УДК 599:574.4+577.15

Екологія. Екологічний моніторинг

О. М. Василюк, О.Є. Пахомов

Дніпропетровський національний университет ім. Олеся Гончара

ВПЛИВ ІОНІВ НІКЕЛЮ НА ФУНКЦІОНАЛЬНУ АКТИВНІСТЬ ТРАНСАМІНАЗ В ЛИСТКАХ GLECHOMA HEDERАCEA L. В УМОВАХ РИЙНОЇ АКТИВНОСТІ MAMMALIA

ВСТУП

Нікель, як досить поширений забруднювач навколишнього середовища, впливає на нормальний перебіг фізіологічних, еколого-біохімічних процесів, зміну морфометричних показників, ріст та розвиток усіх складових біоти. Інтерес до нікелю іще і в тому, що він є ессенціальним елементом [6]. Вважається, що біологічна роль Ni полягає у структурній організації та функціонуванні основних компонентів клітини – ДНК, РНК та білку. Наряду з цим, він присутній у гормональній регуляції організму [1; 15]. У високих концентраціях для тварин Ni токсичний [1]: знижується активность ряду металоферментів, порушується синтез РНК, ДНК, змінюється протікання процесів біосинтезу білку внаслідок гідролізу тРНК [11; 16]. За своїм впливом на кровотворення Ni наближений до Со (стимулятор еритропоезу, синтезу гемоглобіну, підвищує засвоєння доступного Fe, приймає участь в обміні ліпідів, забезпеченні клітин киснем, є кофактором 8 клітинних ферментів). Мінімальна кількість Ni знаходиться у шкірі (0,1 мкг/г), максимальна у кістках (108-111 мкг/г). Рівень токсичності нікеля для людини складає 20 мг/день. Гранично допустимі концентрації сполук Ni у воді, повітрі населених місць та робочих зон становить 0,1 мг/л, 0,0002 мг/м³, 0,005 мг/м³ відповідно [1]. До числа антагоністів Ni відносяться сірковмісні амінокислоти, Ca, S, Fe, Zn, Se, вітамін С [1].

Зниженню токсичного впливу іонів нікелю сприяють екологічні чинники, а саме рийна активность Mammalia.Так, рийна активність ссавців є дійовий біотичний чинник прискорення обмінних процесів та постачання необхідного матеріалу для формування первинної продукції екосистем [7; 9; 16]. Рийна активність Mammalia впливає на фізичні (твердість, порозність, вологість, термічний режим) та хімічні властивості ґрунтів (амінокислотний склад, дихання ґрунтів, мікробіологічну та ферментативну активність) [2; 8; 10; 14]. Безпосередньо впливаючи на розвиток автотрофів, ґрунториї опосередковано формують ґрунтотвірні процеси [2; 11; 12; 13; 14]. Значна середовищетвірна роль Mammalia, як біотичного чиннику, у створенні екологічного буферу до антропогенного навантаження біоти, що полягає у нівелюючий дії техногенного пресу за рахунок процесів самоочищення ґрунтів [12], у відновленні біорізноманіття в умовах антропогенного навантаження на біоту [16]. Опосередковано впливаючи на хімічні та біологічні процеси [2], забезпечуються адаптаційні механізми [3; 16] підтримки стану гомеостану за умов дії чинника нижче порогового, що набуває великого практичного значення. Значний вміст ВМ (важких металів) стимулює вивчення їх впливу та міграцію в умовах рийної активності ссавців [17]. Для визначення ступеню впливу ВМ на навколишнє середовище, потрібні досить чутливі індикатори [3; 4; 16; 18; 19], якими є ферменти азотного метаболізму.

МАТЕРІАЛИ ТА МЕТОДИ

Дослідження здійснювалося в умовах Міжнародного Присамарського біосферного стаціонару імені О. Л. Бельгарда (село Андріївна, Новомосковський район, Дніпропетровська область). Як контроль обрано територію без впливу ссавців і не забруднену нікелем (липо-ясенева діброва із зірочником ланцетолистним (Stellaria holostea L.)). Дослідом слугувала рийна функція малих ґрунториїв на фоні внесення солей нікелю. Нікель заносився у ґрунт у якості солі Ni(NO₃)₂∙6H₂O концентрацією 0,2; 1,0; 2,0 г/м², що відповідає 1; 5; 10 ГДК. Вплив ВМ вивчали за відгуком активності (нM ПВК/мл∙с) ферментів класу трансаміназ (аланінамінотрансфераза, АлАТ (2.6.1.2) через місяць після внесення солі Ni та концентрацією водорозчинної фракцій білку (мг/мл) згідно методики [5] в листках Glechoma hederacea L., що домінувала у даному травостої. АсАТ (Аспартатамінотрансфераза, АсАТ (2.6.1.1)) та АлАТ є частиною ферментативної системи, за допомогою якої утилізутся первиний продукт фотосинтезу у аспартатної групи С₄ рослин - аспартат. За допомогою АсАТ в обкладинці відбувається декарбоксилювання аспартата, що утворюється у мезофиллі листка за наступною схемою: Аспартат (аспартатаминотрансфераза): Щавелевооцтова кислота (малатдегидрогеназа): Малат (маликензим): Піровиноградная кислота + СО². Піруват, після амінування за допомогою АлАТ, у вигляді аланіну повертається у мезофілл, де дезамінується за участю АлАТ [5]. Дослід виконували за наступною схемою:

Контроль №1 (ділянка без забруднення на Ni та без діяльності Mammalia); контроль №2, порий Mammalia (монодія, природний чинник); контроль №3 (Ni 1ГДК, у дозі 0,2 g/m² , антропогенний чинник, монодія); комбінована дія порию і Ni 1ГДК; контроль №4 (Ni 5ГДК, у дозі 1,0 g/m², антропогенний чинник, монодія); комбінована дія порию і Ni 5ГДК; контроль №5 (Ni 10ГДК, 2,0 g/m², антропогенний чинник, монодія); комбінована дія порию і Ni 10ГДК.

РЕЗУЛЬТАТИ ТА ЇХ ОБГОВОРЕННЯ

Було встановлено, що рийна діяльність як монодія, сприяла значному, на 80%, зниженню трансферазной активності у листках Glechoma hederacea L., концентрація білку зменшилась на 18% відносно контролю №1 (рис. 1).

Рис. 1. Вплив рийної функції Mammalia на активність АлАТ і концентрацію водорозчинної фракції білків у листках Glechoma hederacea L.

Внесення солей нікелю (монодія) сприяло достовірному (t/t_0,05=1,94; 2,41; 1,62) зниженню активності АлАТ для всіх варіантів досліду відносно контролю №1 (ділянка без забруднення на Ni та без діяльності Mammalia), що спростовує нульову гіпотезу та доводить токсичність металу для росту та розвитку рослини (табл.1).

Таблиця 1

Вплив нікелю на активність АлАТ в листках Glechoma hederacea L.

Варіант досліду	Х±m	V	M
Контроль	1,61±0,445	100,00	1,00
Ni 1ГДК	0,41±0,121	26,47	1,94
Ni 5ГДК	0,21±0,088	13,24	2,41
Ni 10ГДК	0,66±0,101	41,18	1,62

Примітки: Х – середня; ±m – вірогідний інтервал; М – дослід / контроль, %; t/t_0,05 – критерій суттєвості різниць між дослідом та контролем, р< 0,05; Н₀ відкидається за умов t/t_0,05≤ 1

Внесення солей нікелю у дозі 1 ГДК на фоні рийної активності Mammalia (сумісна дія антропогенного та природного чинників) сприяло достовірному підвищенню активності аланінамінотрансферази на 39 % відносно контролю №1 (ділянка без забруднення на Ni та діяльності Mammalia ) та в 5 разів відносно контролів №2 (порий Mammalia, монодія, природний чинник) та №3 (Ni 1 ГДК, антропогенний чинник ). Внесення нікелю у дозі 5 ГДК на фоні рийної активності Mammalia сприяло підвищенню активності ензиму у 2 рази відносно відповідного контролю (нікель 5 ГДК). При максимальній концентрації солі (10 ГДК) на фоні рийної активності активність ферменту інгібювалась відносно контролю №5 (нікель 10 ГДК) у 3 рази. Рийна активність з додавнням нікелю сприяла іще більшому зниженню активності АлАТ відносно контролю №1 у 8 разів. Тобто, високі концентрації металу не нівелюються рийною активністю ссавців, оскільки шкідливий вплив даного металу у даній концентрації не сприяє самовідновленню системи (табл. 2).

У варіантах (порий) та (контроль Ni 1ПДК) кількість білку була знижена на 18% та 30 % відповідно відносно до контролю №1 (ділянка без забруднення на Ni та без діяльності Mammalia ), у варіанті контроль Ni 5 ГДК знижена у 2,5 рази, у варіанті 10 ГДК на 38% відповідно (відносно до контролю №1). Рийна функція малих ґрунториїв сприяла підвищенню вмісту білку на 10% (1 ГДК), на 60 % (5 ГДК) та підсилила негативну дію нікелю у максимальній концентрації (10 ГДК) (рис.2).

Таблиця 2

Вплив нікелю на активність АлАТ в листках

Glechoma hederacea L. на фоні рийної активності ссавців

Варіант досліду	Х±m	V	M
Контроль	1,64±0,353		1,00
Порий	0,43±0,088	26,09	2,59
Контроль Ni 1 ГДК	0,45±0,027	27,54	2,08
Порий Ni 1 ГДК	2,28±0,177	139,13	1,27
Контроль Ni 5 ГДК	0,21±0,088	13,04	3,05
Порий Ni 5 ГДК	0,57±0,176	34,78	2,11
Контроль Ni 10 ГДК	0,66±0,102	40,58	2,06
Порий Ni 10 ГДК	0,20±0,045	12,03	3,16

Примітки: див. табл.1

Рис. 2 . Вплив комбінованої дії нікелю у спектрі концентрацій та рийної активності ссавців на концентрацію білків у листках Glechoma hederacea L.

Кількість протеїну в листках Glechoma hederacea L. негативно корелювала з його концентрацією (r = -0,87) в даному спектрі концентрацій (табл.3).

Таблиця 3

Вплив нікелю на концентрацію альбумінової фракції білку в листках Glechoma hederacea L. на фоні рийної активності ссавців

Варіант досліду	Х±m	V	M	t/t_0,05
Контроль	1,77±0,061	1,4	100,00	1,00
Порий	1,59±0,203	5,1	90,01	0,65
Порий + Ni 1ГДК	1,35±0,104	3,1	76,40	2,70
Порий + Ni 5ГДК	1,68±0,214	5,2	95,08	0,31
Порий + Ni10ГДК	0,74±0,077	4,3	40,52	2,87

Примітки: див. табл.1

ВИСНОВКИ

Отже, в умовах лабораторних досліджень з’ясували факт інгібіювання загальної активності АлАТ за умов дії нікелю в 2-6 раз, концентрації альбумінів на 30 – 60 % відносно контролю, що доводить досить токсичний вплив даного металу на метаболічні процеси в листках розхідника звичайного (Glechoma hederacea L.), що домінує на забруднених даним металом ґрунтах.

Комбінований вплив рийної активності представників Mammalia на фоні внесення нікелю сприяє підвищенню показника активності ензиму від 39% до 5 разів (відносно контролю №1 та №2 відповідно) при 1 ГДК, у 2 рази при 5ГДК. При максимальній концентрації металу (10 ГДК) рийна активність не здатна зменшити його шкідливий вплив, оскільки дія чинника є вище поргового рівня.

Таким чином, спостерігали середовищетвірний вплив рийної активності представників Mammalia (на прикладі мишоподібних ґрунториїв), що призводила до нівелювання токсичного впливу нікелю за малих та середніх концентрацій металу. Отже, використання окремих елементів зооценозу в умовах Степового Придніпров’я в системі заходів збереження природних і поліпшення стану трансформованих екологічних систем дає позитивні результати.

БІОЛОГІЧНІ ПОСИЛАННЯ

1. Биологическая роль химических єлементов и минеральніх веществ (http://smed.ru/guides/184/#link81.

2. Булахов В.Л., Пахомов О.Є. Біологічне різноманіття України. Дніпропетровська область. Ссавці (Mammalia) - Biological diversity of Ukrane Dnipropetrovsk region.Mammals (Mammalia). – Дніпропетровськ : ДНУ, 2006. – 355 с.

3. Дзюбак О.І. Вплив хлоридного засолення на морфометричні та біохімічні показники рослин у динаміці росту та розвитку / О.І. Дзюбак, О.М. Василюк // Матеріали І міжнародної наукової конференції студентів, аспірантів та молодих учених «Фундаментальні та прикладні дослідження в біології», том ІІ, Донецьк, Видавництво ТОВ «Цифрова типографія», 2009.- С.231-232.

4. Добрынина В.И. Учебник биологической химии. – М.: Государственное изд – во медицинской литературы, 1963, 447 с.

5. Методы биохимического анализа растений /под ред. В.В. Полевого, Г.Б. Максимова. – Л.: Издательство Ленинградского университета, 1978. – 192 с.

6. Микроэлементы в окружающей среде. Биогеохимия, биотехнология и биоремедиация // Под ред. Прасада М.Н.В. и др. М.: Физматлит, 2009. - 815 с.

7. Пахомов А.Е. Величина роющей деятельности мелких млекопитающих в лесах степной зоны Украины // V Сьезд Всесоюз. Териол. о-ва: Тез. докл.-М., 1990.-Т.2.-С.296-297

8. Пахомов А.Е. Влияние роющей деятельности млекопитающих на аминокислотній состав почв байрачных дубрав степной Украины // Вопросы степного лесоведения и научные основы лесной рекультивации земель.- Д.: ДГУ, 1985.-С.80-896.

9. Пахомов А.Е. Почвенно- єкологическая роль роющей деятельности млекопитающих в лесных биогеоценохах степной зоны УССР: Автореф. дис… к..б.наук.- Д.: ДГУ, 1987.-16 с.

10. Пахомов А.Е. Связь ферментативной активности почв с роющей деятельностью крота в аренных лесах Присамарья (УССР) // Тез. докл. IV Сьезда Всесоюз. Териол. о-ва: Тез. докл.-М., 1986б.-Т.1.-С.311-312.

11. Brunella Perfetto Analysis of the signal transduction pathway of nickel-induced matrix metalloproteinase-2 expression in the human keratinocytes in vitro: preliminary findings / Brunella Perfetto, Monica Lamberti, Maria Teresa Giuliano et al. /J. of Cutaneous Pathology. — 2006. — Vol. 34 (6). — P. 441-447.

12. Bulakhov V. L. Usage of vertebrate animals on technogen ecosystems recultivation and purification / V.L. Bulakhov, A.Y. Pakhomov, A.A. Reva. //. Secotox 97. Abstracts. Ecotoxicology and Environment safety central eastern European conferens/.- Jurmala, Latvia, 1997.-P. 198.

13. Bulakhov V. L. Soil burrowers-phytophagans participation in the soil – β radioactivity decrease / V.L. Bulakhov, A.Y. Pakhomov / V.L. Bulakhov, A.Y. Pakhomov //. Toxicology Letters.-1998.- Suppl.- P. 60-61.

14. Bulakhov V. L.Teriogenic formation of soil microflora in steppe woods of Ukraine / V.L. Bulakhov, A.Y. Pakhomov, A.A. R //. I FEMS Congress of European microbiologists. Abstract book.- Lubbjax, Slovenia: Cunkazjev Dom, 2003.- P. 368.

15. Forgacs Z et al. Specific amino acids moderate the effects on Ni2+ on the testosterone production of mouse leydig cells in vitro //Toxicol Environ Health A. — 2001. — Vol. 62(5). — P. 349-358.

16. Pakhomov O. Е. Activity of trans -amination enzymes as the indicator of biological revegatation of soils Mammalia in transformed ecosystems" / O. Pakhomov, O. Vasilyuk, / The Abstracts NATO Advanced Research Workshop (ARW): "Environmental Security for South-East Europe and Ukraine, NATO Science Series book, Dnipropetrovs’k - 2011 - P.74 – 75.

17. Pakhomov A. Y. Migration of some micro- and macroelements in environment under influence of digging activity of mammals / A.Y. Pakhomov, V.L. Bulakhov / Central and eastern European regional meeting. Environmental toxicology : Pathways of anthropogenic pollutants in the environment and their toxic effect.-Porabka-Kozubnik, Poland, 1993.-P.82.

18. Vasilyuk O. M. Physiological and biochemical parameters of plants as markers of a condition of environment / O.M. Vasilyuk, О.І. Dzyubak // Матеріали І міжнародної наукової конференції студентів, аспірантів та молодих учених «Фундаментальні та прикладні дослідження в біології», Видавництво ТОВ «Цифрова типографія, т. ІІ, Донецьк, 2009. - С.348-349.

19. Vasilyuk O. М. The trans-amimation enzyme activity in the leaves of Sambucus Nigra under high minaralization of small rivers of Steppe Dnieper / O. M. Vasilyuk , A. F. Kulik / The Abstracts NATO Advanced Research Workshop (ARW): "Environmental Security for South-East Europe and Ukraine", NATO Science Series book, Dnipropetrovs’k – 2011 - P.84 – 85.