной трудностью при исследовании БЭВ является плохая воспроизводимость результатов экспериментов. Одна из важнейших причин этого кроется в том, что БЭВ и характер ее влияния на организмы после обработки различными факторами могут меняться за очень короткие промежутки времени, а основные биотесты, позволяющие определять БЭВ, измененную под действием различных факторов, дают ответ через 1 – 4 и более суток (Помыткин, 2006; Лихолат, 1999; Лехтлаан-Теннисон, 2004; Barnes, 2004). Поэтому наиболее слабым моментом в изучении влияния воды на организмы является отсутствие экспрессных методов определения ее эффектов и недостаточное использование комплексного подхода при изучении рассматриваемой проблемы.
Таким образом, изучение с помощью тест-организмов связи БЭВ с действием на нее различных экологических факторов, ее структурой, и изотопным составом представляется крайне важной и перспективной областью экологии и имеет большое практическое и теоретическое значение.
Цель данной работы: с использованием приемов биотестирования провести комплексное изучение БЭВ с разным изотопным составом и воды, после действия ряда экологических факторов.
Для достижения этой цели были поставлены и решены следующие задачи:
-
Выяснить возможность проявления беспозвоночными животными реакций гидропреференции по отношению к воде с разным изотопным составом и к воде, подвергнутой воздействию различных экологических факторов.
-
С использованием разных тест-организмов (бактерий, дрожжей, водорослей, высших растений, беспозвоночных животных) и различных тест-откликов (рост, поведенческие, физиологические и биохимические реакции) изучить динамику изменения БЭВ под действием ряда экологических факторов, при варьировании концентрации дейтерия и при изменении структуры воды, определенной с помощью ЯМР-анализа.
-
На основании проведённых исследований предложить легкодоступные, технически простые пригодные для широкого применения вне специализированных лабораторий методы и проверить возможность их применения для оценки БЭВ при варьировании изотопного состава воды и при действии на нее различных экологических факторов.
Основные положения, выносимые на защиту:
-
Некоторые беспозвоночные организмы (Eisenia fetida Andrei Bouche, Drosophila melanogaster Mg., Nauphoeta cinerea Oliv.) обладают положительной преференцией по отношению к воде с низким содержанием дейтерия.
-
При обогащении воды дейтерием до концентрации выше природной (136 ppm дейтерия) рост микроорганизмов: Bacillus thuringiensis, Pseudomonas аeruginosa, Escherichia coli, Saccharomyces cerevisiae подавляется; лаг-фаза у исследуемых микроорганизмов удлиняется при культивировании в средах как с повышенным, так и с пониженным относительно природного содержания дейтерия.
-
Степень структурированности воды и БЭВ после воздействия на нее различных экологических факторов способны довольно быстро изменяться; они тесно связаны друг с другом и при повышении степени структурированности талой воды ее биологические эффекты усиливаются.
-
Предложенный метод определения БЭВ, основанный на изменении подъемной силы дрожжей позволяет фиксировать ее колебания, относительно чувствителен, технически прост, дешев, легкодоступен, дает возможность проводить анализ без микробиологической техники, а в качестве тест-объекта могут быть использованы любые коммерческие препараты дрожжей, выпускаемые для бытовых целей.
Научная новизна и теоретическое значение. Впервые обнаружена реакция преференции дождевых червей, мраморных тараканов и мушек дрозофил по отношению к воде с более низким содержанием дейтерия. Показана применимость и перспективность для изучения вопросов связанных с исследованием БЭВ ряда экспрессных методов биотестирования. Для определения быстроизменяющихся БЭВ предложен метод оценки подъемной силы дрожжей S. cerevisiae. Установлены закономерности между содержанием дейтерия в воде, ее структурой и ферментативными, а также ростовыми реакциями микроорганизмов. Показано увеличение продолжительности фазы адаптации исследуемых штаммов микроорганизмов, при культивировании их как на более легкой по сравнению с природной, так и на более тяжелой воде. Обнаружено, что БЭВ после воздействия различных факторов (ЭМП разной силы и частоты, размораживание при различной температуре, обработка шумами различных диапазонов частот) способны относительно быстро изменяться. Они тесно связаны друг с другом и при колебании показателей степени структурированности воды БЭВ также меняются. Изучены особенности накопления воды живыми и погибшими семенами гороха в зависимости от соотношения D/H.
Практическое значение. Впервые предложены экспрессные дешевые методы определения БЭВ, дающие возможность проведения анализа вне микробиологической лаборатории (Патент РФ № 2376513 от 20.09.2009). Проведена оценка некоторых минеральных вод, воды с различным изотопным составом («Лангвей – 60» и «Лангвей – 100»), а также воды после воздействия на нее различных экологических факторов. Предложена методика обогащения пищевых продуктов легкой водой, позволяющая увеличивать вероятность замещения в организмах дейтерия протием и, соответственно, повышать скорость выведения тяжелого водорода (Патент РФ № 2376475 от 20.05.2009). Выявлены диапазоны концентрации дейтерия в воде, стимулирующие и ингибирующие рост, размножение и физиологические процессы некоторых штаммов микроорганизмов.
Апробация работы: Материалы диссертации докладывались: на межрегиональной научно-практической конференции «Биология микроорганизмов и их научно-практическое использование», 2004 г; на научной конференции «Фундаментальные проблемы изучения и использования воды и водных ресурсов», 2005 г; на Всероссийской научно - практической конференции студентов и аспирантов с международным участием «Безопасность – 05», «Безопасность – 06» (Иркутск, 2005, 2006); на 2-ом Байкальском микробиологическом симпозиуме с международным участием «Микроорганизмы в экосистемах озер, рек, водохранилищ» (Иркутск, 2007 г); на межрегиональной научно-практической конференции с международным участием «Проблемы экологии. Чтения памяти проф. М.М. Кожова» (Иркутск, 2010). Результаты исследований применяли при чтении курсов лекций «Прикладная экология»; «Экотоксикология»; «Рациональное природопользование» на биолого-почвенном факультете ИГУ и проведении учебных практик студентов. Материалы диссертации были использованы при подготовке отчетов по проектам РФФИ : № 05-04-97237 – Байкал – р; № 06-04-39003; №08-04-98057-Сибирь_а; РФФИ - ГФЕНа № 06-04-39003. ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России»: ГК № 02.740.11.0018 от 15.06.2009 г., ГК 02.740.11.0418. от 30.09.2009 г, ГК № 02.740.11.0018, П1242, задания РНП 2.1.1/1539, 2.2.1.1/5901 НОЦ «Байкал», ФЦП «Исследование и разработка по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2012 годы»: ГК № 11.519.11.5016 от 28.10.11. Материалы работы включены российско-китайской Комиссией по подготовке встреч глав правительств в «Программу научно-технического сотрудничества № 12-35., 24.09.2008 г. Экологическая безопасность оз. Байкал – р. Амур».
Публикации: По материалам диссертационной работы опубликовано 13 статей, 7 из них в журналах, рекомендованных к изданию ВАК, по теме диссертации получены 2 патента на изобретение.
Объем и структура диссертации: Диссертация изложена на 141 страницах и состоит из введения, 3 глав, выводов, списка литературы и приложений. Работа иллюстрирована 31 рисунком и содержит 13 таблиц. Список литературы состоит из цитированных литературных источников: 252-х библиографических названий, из них 128 отечественных и 124 иностранных.
Личный вклад автора. Лабораторные исследования, анализ полученных данных, обобщение и интерпретация полученных результатов, подготовка материалов для докладов и публикаций проведены лично или при определяющем вкладе автора. Работа проводилась на биолого-почвенном факультете и в НИИ биологии и ФГБОУ ВПО «Иркутский государственный университет», а также в ФГБОУ ВПО Национальный исследовательский «Иркутский государственный технический университет» и в Байкальском музее ИНЦ СО РАН.
Похожие диссертации на Изучение биологических эффектов воды с помощью методов биотестирования
