Загрязнение водной среды солями тяжёлых металлов оказывает большое влияние на обитающие в ней организмы. Фитопланктон является первичным звеном в системе пищевых цепей в водной среде и определяет состояние водной экосистемы в целом. Тяжёлые металлы оказывают влияние на многие метаболические процессы внутри клеток водорослей. Одним из наиболее чувствительных процессов к действию тяжелых металлов является фотосинтез.

Растворенное органическое вещество (РОВ) присутствует во всех водоемах. Большую часть РОВ составляют гуминовые кислоты. РОВ играет большую роль в защите микроводорослей от стресса, связанного с тяжелыми металлами. В присутствии РОВ может изменяться токсичность и биодоступность за счет образования комплексов с металлами. Роль РОВ в биохимическом поведении и токсичности тяжелых металлов для микроводорослей очень важна, но сложна и плохо изучена.

Измерение параметров флуоресценции хлорофилла позволяет на ранних стадиях выявить и определить причины снижения эффективности фотосинтеза клетками водорослей. Спектры поглощения света суспензией позволяют контролировать скорость роста водорослей. В природе организмы испытывают практически постоянный стресс со стороны различных природных факторов, поэтому для исследований действия токсикантов на тест-объекты необходимо создание дополнительной физиологической нагрузки (увеличение интенсивности освещения, дефицит минерального питания), не выходящей по интенсивности за пределы толерантности тест-объектов.

В работе рассмотрено влияние ионов Cu(II) в концентрациях от 5*10-8 до 10-6 М и РОВ в концентрациях от 0.001 до 50 мгС/л на фотосинтетический аппарат зеленой водоросли Scenedesmus obliquus. Измерения параметров флуоресценции хлорофилла и спектров поглощения хлорофилла в суспензии проводили в течение 72 часов с момента инкубирования микроводорослей с токсикантом на безазотной среде при освещении (плотности потока квантов) 80 мкмоль квантов·м-2.с-1.

Через сутки после инкубации микроводорослей с солями Cu (II) в концентрациях от 10-7 до 5*10-7 М интенсивность флуоресценции при открытых и закрытых реакционных центрах увеличивались незначительно по сравнению с контролем. Через 72 часа культивирования микроводорослей с солями Cu (II) в концентрациях 5*10-8 – 5*10-7 М значения параметров флуоресценции, величина нефотохимического тушения и относительное содержание хлорофилла не отличались от значений в контрольной культуре. При увеличении концентрации солей Cu (II) до 10-6 М через 24 часа в 4 раза возрастала величина нефотохимического тушения. Через 72 часа культивирования водорослей с солями Cu (II) в концентрации 10-6 М значения параметров флуоресценции, нефотохимического тушения и оптической плотности были в 4 раза ниже по сравнению с теми же значениями в необработанной суспензии водорослей. Значения переменной флуоресценции оставались во всех экспериментах высокими и были сравнимы с контрольными. При культивировании водорослей с РОВ в концентрации > 10 мгС/л снижались значения параметров флуоресценции F0 и Fm на 10-20%, увеличивалась величина нефотохимического тушения. Малые концентрации РОВ < 0.1 мгС/л не оказывали влияния на изменения параметров флуоресценции хлорофилла. При инкубации микроводорослей с РОВ в концентрации 0.25-1 мгС/л через 72 часа достоверно увеличивалось содержание хлорофилла (значения оптической плотности при D678) по сравнению с контролем. При культивировании водорослей с солями Cu (II) в присутствии РОВ наибольшее снижение токсического действия наблюдали при концентрации Cu (II) 10-7-5*10-7 М и концентрации РОВ 1 мгС/л. Способность водорослей расти в присутствии токсикантов в среде обусловлена физиологической адаптацией и отбором устойчивых особей. РОВ в концентрациях, близких к природным, способно снижать токсическое действие тяжелых металлов.

Работа осуществлена при поддержке РНФ проект № 21-77-10028

Pollution of the aquatic environment with heavy metals salts has a great impact on living organisms. Phytoplankton is the primary link in the system of food chains in the aquatic environment and determines the state of the whole aquatic ecosystem. Heavy metals affect many metabolic processes inside algae cells. One of the most sensitive to the impact of heavy metals processes is photosynthesis.

Dissolved organic matter (DOM) is present in all water reservoirs. Most of the DOM is humic acids. DOM plays an important role in protecting microalgae from heavy metal stress. In the presence of DOM, toxicity and bioavailability may change due to the formation of complexes with metals. The role of DOM in the biochemical behavior and toxicity of heavy metals to microalgae is very important, but complex and poorly explored.

Measurement of chlorophyll fluorescence parameters makes it possible to identify and determine at early stages the reasons for the decrease in the efficiency of photosynthesis by algae cells. The light absorption spectra of the suspension make it possible to control the growth rate of algae. In nature, organisms experience almost constant stress from various natural factors, therefore, to study the effect of toxicants on test objects, it is necessary to create an additional physiological load (increased light intensity, deficiency of mineral nutrition), not exceeding the tolerance limits of the test objects in terms of intensity.

This work considers the effect of Cu (II) ions at concentrations from 5*10-8 to 10-6 M and DOM at concentrations from 0.001 to 50 mgC/L on the photosynthetic apparatus of the green alga Scenedesmus obliquus. Measurements of chlorophyll fluorescence parameters and absorption spectra of chlorophyll in suspension were carried out for 72 hours from the moment of incubation of microalgae with a toxicant on a nitrogen-free medium under illumination (quantum flux density) of 80 μmol quanta m-2.s-1.

A day after the incubation of microalgae with Cu (II) salts at concentrations from 10-7 to 5*10-7 M, the values of fluorescence parameters at open and closed reaction centers increased slightly compared to the control. After 72 hours of cultivation of microalgae with Cu (II) salts in concentrations of 5*10-8 - 5*10-7 M, the values of fluorescence parameters, the value of non-photochemical quenching and the relative content of chlorophyll did not differ from the values in the control. With an increase in the concentration of Cu (II) salts to 10-6 M after 24 hours, the value of non-photochemical quenching multiplied by 4. After 72 hours of cultivation of algae with Cu (II) salts at a concentration of 10-6 M, the values of the parameters of fluorescence, non-photochemical quenching and optical density were 4 times lower compared to the same values in the untreated suspension of algae. The values of the variable fluorescence remained high in all experiments and were comparable with the controls. When cultivating algae with DOM at a concentration of >10 mgC/L, the values of the fluorescence parameters F0 and Fm decreased by 10–20%, and the value of non-photochemical quenching increased. Low concentrations of DOM <0.1 mgC/L had no effect on changes in chlorophyll fluorescence parameters. During the incubation of microalgae with DOM at a concentration of 0.25-1 mgC/l after 72 hours, the quantity of chlorophyll increased (values of optical density at D678) compared with the control. When cultivating algae with Cu (II) salts in the presence of DOM, the greatest decrease in the toxic effect was observed at a Cu (II) concentration of 10-7-5*10-7 M and a DOM concentration of 1 mgC/L. The ability of algae to grow in the presence of toxicants in the environment is due to physiological adaptation and selection of resistant individuals. DOM in concentrations close to natural can reduce the toxic effect of heavy metals.

The work was supported by the Russian Science Foundation project No.21-77-10028