Оценка токсичности редкоземельных элементов La и Ce по ответным реакциям цианобактерий

М.А. Сысолятина; А.С. Олькова; Е.В. Коваль

doi:10.25514/CHS.2022.1.21012

М.А. Сысолятина Вятский государственный университет, г. Киров, Кировская область, Россия https://orcid.org/0000-0002-7671-3993
А.С. Олькова Вятский государственный университет, г. Киров, Кировская область, Россия https://orcid.org/0000-0002-5798-8211
Е.В. Коваль Государственный аграрный университет Северного Зауралья, г. Тюмень, Россия https://orcid.org/0000-0003-3179-1557

DOI: https://doi.org/10.25514/CHS.2022.1.21012

Ключевые слова: Лантан, церий, биотестирование, цианобактерии, окислительный стресс

Аннотация

Для объективной оценки экологического состояния окружающей среды необходимо иметь достоверную информацию о наиболее чувствительных тест-организмах к определенным веществам. В настоящее время редкоземельные элементы (РЗЭ) становятся все более востребованными в высокотехнологичных отраслях промышленности, при этом для них не разработаны санитарные и природоохранные нормативы. Исходя их этих позиций, целью нашей работы было сравнение чувствительности трех видов цианобактерий (ЦБ) к низким дозам La³⁺ и Ce³⁺. Проводили биотестирование растворов сульфатов La и Ce по реакциям Nostoc muscorum Ag., Nostoc paludosum Kütz. и Nostoc linckia (Roth.) Born and Flah. Расчетные концентрации La³⁺ и Ce³⁺были равны 0,0001 и 0,001 мг/л. Установлено, что по содержанию хлорофилла а и концентрации малонового диальдегида (МДА) чувствительность цианобактерий к РЗЭ убывает в следующем ряду: N. linckia > N. paludosum > N. muscorum. У наиболее чувствительного вида N. linckia в растворе «0,001 мг/л La³⁺» зафиксировано снижение количества хлорофилла а в 4,2 раза по сравнению с контролем, а также одновременное возрастание уровня МДА в 2,2 раза. Показано, что ЦБ N. linckia демонстрирует классическую картину окислительного стресса в ответ на действие ионов La³⁺ и Ce³⁺. Этот тест-организм можно рекомендовать для биомониторинга водных объектов, подверженных потенциальному влиянию РЗЭ.

Литература

Vonshak, A. (2002). Spirulina platensis (Arthrospira): physiology, cell-biology, and biotechnology; Editor A. Vonshak, Taylor & Francis Ltd: London, UK.

Klanchui, A., Cheevadhanarak, S., Prommeenate P., & Meechai A. (2017). Exploring Components of the CO2-Concentrating mechanism in alkaliphilic cyanobacteria Through Genome-Based analysis. Computational and Structural Biotechnology Journal, 15, 340–350. https://doi.org/10.1016/j.csbj.2017.05.001

Dittmann, E., Gugger, M., Sivonen, K., & Fewer, D.P. (2015). Natural product biosynthetic diversity and comparative genomics of the cyanobacteria. Trends Microbiol, 23(10), 642–652. https://doi.org/10.1016/j.tim.2015.07.008

Chakdar, H., Jadhav, S.D., Dhar, D.W., & Pabbi, S. (2012). Potential application of blue green algae. J. Scientific and Industrial Research, 71, 13–20.

Fokina, A.I., Ogorodnikova, S.YU., Domracheva, L.I., Lyalina, E.I., Gornostaeva, E.A., Ashikhmina, T.YA., & Kondakova, L.V. (2017). Cyanobacteria as Test Organisms and Biosorbents. Eurasian Soil Science, 50(1), 70–77. https://doi.org/10.1134/S106422931611003X

Koval E.V., Rychkova N.S., & Ogorodnikova S.YU. The effects of karbofos on cyanobacteria. Biodiagnostics of the state of natural and natural-technogenic systems: Proceedings of the XVI All-Russian scientific and practical conference with international participation, Kirov. 2018. P. 188–192 (In Russ.).

Castenholz, R.W. (2015). General characteristics of the cyanobacteria. Bergey's Manual of Systematics of Archaea and Bacteria, 1–23. https://doi.org/10.1002/9781118960608.cbm00019

Scheerer, S.T. (2008). Microbial biodeterioration of outdoor stone monuments. Assessment methods and control strategies. The thesis Submitted for the degree of Doctor of Philosophy (Ph.D. dissertation), UK, Cardiff: Cardiff University.

Baryla, A., Laborde, C., Montillet, J.-L., Triantaphylides, A., & Chagvardie, P. (2000). Evaluation of lipid peroxidation as a toxicity bioassay for plants exposed to copper. Environmental Pollution, 109(1), 131–135. https://doi.org/10.1016/S0269-7491(99)00232-8

Konysheva E.N., & Korotchenko I.S. (2011). Influence of heavy metals and their detoxicants on enzymatic activity of soil. Vestn. Krasn. Gos. Agrar. Univ. 1. 114.

Dang, D.H., & Zhang, Z.R. (2020). Hazardous motherboards: Changes in metal contamination related to the evolution of electronic technologies. Environmental pollution, 268(B), 115731. https://doi.org/10.1016/j.envpol.2020.115731.

Itoh, A, Yaida, A, & Zhu, Y. (2021). Potential Anthropogenic Pollution of High-technology Metals with a Focus on Rare Earth Elements in Environmental Water. Analytical sciences, 1(37), 20SAR16. http://dx.doi.org/10.2116/analsci.20SAR16.

Lozhkina R.A., & Tomilina I.I. (2016). The effect of lanthanum on biological parameters of crustaceans Ceriodaphnia affinis lilljeborg in chronic experiments. Toxicological Review. 1(136), 42–46. (In Russ.). https://doi.org/10.36946/0869-7922-2016-1-42-42

Muntyan, M.S., Morozov, D.A., Klishin, S.S., Khitrin, N.V., & Kolomijtseva, G.YA. (2012). Evaluation of the electrical potential on the membrane of the extremely alkaliphilic bacterium Thioalkalivibrio. Biochemistry, 77(8), 1113. https://doi.org/10.1134/S0006297912080135

Aminot, A., & Rey, F. (2000). Standard procedure for the determination of chlorophyll a by spectroscopic methods. International Council for the Exploration of the Sea, 112, 25.

Lukatkin A.S. (2002). Cold damage to heat-loving plants and oxidative stress. Publishing house of Mordov. University: Saransk, Russia, (In Russ.).

Veronesi, C., Rickaner, M., Fournier, J., & Pouenat, M.-L., Esquerre-tugaye, M.-T. (1996). Lipoxygenase gene expression in the Tobacco-Phytophtora parasitica nicotianae interaction. Plant Physiol, 112(3), 997–1004. https://doi.org/10.1104/pp.112.3.997

El-beltagi, H.S., & Mohamed, H.I. (2013). Reactive Oxygen Species, Lipid Peroxidation and Antioxidative Defense Mechanism. Notulae Botanicae Horti Agrobotanici Cluj-Napoca. 41(1): 44–57https://doi.org/10.15835/nbha4118929

Mittler, R. (2002). Oxidative stress, antioxidants and stress tolerance. Trends in Plant Science, 7 (9), 405–410. http://dx.doi.org/10.1016/S1360-1385(02)02312-9

Shao, H.B., Chu, L.YE., Lu, Zh.H, & Kang, C.M. (2008). Primary antioxidant free radical scavenging and redox signaling pathways in higher plant cells. International Journal of Biological Sciences, 4(1), 8. https://doi.org/10.7150/ijbs.4.8

Trace Elements. National Research Council (US) Committee on Diet and Health. (1989). Diet and Health: Implications for Reducing Chronic Disease Risk. National Academies Press: Washington (DC), USА.

Dkhil, M.A., & Zrieq, R., Al-quraishy, S., Abdel Moneim A.E. (2016). Selenium nanoparticles attenuate oxidative stress and testicular damage in streptozotocin-induced diabetic rats. Molecules, 21(11), 1517. https://doi.org/10.3390/molecules21111517

Erofeeva E.A. (2014). Hormesis and paradoxical effects of wheat seedling (Triticum aestivum L.) parameters upon exposure to different pollutants in a wide range of doses. Dose-Response, 12(1), 121–135. https://doi.org/10.2203/dose-response.13-017.Erofeeva

Koval E.V., & Ogorodnikova S.Yu. (2021). Study of the influence of cyanobacteria and Lignogumate on the life activity of barley. Agrochemistry, 6(60), 65–72 (In Russ.).

Kutsenko, S.A. (2004). Fundamentals of toxicology. Foliant: St. Petersburg, Russia.

Brinkmann, M., Preuss, T.G., & Hollert, H. (2017). Advances in Biochemical Engineering-Biotechnology. In Vitro Environmental Toxicology – Concepts, Application and Assessment; Ed. by G. Reifferscheid, S. Buchinger; 1rd ed.; Cham: Springer International Publishing, Switzerland, 157, 293–317.