WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


Pages:     || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 12 |
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ ГОУ ВПО «МАРИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ» БОЛЬШОЙ ПРАКТИКУМ ПО БИОЭКОЛОГИИ Учебное пособие Ч а с т ь 1 Йошкар-Ола 2006 ББК Е 081.я7 УДК 574.24 Б 799 Рецензенты: С.И. Новоселов, д-р с./х. наук, профессор МарГУ;

Р.Р. Иванова, канд. биол. наук, доцент МарГТУ Рекомендовано к изданию редакционно-издательским советом МарГУ Воскресенская О.Л.

Б 799 Большой практикум по биоэкологии. Ч. 1: учеб. пособие / Мар.

гос. ун-т; О.Л. Воскресенская, Е.А. Алябышева, М.Г. Половникова. – Йошкар-Ола, 2006. – 107 с.

ISBN 5-94808-239-3 Учебное пособие охватывает экспериментальные методы исследований, касающиеся различных уровней биологического мониторинга. В I часть «Большого практикума по биоэкологии» вошли методы, позволяющие проводить исследования на клеточном, организменном и ценотическом уровнях организации живого (на примере растений). Под влиянием факторов окружающей среды показаны варьирование химического состава растений, накопление и перераспределение макроэлементов и тяжелых металлов, изменение активности антиоксидантных ферментов и содержания витаминов.

Предназначено для студентов, аспирантов, преподавателей вузов, специалистов, занимающихся вопросами экологии и охраны окружающей среды.

ББК Е 081.я7 УДК 574.24 © Воскресенская О.Л., Алябышева Е.А., Половникова М.Г., 2006 ISBN 5-94808-239-3 © ГОУ ВПО «Марийский государственный университет», 2006 2 СОДЕРЖАНИЕ ВВЕДЕНИЕ……………………………………………………………... 5 РАЗДЕЛ I. МЕХАНИЗМЫ УСТОЙЧИВОСТИ И СТРУКТУРА АДАПТАЦИОННОГО ПРОЦЕССА У РАСТЕНИЙ... 7 ГЛАВА 1. Физиологические подходы при изучении адаптаций растений к избытку тяжелых металлов…………………………..… 7 ГЛАВА 2. Изменение активности антиоксидантных ферментов растений в условиях урбанизированной среды……………….…… 16 ГЛАВА 3. Распределение минеральных элементов в системе «растение-экотоп»……………………………………..…………….. 21 РАЗДЕЛ II. ЭКОЛОГО-ФИЗИОЛОГИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ОЦЕНКИ УСТОЙЧИВОСТИ РАСТЕНИЙ К СТРЕССОВЫМ ВОЗДЕЙСТВИЯМ……………………………………………………... ГЛАВА 4. Особенности биологического круговорота макроэлементов……………………………………………………… 4.1. Подготовка образца для анализа…………………………….. 4.2. Методы озоления растений…………………………………... 4.2.1. Метод мокрого озоления………………………………… 4.2.2. Метод сухого озоления…………………………………... 4.3. Определение количества золы……………………………….. 4.4. Определение содержания общего азота…………………….. 4.4.1. Определение содержания общего азота с помощью реактива Несслера………………………………………………. 4.4.2. Определение азота хлораминным методом…………….. 4.5. Определение фосфора по «синему» фосфорномолибденовому комплексу……………………………. 4.6. Определение калия методом пламенной фотометрии……... 4.7. Определение хлоридов колориметрическим методом……... ГЛАВА 5. Методы определения содержания металлов в растениях при различных условиях произрастания……………... 5.1.Определение железа с о-фенантролином……………………. 5.2. Определение меди с диэтилдитиокарбаматом……………… 5.3. Определение цинка с дитозаном…………………………….. 5.4. Определение никеля с диметилглиоксимом………………... ГЛАВА 6. Формирование у растений биохимических адаптаций в условиях техногенеза……………………………………………… 6.1. Методы определения стрессовых белков…………………… 6.1.1. Определение белка с раствором Фолина (метод Лоури) 6.1.2. Определение свободного пролина………………………. 6.2. Методы определения активности ферментов………………. 6.2.1. Определение активности пероксидазы (I.II.I.7)………... 6.2.2. Определение активности полифенолоксидазы (I.I0.3.1). 6.2.3. Определение активности каталазы (I.II.I.6)…………….. 6.2.3.1. Определение активности каталазы титрометрическим методом………………………………. 6.2.3.2. Газометрический метод определения активности каталазы……………………………………………………….. 6.2.4. Определение активности аскорбатоксидазы (I.I0.3.3)…. 6.2.5. Определение активности АТФ-азы……………………... 6.3. Методы определения витаминов…………………………….. 6.3.1. Определение аскорбиновой кислоты…………………… 6.3.2. Определение рутина……………………………………… 6.3.3. Определение витамина РР……………………………….. 6.3.4. Определение содержания каротинов……………………. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ…………………………………………… ПРИЛОЖЕНИЕ I…………………………………………………….. ПРИЛОЖЕНИЕ II……………………………………………………. ВВЕДЕНИЕ Проблема загрязнения окружающей среды неслучайно стала одной из злободневных проблем современности. В связи с интенсивным развитием промышленности и транспорта в атмосферу, гидросферу и почву поступает все большее количество вредных веществ. Одним из возможных путей подхода к рассматриваемой проблеме с позиций современной экологии является выявление антропогенного загрязнения объектов окружающей природной среды с помощью методических приемов, основанных на оценке состояния, как отдельных особей, подвергшихся воздействию ксенобиотиков, так и сообщества в целом.

Комплексную оценку качества природной среды можно дать только при сочетании физико-химических методов исследований с биологическими. В настоящее время наиболее перспективными объектами исследования являются растительные организмы, чутко реагирующие даже на ранние симптомы нарушения состояния окружающей природной среды.

Выносливость растений к стрессовым нагрузкам является сложным физиологическим свойством, которое формируется на разных уровнях структурной организации растительного организма, начиная с молекулярного и вплоть до популяционного и биоценотического.

Существующие физиологические, биохимические и биофизические методы оценки устойчивости растений не в полной мере отражают механизмы эколого-физиологических адаптаций растений к техногенным нарушениям экотопа, особенно в условиях городской среды.

Предлагаемое издание начинает серию учебных пособий «Большой практикум по биоэкологии» для студентов специальности 013500 – «Биоэкология». Это первая часть такого издания. В отличие от существующих руководств по данной дисциплине, в учебном пособии предпринята попытка анализа полученных данных с описанием адаптационных механизмов, возникающих на различных уровнях организации живого, что позволит использовать каждый выпуск в качестве справочного пособия более широкому кругу специалистов.



Программа большого практикума согласуется с программами основных дисциплин, проводимых для студентов специальности 013500 – «Биоэкология». В книге учитываются как требования действующих государственных стандартов в области содержания общебиологического образования, так и современных проблем экологии.

Для обеспечения восприятия и усвоения материала пособия авторы выделяют два раздела. Первый раздел «Механизмы устойчивости и структура адаптационного процесса у растений» состоит из трех глав:

«Физиологические подходы при изучении адаптаций растений к избытку тяжелых металлов» (автор: Воскресенская О.Л.), «Изменение активности антиоксидантных ферментов растений в условиях урбанизированной среды» (автор: Половникова М.Г.), «Распределение минеральных элементов в системе «растение-экотоп» (автор: Алябышева Е.А.).

Первые две главы включают обобщение результатов собственных исследований авторов, посвященных изучению адаптации растений к избытку тяжелых металлов и техногенному загрязнению природной и урбанизированной среды на клеточном и организменном уровнях. В третьей главе дано построение полиграмм распределения минеральных элементов у растений в зависимости от этапа онтогенеза, приведен расчет коэффициентов накопления и перераспределения минеральных элементов, показана продуктивность ценопопуляций растений.

Во втором разделе пособия «Эколого-физиологические методы оценки устойчивости растений к стрессовым воздействиям» приводятся методики исследований, апробированные в Марийском государственном университете: определение содержания N, P, K, Cl, тяжелых металлов (Zn, Cu, Fe, Ni), исследование активности антиоксидантных ферментов (каталазы, пероксидазы, полифенолоксидазы и др.), АТФ-азы и изменение содержания витаминов.

В «Большом практикуме по биоэкологии» приводятся лабораторные работы, предусматривающие возможность использования растений, произрастающих как в природных условиях, так и выращенных в лабораторных условиях. Практические работы рассчитаны на четырехшестичасовые занятия.

В ряде глав пособия приводятся современные экологические термины, в приложениях представлены примеры приготовления растворов различных концентраций; вспомогательные материалы, включающие сведения о плотности растворов, буферных растворах, свойствах индикаторов и др.

Авторы считают, что освоение изложенных в пособии методов исследований, необходимо для получения навыков экспериментальной работы студентами в учебном процессе. Кроме того, представленные в «Большом практикуме по биоэкологии» подходы могут быть с успехом использованы в научных исследованиях преподавателями, при подготовке курсовых и дипломных работ студентами и диссертационных работ аспирантами экологических, биологических и природоохранных специальностей.

Р А З Д Е Л I МЕХАНИЗМЫ УСТОЙЧИВОСТИ И СТРУКТУРА АДАПТАЦИОННОГО ПРОЦЕССА У РА СТЕНИЙ Г Л А В А ФИЗИОЛОГИЧЕСКИЕ ПОДХОДЫ ПРИ ИЗУЧЕНИИ АДАПТАЦИЙ РАСТЕНИЙ К ИЗБЫТКУ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ Среди токсических веществ, загрязняющих окружающую среду, тяжелые металлы занимают особое место, поскольку в отличие от других неустойчивых и быстро трансформирующихся загрязнителей, соединения тяжелых металлов довольно устойчивы и сохраняют свое токсическое действие в течение длительного времени.

Различные виды растений отличаются по способности к накоплению тяжелых металлов. Растения, аккумулирующие элемент, даже в условиях его относительного дефицита в почве, называют аккумуляторами. Виды, накапливающие элемент прямо пропорционально его уровню в среде называются индикаторами. Их удобно использовать в биомониторинге. Наконец, растения, в которых уровень элемента длительное время остается на низком уровне даже при его избытке в среде называются отражателями (Чиркова, 2002).

Любой тяжелый металл, накапливаясь в растениях в большом количестве, может конкурировать с физиологически важными металлами, в том числе с железом, за места в активных центрах каталитических систем, инактивируя их и нарушая тем самым важнейшие функции растительного организма, в том числе фотосинтез и дыхание (Чернавина, 1970).

Выяснение механизма повреждающего действия избыточных концентраций тяжелых металлов на растения может проявиться в нарушении поступления и распределения других минеральных элементов, ингибировании фотосинтеза, нарушением транспорта ассимилятов, изменением водного и гормонального статуса, торможением роста и др.

(Кузнецов, Дмитриева, 2005).

Изучение влияния избытка тяжелых металлов на физиологические процессы растений описано в ряде наших работ (Чернавина, Воскресенская, 1984; Воскресенская, Чернавина, Аксенова, 1986; Воскресенская, 1987, 1989; Аксенова, Воскресенская, 1987, 1990; Воскресенская, Аксенова, Гужова, 1991; Половникова, Воскресенская, 2004; Буданова, 2006 и др.).

В данной работе объектом исследования служили растения овса (Avena sativa L.) сорт Сельма, выращенные методом водных культур на 1/5 смеси Кнопа с добавлением микроэлементов по Хогланду. Схема опытов включала 2 варианта: 1 вариант (контроль) – норма цинка (0,мг/л) и железа (5 мг/л); 2 вариант – избыток цинка (60 мг/л) и норма железа (5 мг/л). Семена овса проращивали в кювете, затем высаживали на сутки на дистиллированную воду в стеклянные 3-х литровые сосуды; на следующий день растения переносили на питательные растворы с рН=5,4. Через 3-4 дня растворы заменяли на свежие. Растения анализировали через 7-6 суток после высаживания их на питательную смесь.





О мембранной проницаемости клеток судили по скорости выхода электролитов из тканей, которую оценивали кондуктометрическим методом (Гужова и др., 1985). Содержание ионов калия в среде инкубации корней определяли на пламенном фотометре. Измерение интенсивности сверхслабого свечения проводили на квантометрической установке с фотоэлектроумножителем ФЭУ-79 (Тарусов и др., 1972). Содержание цинка, меди и железа определяли спектрофотометрическим методом (Чернавина и др., 1978).

Как показали результаты работы (табл. 1), использованная доза цинка была токсичной для растений овса, о чем свидетельствовали внешние симптомы повреждения: растения отставали в росте, листья имели более светлую окраску, были свернуты в трубочку, а корни значительно укорочены, утолщены, с желтоватым оттенком. При этом значительно задерживался рост, как всего растения, так и особенно корней.

Следовательно, рост корня более чувствителен к избытку тяжелых металлов, чем рост побега. На 40% уменьшалась и сухая масса растений.

Таблица Влияние избытка цинка на рост и сухую массу растений овса Содержание в Длина, см Сухая масса, мг среде Zn, мг·л-1 целое растение корень целое растение корень 0,06 (контроль) 17,1±1,3 11,0±0,7 14,6±1,2 4,1±0,11,3±0,8 4,9±0,4 8,5±0,5 2,4±0,(избыток цинка) Одной из причин угнетающего действия высоких доз цинка в среде произрастания на растения овса могло быть избыточное поступление его в растения. Действительно, как показали результаты нашей работы, содержание цинка в листьях опытных растений превышало его содержание по сравнению с контрольными растениями в 4 раза, а в корнях – в 5 раза (табл. 2).

Известно (Чиркова, 2002), что те или иные части растения реагируют на увеличение концентрации элемента в окружающей среде по-разному.

Если поступление элемента прямо пропорционально его содержанию в окружающей среде, то такой тип накопления называется безбарьерным. Он в большей степени определяется концентрацией элемента, чем свойствами растений, и характерен для клеток корней. В листьях в основном отмечается барьерный тип поступления тяжелых металлов.

Таблица Влияние избытка цинка на его содержание в растениях овса Сухая масса, мг·г-Содержание в среде Zn, мг·л-листья корни 0,06 (контроль) 0,07±0,01 0,08±0,60 (избыток цинка) 0,26±0,01 0,43±0,Накопление избыточных количеств цинка в тканях растений овса могло вызвать нарушение структурно-функциональных свойств плазмалеммы. Косвенным свидетельством этого явилось изменение скорости выхода внутриклеточных электролитов. Мы изучили динамику вымываемости ионов из тканей овса в процессе их роста на растворах с избытком цинка и обнаружили двухфазный характер этого процесса (рис. 1).

Так, в течение первых 4-х суток экспозиции растений на средах с избытком цинка скорость выхода электролитов из тканей корней овса практически не изменялась. Во вторую фазу развития цинкового токсикоза (5-7 сутки роста на растворах), по-видимому, произошло нарушение барьерной функции мембран.

Сразу же после пересаживания растений на свежие растворы наблюдалось некоторое снижение скорости выхода ионов, которое затем сменилось постепенным ее нарастанием, и к 7-м суткам роста мембранная проницаемость возросла более чем на 20% по сравнению с контролем.

% 1 2 3 4 5 6 время роста, сут.

I II Рис. 1. Динамика вымываемости электролитов из корней овса (I – контроль; II – Zn60Fe5) Известно, что основным ионом, вымываемым из тканей и обуславливающим электропроводность растворов, в которых инкубируются эти ткани, является ион калия (Горина, I988). Наши опыты также свидетельствуют об этом (рис. 2).

варианты опыта I II Рис. 2. Динамика вымываемости ионов калия из корней овса (I – контроль; II – Zn60Fe5) Определения, проведенные с растениями, росшими 7 суток на среде с избытком цинка, показали, что увеличение проницаемости плазмалеммы корней, наблюдаемое в это время, коррелируют с вымываемостью ионов калия. Корни растений обладают определенными мехамк экв г-1 сыр. массы низмами защиты растений от токсического действия тяжелых металлов, которые обеспечивают сохранение постоянства внутренней среды (Алексеева-Попова, 1983). Однако, при большом избытке металла в окружающей среде защитные авторегуляторные механизмы корневой системы «срываются», избыточные ионы поступают в корень и надземную часть растений (Ковда и др., 1980). Полученные нами данные подтверждают эти наблюдения и свидетельствуют о сохранении мембранами клеток функции барьера проницаемости в первую фазу развития цинкового токсикоза и нарушении этой функции во вторую фазу. По-видимому, нарушения мембранной проницаемости могут быть обусловлены, либо нарушением работы ионтранспортных систем, либо деструктивными повреждениями мембран.

Одной из неспецифических реакций живого организма на повреждения мембран является ускорение свободнорадикальных процессов (Tomson, 1987). Изучение уровня биохемилюминесценции корней овса, выросших в нормальных условиях и при избытке цинка, показало, что интенсивность свечения корней опытных растений была значительно выше таковой контрольных растений (табл. 3).

Pages:     || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 12 |










© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.