Файл: Особенности развития коммерческих банков и их кредитные операции на современном этапе..pdf

Обычно в качестве биоиндикатора используют не показатели отдельного организма, а живые системы более высокого уровня организации. В качестве биоиндикаторов могут быть использованы даже крупные таксон или целые сообщества.

Однако, при использовании методов биоиндикации следует также понимать,что из благополучия того или иного биоиндикаторного сообщества не обязательно следует общее благополучие экосистемы. Например, при исследовании пресноводных водоемов, благополучные условия для развития фитопланктона могут свидетельствовать о эвтрофикации водоема, что в целом для экосистемы водоема не является благоприятным.

Для того, чтобы более детально соотносить понятия блаопоучия биоиндикатора и благополучия объекта исследования, необходимы дополнительные экологические изыскания, предполагающие выяснение роли биоиндикатора как объекта благополучия экосистемы. При планировании таких исследований, на данный момент, существует проблема отстутствия интегрального биоиндикатора экологического состояния водоема. Поиск подобных индикаторов составляет предмет дальнейших исследований в данной области. Несмотря на то, что в современной науке, во многих странах биоиндикация успешно применяется для оценки экологического состояния экосистем, существует проблема однозначного выбора наиболее эффективного биоиндикатора состояния водоемов. Часто в этом плане с токи зрения эффективности выбор показателей основан на возможностях инструментального измерения, наименьшие материальные затраты и т.д.

В настоящее время биофизические методы получили широкое распространение в практических исследованиях, связанных с оценкой благополучия состояния экоситем, определением пороговых уровней негативных воздействий (Baker,2008; Strasser et al.,2010;Маторин, Алексеев, 2013).

Преимущества биофизических индикаторов перед другими индикационными показателями.

Традиционно главную роль среди показателей биоиндикации состояния водоемов играют такие показатели как численность, видовой состав, биомасса, трофический состав, различные соотношения указанных выше показателей и многие другие.

Развитие методов гидробиологии началось еще в начале двадцатого века, однако и сейчас проводится активная работа по поиску новых, более точных и простых методов состояния природных сообществ.

Следует отметить, что существуют не только достоинства, но и недостатки гидробиологических методов, к которым можно отнести длительность обработки проб, необходимость квалифицированного определения и подсчета численности видов, трудоемкость. Были также предприняты попытки поиска других методов, в которых отсутствовали бы подобные недостатки (Young, Beardall,2003; Baker, Rosenquist; Маторин, Алексеев, 2013).

Одним из подобных методов можно считать комплекс биофизических методов. Прежде всего, это метод биоиндикации, который основан на показателях флуоресценции хлорофилла зеленых растений. Биофизические методы получили активное развитие в последнее десятилетие и обладают некоторыми преимуществами перед биофизическими методами. В первую очередь, это возможность инструментальных, а не ручных измерений и анализа данных с помощью ЭВМ в режиме реального времени. Также приобы для измерений обладают небольшими габаритами и весом, что удобно при полевом использовании. Существующие ограничения подобных методов обусловлены использованием в качестве биоиндикаторов только те виды растений, которые имеют флуоресцирующие пигменты. Следует отметить, что данные ограничения компенсированы высоким биоиндикационным потенциалом данных видов, что позволяет использовать биофизические методы для индикации состояния практически любых экосистем, как наземных, так и водных.

Биофизические методы в последние десятилетия широко используются для биоиндикации наряду с уже используемыми ранее гидробиологическими методами. В работе фотосинтетического механизма зеленых растений находят свое отражение многие стрессовые факторы для растений, такие как избыточной увлажнение, гипоксия, засуха, освещенность, воздействие экстремальных температур и др. Это связано с тем, что фотосинтез является одним из основных метаболических процессов, которые обеспечивают устойчивость растений к стрессу (Креславский и др., 2014). Процесс фотосинтеза начинается с поглощения квантовых частиц света фотосистемами, которые преимущественно возбуждаются светом различных длин волн. Таким образом, поток электронов в тилакоидной мембране возникает в результате совместной работы двух фотосистем.

Под воздействием неблагоприятныхфакторов внешней среды обычно происходит усиление генерации активных форм кислорода в ходе работы электронно-транспортной цепи (Asada,1999) и ассимиляции СО2 (Meloni et al., 2003).

Повышенная концентрация активных форм кислорода (АФК), безусловно, вызывает множество различных реакций растения, среди которых снижение активности чувствительных к стрессу окисления ферментов, в частности, АТФ-синтеза, нарушение тилакоидной мембраны и синтеза некоторых белков (Foyer, Shigeoka,2011). Например, избыток H2O2 и синглетного кислорода ингибирует синтез фотосинтетического белка D1, являющегося одним из базовых белков фотосистемы II (далее ФС II), на стадии трансляции, как это было показано для мРНК гена psbA (Nishiyama et al., 2006, 2011). Сходные изменения в трансляции белка может вызвать солевый и температурный стресс (Murata et al., 2007$ Takahashi et al., 2009).

Следует отметить, что замедление синтеза белков замедляет восстановление после серьезных фотоповреждений. При умеренном стрессе, как правило, повреждения фотосинтетического аппарата обратимы, однако, учитывая замедление синтеза белков, а также ряд других причин, таких, например, как повреждение белков и нуклеиновых кислот под воздействием активных форм кислорода, при серьезных повреждениях они могут становиться необратимыми (El-Shitinawy et al,2004). Поэтому целостность и состояние мембран тилакоидов, а также эффективность функционирования фотосистем имеют ключевое значение в устойчивости фотосинтетического аппарата к стрессам.

Виды показателей быстрой флуоресценции

Данные о степени чувствительности растительных клеток к различным стрессовым факторам не поддаются учету с помощью гидробиологических методов, однако могут быть получены с использованием показателей флуоресценции (Маторин, Алексеев, 2013). Могут быть использованы, например, такие факторы, как содержание СО2 и СО, содержание других специфических элементов и веществ, воздействующих на фотосинтез (например, содержание диурона), прозрачность воды, доступность солнечного света и др.

Показатели флуоресценции могут играть роль своеобразных индикаторов для различных типов неблагоприятных воздействий на организмы. Например, показатели индукционных кривых флуоресценции, такие как Fm,, F0 – значения максимальной и фоновой интенсивности флуоресценции, отражают фотоиндуцированные изменения флуоресценции, постоянный и максимальный ее выход.

Часто применяемое отношение FvFm= Fm- F0Fm, которое описывает эффективность работы ФС II при адаптации к недостатку света, не всегда может охарактеризовать состояние фотосинтетического аппарата в полной мере. На примере листьев сои показано, что соотношение FvFm оставалось постоянным при всем диапазоне исследуемых температур (Li et al., 2009). Измерение данного показателя представляет собой достаточно быстрое тестирование, время проведение которого составляет всего несколько секунд.

Измерение данного показателя проводят у растений, которые имеют сходную историю освещения, так как для реаксации фотоингибирования может требоваться от 40 мин. до 60ч (Lichtenthaler, Babani,2004). Оптимальным для многих растений значением данного показтеля принимаются значения от 0,79 до 0,83.

По причине нечувствительности используемого соотношения FvFm к некоторым факторам возможно использование другого интегрального показателя - FvF0, который нормирован на минимальный уровень флуоресценции, и в связи с этим является более чувствительным к неблагоприятным факторам внешней среды. Также следует отметить, что данный показатель не коррелирует с ассимиляцией растением углекислоты.

Также, как показатель FvFm, показатель FvF0 отражает влияние различных факторов на ФС II в стадии темноты. Также по мнению некоторых исследователей (Baker, Rosenquist, 2004) показатель FvFm является наиболее часто измеряемым среди показателй флуоресценции в мире.

Следует также отметить, что упомянутые выше показатели имеют ряд ограничений:

1) Показатели не чувствительны к раннему или слабому водному дефициту, в том числе у растений с типом фотосинтеза C4 (Bukhov, Carpentier, 2004);

2) Показатель FvFm не чувствителен к азотному голоданию з исключением очень низких значений содержания азота (Baker, Rosenquist, 2004);

3) Показатель FvFm не чувствителен к снижению концентрации серы также вплоть до очень низких значений ее концентрации (Baker, Rosenquist, 2004);

4) Оба показателя не чувствительны к температурному стрессу ниже 45°С (показано на примере листьев дуба в работе Haldiman, Feller, 2004);

5) Оба показателя нечувствительны к загрязнению 3- (3,4-дихлорфенил)-1,1-диметилмочевиной (диуроном) (Nedbal, Whitmarsh, 2004);

6) Значения показателей чувствительны не ко всем гербицидам (Nedbal, Whitmarsh, 2004);

7)Значения показателей нечувствительны к загрязнению никелем и цинком (Joshi, Mohanty, 2004);

8) У некоторых растений показатели нечувствительны к солевому стрессу (Moradi, Ismail,2007).

Также для оценки состояния фотосинтетического аппарата в светоадаптированных листьях используют такой показатель, как эффективный квантовый выход ФС II. Данный показатель обладает большей чувствительностью к многими видам воздействий, позволяя оценить эффективность ФС II (Li et al., 2009). Протокол измерения эффективного квантового выхода ФС II (Y (II)) был разработан в 1990 году Дженти с соавторами (Genty et al., 1990).Данный протокол предназначен для оценки стресса растения по фотосинтетическим процессам, происходящим в постоянных условиях освещенности. Показатель Y (II) рассчитывают по формуле: F'м-F'0F'0, где F'м - максимальная интенсивность флуоресценции в условиях световой адаптации, F'0 - постоянная интенсивность флуоресценции в условиях световой адаптации. В условиях темновой адаптации показатель Y (II) можно представить как FvFm. Подобно вышеназванному показателю, показатель Y (II) отражает непосредственно эффективность фотосинтеза, а именно – количество энергии, используемой для фотохимических реакций ФС II в условиях постоянной освещенности. Для большинства неблагоприятных факторов и для растений с типом фотосинтеза С4 показатель Y (II) связан с ассимиляцией углерода линейной зависимостью. Для растений с С3 типом фотосинтеза связь эффективного выхода ФС II с ассимиляцией углерода носит нелинейный характер. Измерения эффективного квантового выхода могут быть проведены также в полевых условиях.

Это связано с тем, что точность метода позволяет интерпретировать природные условия в ясный день как постоянные. При использовании данного протокола также необходимо контролировать температуру, поскольку показатель Y(II) оказывается более чувствительным, чем отношение FvFm.

Измерение данного показателя также, как и для показателей, описанных выше, проходит в течение нескольких секунд. К основным преимуществам использования данного протокола можно отнести:

1) чувствительность к засухе применительно к растениям с С4-типом фотосинтеза (Cavender-Bares, Bazzaz, 2004; Da Silva, Arrabaca,2008);

2) в модификации Берка для растений с типом фотосинтеза С3 показатель также может быть чувствительным к ранней засухе в течние 24 ч. после прекращения ирригации (Burke,2007; Burke et al., 2010). При использовании станартной методики для растений с С3-фотосинтезом можно зарегистрировать только значительное обезвоживание, не влияющее на фотодыхание (Flexas et al., 2002);

3) чувствительность к температурному стрессу выше 35°С (Haldiman,Feller,2004);

Однако в использовании протокола существует и ряд недостатков, среди которых выделяют:

1) низкую чувствительность к азотному недостатку вплоть до голодания, однако модификация Ченга ( Cheng et al., 2001) позволяет более точно зарегистрировать азотный дефицит;

2) недостаточную чувстительность к недостатку серы вплоть до голодания (Baker, Rosenquist,2004);

3) нечувствительность к солевому стрессу у ряда растений (Moradi, Ismail,2007).

Существует также другой метод, который связан со скоростью электронного транспорта ФС II. Данный показатель связан с показателем Y (II) уравнением:

ETR=Y(II)×PAR×D×∝,

где PAR – интенсивность падающего света в диапазоне 400-700 нм (фотосинтетически активная радиация), D – средний коффициент поглощения света листом, обычно принимаемый равным 0,84, ∝ - среднее отношение количства реакционных центров ФС II к количеству реакционных центров ФС I, в среднем равное 0,5.

Следует отметить, что данная методика не слишком часто используется, что связано со значительным разбросом коэффициента поглощения света листьями (0,7 – 0,9) в зависимости от возраста, степени гидратированности и прочих факторов (Baker, 2008).

Показатель ETR по чувствительности и прочим факторам часто аналогичен эффективному квантовому выходу ФС II.

В настоящее время развивается метод анализа кривых O-J-I-P. Ограничения и применимость метода сравнимы с таковыми для выше рассмотренных показателей, однако точность данного метода, по материалам наблюдений, значительно выше. Измерение производится в течение нескольких секунд, результатом чего является кривая с высоки временным разрешением. По оси абсцисс обычно используют логарифмический масштаб.