Исследовательская работа "Влияние автошампуня на высшее водное растение Elodea canadensis"

ПЛАН ИССЛЕДОВАНИЙ

Современный автомобиль - сложное устройство, состоящее из десятков тысяч деталей, выполненных из самых различных материалов, работающих в неодинаковых условиях и режимах. Отсюда вытекает необходимость иметь достаточно широкий ассортимент химических средств для ухода за ним. Многие работы по уходу за автомобилями, особенно с применением химических средств, удобнее, конечно, проводить на станциях технического обслуживания. Но это совсем не исключает индивидуального использования средств автокосметики (автошампуня), которые бесконтрольно попадают в воду, оказывая негативное влияние на сообщества организмов, окружающих человека.

Попадая в водную среду, синтетические поверхностно-активные вещества (СПАВ) образуют плёнку на границе раздела фаз, что приводит к изменению качества потоков абиотических факторов. Снижается светопропускная способность на границе раздела фаз, затрудняется обмен газами. Попадая в водоёмы, СПАВ активно участвуют в процессах перераспределения и трансформации других загрязняющих веществ (таких как цинк, канцерогенные вещества, тяжёлые металлы и др.), активизируя их токсическое действие. Даже незначительные концентрации СПАВ (0,05-0,10 мг/дм3) в воде активизируют токсичные вещества, адсорбированные на донных отложениях.

Поэтому экологическое равновесие, т. е. сохранение биологических систем, может быть нарушено в результате деятельности человека. В этом случае следует говорить о нарушении экологии, или напряженности экологической обстановки (Одум, 1986).

Актуальность темы

Исследования влияния различных химических соединений ростовые процессы растения, общее его состояние и на биологические молекулы клеток, в том числе на ферменты, весьма актуальны в настоящее время, поскольку они дают возможность выявить новые тест-функции для мониторинга окружающей среды.

Большое количество работ посвящено изучению влияния соединений тяжелых металлов на живые организмы растительного и животного происхождения. В меньшей степени в литературе представлены данные о влиянии органических соединений.

 Цель данной работы - изучение влияния  автошампуня (АШ) на высшее водное растение элодея канадская (Elodea canadensis), содержащееся в модельном водоёме.

Объектом исследования служила элодея канадская (Elodea canadensis).

Гипотеза: Верно ли, что, если воздействовать на высшее водное растение Elodea canadensis раствором АШ, то это приведёт к изменению его общего состояния, ростовых процессов и активности фермента каталазы, содержащегося в тканях.

Задачи исследования:

1. Установить влияние АШ на ростовые процессы и общее состояние высшего водного растения Elodea canadensis. 
2. Изучить сезонные изменения активности каталазы элодеи канадской (при содержании её в чистом модельном водоёме).
3. Оценить активность каталазы из группы фермента антиоксидантной защиты в тканях высшего водного растения Elodea canadensis в ответ на действие АШ.

Научная новизна

Каталаза (КФ 1.11.1.7) - весьма распространенный фермент, она находится почти во всех аэробно дышащих клетках и у некоторых факультативных анаэробов. Функция каталазы заключается в защите организма от активных кислородсодержащих радикалов и пероксида водорода.

Впервые проведено  исследование реакции фермента антиоксидантной защиты каталазы в тканях Elodea canadensis в ответ на действие АШ.

Практическая значимость работы

Материалы и выводы исследования могут найти применение для биоиндикации состояния воды пресных водоёмов посредством изменения биопродуктивности и некоторых химических показателей тканей высшего водного растения Elodea canadensis. Данные исследовательской работы могут быть использованы в учебном процессе.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

1. Определение влияния АШ на ростовые процессы и общее состояние высшего водного растения Elodea canadensis. 

Экспериментальные сосуды с элодеей располагали у окон на дневном рассеянном свету (с южной стороны). В среде поддерживали оптимальную для данного вида растения температуру (17 до 22ºС). Объем экспериментальной среды не менее 1 дм3. Показатель рН водной среды контроля 7,0-7,3.

У элодеи отсекали зеленые верхушечные побеги длиной 8-10 см без боковых отростков и корней, не имеющих видимых повреждений. В течение 7-10 дней растения проходило акклиматизацию при комнатной температуре, достаточной освещенности и при частичной смене воды каждые 3-5 суток.

Для экспериментов использовали верхнюю часть побега элодеи длиной 4 см без боковых отростков и корней. 

На 1 дм3 воды помещали по 1 растению элодеи. Все растения подбирали одного размера-5 см с верхушечной почкой.

При изучении влияния АШ на элодею канадскую вели регистрацию следующих показателей: выживаемость, цвет растения, повреждение точек роста, распад растения на отдельные мутовки, рост боковых побегов.

2. Приготовление растворов автошампуня.

           Для оценки влияния токсиканта на элодею канадскую готовили растворы автошампуня Crodasinic LS30 компании Croda (1:10; 1:20; 1:30, 1:40). Каждой концентрации раствора было присвоено название соответствующей дозы: Д 1, Д 2, Д 3, Д 4.

3. Приготовление биологического материала.

В качестве исходного материала для исследований использовался экстракт стеблей и листьев элодеи канадской. Экстракт готовили путём гомогенизации 2 г листьев и стеблей элодеи с небольшим количеством кварца, 0,5 г мела и дистиллированной воды. Затем полученную массу переносили в мерную колбу на 25 мл и доводили до метки дистиллированной водой. Экстракт немедленно фильтровали и использовали для исследований.

4. Методика оценки активности каталазы.

Исследования влияния АШ на активность каталазы проводили в модельной экосистеме, т. к. это позволило исключить влияние других факторов на активность каталазы. Используемая в нашем эксперименте модель включает следующие факторы:

 а) постоянные - общий объем воды (9 л), прозрачность воды, количество и состав грунта (0,5 кг), температурный режим (18-19 °С), освещённость;

б) переменные - концентрация токсиканта АШ, время воздействия токсиканта.

Точность эксперимента определялась тремя повторностями.

Активность каталазы определяли газометрическим методом. Метод определения активности фермента основан на способности каталазы разлагать пероксид водорода с выделением газообразного кислорода. Поскольку количество пероксида водорода, подвергнувшегося разложению, зависит от активности фермента, то возможно по количеству кислорода и скорости его выделения судить об активности каталазы:

2Н2О2 → 2Н2О + О2↑

Для опыта брали навеску листьев и побегов растения массой 4 г, добавляли 0,2 г мела (для придания щелочной реакции), щепотку песка и тщательно растирали в ступке с небольшим количеством дистиллированной воды. Растёртую массу по воронке переносили в мерную колбу на 100 мл и доводили дистиллированной водой до метки. Затем растительный экстракт оставляли постоять на 15 минут. По истечении времени, из колбы с помощью мерной пипетки брали 10 мл экстракта вместе со взвесью и переносили в одно отделение реакционного сосуда каталазника. В другое отделение сосуда помещали 5 мл пероксида водорода. Реакционный сосуд подсоединяли к остальной части прибора каталазиметра. Жидкость в измерительной бюретке устанавливали на ноль. Движением реакционного сосуда смешивали находящиеся там жидкости. Отмечали количество вытесненной жидкости через 5 минут. Опыт проводили в трехкратной повторности и по средним значениям построили график активности фермента каталазы в зависимости от времени.

Влияние автошампуня на высшее водное растение

Elodea canadensis

Набиева Вилена

Российская федерация

Тюменская область

Ханты-Мансийский автономный округ-Югра

г. Ханты-Мансийск

Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение

«Средняя общеобразовательная школа №2», 9В  класс

Научная статья

РЕЗУЛЬТАТЫ И КРАТКИЙ ИХ АНАЛИЗ

1. Определение влияния АШ на ростовые процессы и общее состояние высшего водного растения Elodea canadensis.

Таблица 1

Общее состояние растения элодеи канадской

при действии на него растворами АШ разной концентрации

Из таблицы видно, что Доза 4 раствора АШ практически не действует токсично на растение элодеи канадской. При действии дозой 3 раствора АШ на растение отмечается его распад на отдельные мутовки на десятые сутки. На пятнадцатые сутки этот показатель увеличивается и далее не изменяется. Доза 2 АШ вызывает поражение растения на пятнадцатые сутки. К концу опыта этот показатель увеличивается. Доза 1 раствора АШ вызывает сильное поражение растения на десятые сутки, а к концу опыта оно распадается на отдельные мутовки.

Вели наблюдения за ростом боковых побегов при действии растворов АШ разной концентрации. Результаты представлены в таблице 2.

Таблица 2

Рост боковых побегов при действии раствора АШ на Elodea canadensis

Из таблицы видно, что в первые пять суток самые активные ростовые процессы (5 боковых побегов со средней длиной главного побега 0,4 см) наблюдались в случае высокой концентрации АШ (Д 1). Чуть медленнее они протекали в случае Д 2. В растворе с низкой концентрацией на пятые сутки отмечали 3 боковых побега со средней длиной главного побега 0,2 см. А в контроле появилось 3 боковых побега с длиной главного 0,4 см, т.е. количество побегов в сравнении с растворами высокой концентрации меньше, но  длина главного побега одинаковая.

На десятые сутки самое большое количество боковых побегов отмечалось в случае  низкой концентрации АШ (Д 4). В контроле оно увеличилось на один, а в растворах с высокой (Д 1) и средними значениями концентрации АШ не изменилось. Самый активный рост основного побега отмечался в контроле и чуть менее активный рост побега в растворе с низкой концентрацией АШ. В случае дозы 1 и 2 рост побега замедлился по сравнению с первыми пятью сутками.

В следующие пять суток количество боковых побегов в случае доз АШ 1, 3 , 4 и в контроле не изменилось, а длина основного побега больше всего увеличилась в случае контроля.

 На 20-е сутки в растворе с низкой концентрацией АШ (Д 4) появилось шесть боковых побегов при длине главного побега 0,72 см. В случае дозы 3 (Д 3) - пять боковых побегов с длиной главного побега 0,64 см. В растворе с концентрацией АШ 1:30 (Д 2) - пять побегов с общей длиной 0,59 см. В растворе с высокой концентрацией (Д 1) наблюдалось несущественное увеличение длины главного побега, которая составила 0,5 см, а количество боковых побегов не изменилось (5 побегов). Активные ростовые процессы протекали в контроле, где длина главного побега составила 1,8 см.

2. Сезонные изменения активности каталазы элодеи канадской (при содержании в чистом модельном водоёме)

Исследования проводились в период май-июнь и сентябрь-октябрь 2012-2013 гг. Определение активности каталазы элодеи канадской в отсутствии токсиканта показало сезонные изменения.

Рис. 1. Изменение активности каталазы элодеи канадской (при содержании в чистом модельном водоёме) в период май-июнь и  сентябрь-октябрь

В летний период активность каталазы была ниже, чем в осенний. Вероятно, повышение активности каталазы в осенний период связано с накоплением за период вегетации перекисных соединений.

3. Оценка изменения активности каталазы в тканях высшего водного растения Elodea canadensis в ответ на действие автошампунем.

Изучение влияния АШ на активность каталазы проводили на 20 сутки.

Таблица 3

Определение активности каталазы

На основе таблицы построили график (рис. 3).

Рис. 2. Зависимость объёма выделившегося кислорода от концентрации АШ

Как видно из представленных данных, АШ в дозе 4 не оказывает влияния на активность исследуемого фермента. При воздействии токсиканта в дозе 3, 2 и 1 наблюдается повышение активности каталазы. Такой рост активности фермента может быть вызвано двумя причинами: либо АШ  ускоряет синтез белка в элодее канадской, либо активизирует каталазу.

ВЫВОДЫ

В ходе проведённых нами исследований было выявлено, что растения Elodea canadensis испытывают стресс в ответ на действие АШ.

1. Обработка растения Elodea canadensis раствором АШ приводит к необратимым изменениям в тканях элодеи канадской к десятым суткам эксперимента и к уменьшению ростовых процессов.
2. Определение активности каталазы элодеи канадской в отсутствии токсиканта показало сезонные изменения. В летний период активность каталазы была ниже, чем в осенний.
3. Повышение концентрации АШ в растворе приводит к изменению эколого-биохимического состояния высшего водного (погруженного) растения, выражающееся в повышении с первых суток активности фермента каталазы.

Представленные методы исследования изменение биопродуктивности,  каталазной активности имеют важное значение, так как они отражают изменение состояния живых организмов в результате воздействия СПАВ. В частности, такой метод как изменение активности каталазы помог обоснованно сделать выводы о том, что поступление АШ может вызвать серьезные изменения водной экосистемы реки. Чтобы это исключить, необходимо предпринимать меры (способы очистки) по попаданию подобных СПАВ в водоёмы. Например:

1. Необходимо регулярно  следить за степенью загрязнения водоёмов отходами автомоек, которые содержат средства автокосметики.
2. Свести к минимуму загрязнение водоёмов путём использования современных замкнутых водоочистительных установок.

В перспективе мы планируем оценить влияние автошампуня на дыхание высшеговодного растения элодея канадская (Elodea canadensis).

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1.  Бабанов Г.П., Бабанов А.Г., Буров Ю.А. и др. К механизму действия поверхностно-активных веществ на организм // Сравнительные исследования изменений физиологических функций под влиянием естественных и синтетических детергентов. Ярославль:. Ярослав. гос. ун-т. 1976.
2. Зилов Е. А. Модельные экосистемы и модели экосистем в гидробиологии / Е. А. Зилов, Д. И. Стом. Иркутск: Изд-во унта, 1992.-72 с.
3. Королюк М.А., Иванова Л.И., Майорова Н.О., Токарев В.Е. Метод определения активности каталазы // Лабораторное дело. 1988. №1. С. 16. 5. Краткая химическая энциклопедия. М.: Советская энциклопедия, 1963. С. 455-456.
4.  Мизинцев В.П. Применение моделей и методов моделирования в дидактике. М.: Знание, 1977. С. 4-7,26-31.
5. Мурзин И. Р., Макурина О. Н. «Изучение влияния поверхностно-активных веществ на морфометрические характеристики и содержание фотосинтетических пигментов водных растений» // Материалы Международной научно-практической конференции, 26-27 марта 2009 г. «Теоретические и прикладные проблемы социально-правовых, медико-биологических и технико-экономических сфер жизни общества». Курск, 2009. С. 187 – 188.