|
На правах, рукописи
КАЗИМИРКО ЮРИЙ ВАЛЕРЬЕВИЧ
Разработка флуорометрических методов оценки состояния
фотосинтетического аппарата для биоиндикации
03.00.02 - биофизика, 03.00.16 - экология
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата биологических наук
Москва, 2006
Работа выполнена на кафедре биофизики Биологического факультета Московского Государственного университета имени М.В.Ломоносова
Научный руководитель:
Доктор биологических наук, профессор С.И.Погосян
Доктор биологических наук, чл.-корр. РАН, профессор А.Б.Рубин
Официальные оппоненты:
Доктор физико-математических наук, профессор В.А.Фадеев
Доктор биологических наук Н.Г. Бухов
Ведущее организация: Институт Океанологии им. П.Ширшова РАН
Защита состоится 23 марта 2006 года в 15 ч 30 мин на заседании Диссертационного Совета Д 501.001.96 при Московском Государственном Университете им. М.В.Ломоносова по адресу: 119992, ГСП-2, Москва, Ленинские горы, МГУ, Биологический факультет, кафедра биофизики, Новая аудитория.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Биологического факультета МГУ.
Автореферат разослан 20 февраля 2006 года.
Ученый секретарь Диссертационного Совета
доктор биологических наук, профессор | Т.Е.Кренделева |
Общая характеристика работы
Актуальность. Совершенствование методов биоиндикации состояния окружающей среды в условиях постоянно возрастающего антропогенного воздействия на наземные и водные экосистемы остается одной из актуальных задач в системе экологического контроля и рационального природопользования. Насущная потребность выяснения степени загрязнения окружающей среды вызывает необходимость разработки оперативных методов оценки ее состояния. По мнению многих экологов, оценка качества среды должна иметь интегральный характер. Выяснение степени загрязнения среды только с позиции действия предельно допустимых концентраций токсических веществ не учитывает возможного эффекта от нескольких факторов в различных сочетаниях. Предпочтительной в этом отношении представляется биологическая оценка среды обитания, основанная на показателях - "самочувствия" организма, - биоиндикация и биотестирование (Захаров, Кларк, 1993).
Воздействие на организм неблагоприятных условий среды может вызвать множество специфичных ответных реакций и приводить к переходу организма в стрессовое состояние. Такие воздействия могут оказывать влияние на все метаболические процессы в организме, в том числе и на процессы фотосинтеза, являющиеся главным поставщиком энергии у растений. В связи с этим функционирование фотосинтетического аппарата (ФСА) оказывается наиболее значимым для определения состояния растения в целом.
В настоящее время в экологических исследованиях все большее распространение получили люминесцентные методы оценки физиологического состояния растений (Погосян и др. 2002; Рубин, Кренделева, 2004). Эти методы обладают высоким быстродействием, точностью, позволяют проводить измерения на растительных объектах в природных условиях. Широкий круг исследований, проводимых методами измерения флуоресценции хлорофилла фотосинтезирующих организмов, показал, что соотношение интенсивности флуоресценции хлорофилла при насыщающем фотосинтез возбуждающем свете (Fm) и при облучении низкоинтенсивным светом, не вызывающем изменений состояния ФСА (Fo), позволяет определить эффективность утилизации света в ходе фотосинтеза, которая равна Fm-Fo/Fm. Эта безразмерная энергетическая характеристика фотосинтеза, аналогичная коэффициенту полезного действия, является универсальной и не зависит от видовой специфики организма. Показано, что по флуоресценции хлорофилла, возбуждаемой источниками импульсного света, можно определить такие показатели долгосрочной адаптации к условиям выращивания объекта, как размеры фотосинтетической антенны фотосистемы 2 (ФС 2) и величину пула хинонов (Kolber et al., 1998). В ответ на длительное (десятки минут) воздействие света можно определить величину потока электронов по цепи фотосинтетического электронного транспорта и оценить возможности системы срочной защиты от избыточного облучения по нефотохимическому тушению (Бухов, 2004).
Использование флуоресцентных методов исследования состояния ФСА конкретных природных объектов (высшие растения, водоросли) требует разработки специальной аппаратуры. Для высших растений представляет интерес как исследование отдельных органов (листья, побеги), так и интегральные характеристики растения в целом, а также посева (группы) растений. Для исследования природных популяций водорослей интерес представляет распределение фитопланктона в толще воды, а также исследование индивидуальных клеток массовых видов фитопланктонных сообществ.
Цель работы. Разработка и совершенствование флуорометрических методов биоиндикации, а также аппаратуры для определения функционального состояния ФСА высших растений и микроводорослей в лабораторных и природных условиях.
Задачи работы.
- Выбор оптимальных условий измерения параметров флуоресценции
хлорофилла "а", отражающих состояние ФСА водных и наземных растений.
- Разработка комплекса приборов для контактных измерений флуоресценции
хлорофилла суспензий водорослей, одиночных клеток водорослей и других
микрообъектов, а также ассимиляционных тканей высших растений.
- Разработка дистанционных флуорометрических методов и приборов для
определения функционального состояния ФСА растений.
- Определение функционального состояния ФСА по параметрам
флуоресценции хлорофилла в лабораторных и природных условиях при помощи
разработанных методов.
Научная новизна. Впервые создан комплекс аппаратуры, позволяющий проводить исследования обилия и функционального состояния фитопланктона in situ на станциях до глубин 200м и в непрерывном режиме по ходу судна, а также определять адаптационные характеристики ФСА фитопланктона в пробах воды и состояние популяций определенных видов водорослей в составе фитопланктонного сообщества. Разработана новая методология и предложен цикл взаимосвязанных флуоресцентных измерений, проведение которых позволяет охарактеризовать функциональное состояние отдельных клеток, популяций водорослей и всего фитопланктонного сообщества в естественных условиях и при действии стрессовых факторов. Впервые создан дистанционный флуорометр, позволяющий оценивать фотосинтетическую активность и измерять скорость прироста биомассы посева растений. Разработан новый портативный прибор для натурных измерений и оценки состояния ФСА ассимиляционных тканей высших растений. В результате проведенных работ выбраны оптимальные условия измерения флуорометрических показателей функционального состояния ФСА различных объектов (индивидуальных клеток водорослей высших растений, фитопланктонных организмов в природной среде, ассимиляционных тканей высших растений и их посевов).
Выработаны рекомендации для создания автоматизированных систем экологического мониторинга фитопланктонных сообществ на основе флуорометрических методов определения функционального состояния ФСА.
Практическое значение. Результаты работы использованы для исследования состояния микроводорослей при действии различных факторов (свет, токсические вещества, дефицит минерального питания), а также для оценки состояния ФСА высших растений в космической оранжерее и лабораторных посевах.
Разработанная аппаратура была использована в оценке состояния зеленых насаждений г. Москвы, в экспедиционных работах по оценке состояния фитопланктонных сообществ Черного, Каспийского, Балтийского и Южно-Китайского морей, озер: Байкал, Иссык-Куль.
Полученные результаты и оборудование используются в учебном процессе на кафедре Биофизики Биологического ф-та МГУ. Результаты работы привлекаются для чтения лекций и проведения практикума по Экологической биофизике и на Большом практикуме кафедры.
Апробация работы. Результаты исследований представлены на Международном симпозиуме (Москва, 2001), Третьем Всероссийском съезде фотобиологов (Воронеж, 2001), Третьем съезде биофизиков (Воронеж, 2004), Симпозиуме 'Люминесценция и фотосинтез морского фитопланктона' (Краков, Польша, 2003, Сопот, Польша, 2005).
Результаты работы были доложены и обсуждены на научных семинарах кафедры Биофизики МГУ, а также ИОРАН, ИМБП и ИОПАН (Польша).
Публикации. По теме опубликовано 14 работ.
Объем и структура работы: Диссертация изложена на 117 стр. и состоит из введения, обзора литературы, изложенных по главам результатов, обсуждения результатов, выводов и списка литературы, который включает 139 источников. Диссертация иллюстрирована 34 рисунками и 11 таблицами.
|
