Влияние гербицидного стресса на жизненность и размножение ряски малой

Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ

ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ

«БАШКИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Биологический факультет

Кафедра экологии и ботаники

ВЫПУСКНАЯ КВАЛИФИКАЦИОННАЯ РАБОТА БАКАЛАВРА

Влияние гербицидного стресса на жизненность и размножение ряски малой

Нигматуллина Лиана Наилевна

Уфа - 2017



Содержание

Введение

1. Литературный обзор

1.1 Общие сведения о растениях - индикаторах и ряски малой

1.2 Основные понятия и гербицидах

1.3 Влияние гербицидов на растения

1.4 Краткая характеристика и механизм действия глифосата.

Гербицид «Торнадо»

2. Объект, материалы и методы исследования

2.1 Объект исследования

2.2 Материалы для исследования

2.3 Методы исследования

3. Исследование влияние гербицида на жизнь и развитие ряски малой

3.1 Наблюдение реакции ряски малой при добавлении в среду обитания гербицида «Торнадо»

3.2 Определение зависимости роста ряски малой от концентрации гербицида «Торнадо»

Заключение

Список литературы



Введение

В последние годы общество все шире интересуется состоянием природной среды. Эта информация нужна для ведения хозяйства, строительных работ, при чрезвычайных обстоятельствах -- для оповещения о надвигающихся опасных явлениях природы и т.п. Определение антропогенных факторов и изменений представляет собой специфическую задачу [4].

Большую проблему, требующую основательного изучения и анализа, представляют все речные системы республики, которые все сегодня загрязнены. В воды рек республики поступает большое количество загрязняющих и отравляющих веществ от промышленных и сельскохозяйственных предприятий, со сточными водами из городов, станиц. Увеличивается сброс загрязняющих веществ с канализационными стокам, с ливневыми водами несущими с собой азот, тяжелые металлы, пестициды и т.д. Качество воды в водных объектах Республики Башкортостан и Уфимского района не соответствует сегодня принятым нормам для водных объектов питьевого, санитарно-бытового и рыбохозяйственного использования. В основной массе загрязняющих веществ в составе сточных вод приходится на сульфаты -- 48,6 %, хлориды -- 24,3 %, взвешенные вещества - 5,8 %, что представляет интерес и актуальность данной работы. Водная среда является основным переносчиком пестицидов. Они могут приноситься в водоемы талыми, дождевыми или сточными водами, во время опыления полей и лесов. Распространяют химикаты всевозможные обработки, уничтожающие водоросли, моллюсков, возбудителей инфекционных заболеваний. Значительные накопления пестицидов прямо или опосредованно влияют на растительный и животный мир водоемов, что характеризуется нарушением химического состава, токсичностью, низкой концентрацией растворенного кислорода. Стойкие химикаты могут откладываться в тканях рыб и животных, что может вызвать их массовую гибель. Большое количество пестицидов поступает в почву с осадками, при обработке растений от вредителей, инфекционных заболеваний, при уничтожении сорных трав. [7].

Цель данной работы: определение характера влияния гербицидов на жизненность и развитие ряски малой

Для достижения поставленной цели необходимо решение следующих задач:

1. оценить влияние гербицида «Торнадо» на жизненность ряски.

2. оценить влияние гербицида «Торнадо» на размножение ряски.

3. определить токсичность гербицида «Торнадо» по показателям жизненности ряски.



1. Литературный обзор

1.1 Общие сведения о растениях - индикаторах и ряски малой

Ученые давно заметили взаимосвязь растений с условиями окружающей среды. Оказалось, что те или иные растения чутко реагируют качественно и количественно на загрязнения окружающей среды, наличие металлов и минералов, водоносных слоев и тому подобное. Была создана целая наука "Индикационная геоботаника", основу которой составляют растения-индикаторы, обладающие гораздо большей чувствительностью, чем созданные человеком приборы. По этим растениям можно количественно и качественно оценивать окружающую среду. Индикаторные растения это внутривидовые единицы и виды, аномальные формы, возникающие при том или ином воздействии окружающей среды. Объектами индикации являются присутствие определенных элементов, горные породы, наличие подземных вод. Одной из групп растений-индикаторов является группа растений, чутко реагирующих на состояние загрязнения окружающей среды. Под действием загрязнения у этих культурных и дикорастущих растений развивается хлороз и некроз листьев, раннее опадание листвы, меняется густота опушения, увеличивается толщина кутикулы и количество устьиц. Поэтому растения могут служить чувствительными индикаторами. Состояние водоема можно определить по внешнему виду. Опытному глазу растения с белыми нежными цветами -- кувшинками - расскажут, что вода чистая. Растениями-индикаторами являются и всем известные тростник и рогоз. Эти водяные великаны питаются не только корнями, но и всем телом, тем самым способствуя очищению воды [16].

Своеобразным зеленым фильтром, задерживающим минеральные вещества, служат густые заросли камыша. Зачерпнуть стакан свежей воды можно из речки, где колышутся длинные пряди рдеста. Одним из самых заметных растений-индикаторов являются различные представители семейства рясковых, так как они плавают по поверхности водоема в том слое, который наиболее загрязнен.При оценке свойства воды нужно помнить, что проведение соответствующих измерений требует соблюдения определенных принципов. При интерпретации результатов измерений свойства воды нужно иметь в виду, что результаты измерений верны лишь по отношению к определенному времени. Днем позже либо ранее результаты измерений могут значительно различаться. К примеру, вы можете отметить совсем низкую концентрацию нитратов в ручейке либо речке в один из дней. Но, придя на другой день, вы можете отметить очень высокое содержание нитратов, так как находящееся неподалеку сельскохозяйственное предприятие вывалило навоз в реку. Таковым образом, физико-химические измерения разрешают оценить качество воды лишь на данный момент [16].

Присутствие индикаторных видов растений либо животных позволяет более глубоко судить о качестве воды в водоеме.Биологический способ оценки состояния водоема дозволяет решить задачи, разрешение которых с помощью гидрофизических и гидрохимических способов нереально. Оценка степени загрязнения водоема по составу живых организмов устанавливает его санитарное состояние, находит степень и характер загрязнения и пути его распространения в водоеме, а также даёт количественную характеристику протекания действий естественного самоочищения. Подчеркивая всю значимость биоиндикационных способов исследования, нужно отметить, что биоиндикация предугадывает выявление уже состоявшегося либо происходящего загрязнения окружающей среды по функциональным чертам особей и экологическим чертам сообществ организмов. Постепенные же конфигурации видового состава формируются в итоге долгого отравления водоема, и явными они стают в случае далеко идущих конфигураций. Лучший индикатор опасных загрязнений - прибрежное обрастание, располагающиеся на поверхностных предметах у кромки воды. В чистых водоемах эти обрастания ярко-зеленого цвета или имеют буроватый оттенок. Для загрязненных водоемов характерны белые хлопьевидные образования. При избытке в воде органических веществ и повышения общей минерализации обрастания приобретают сине-зеленый цвет, так как состоят в основном из сине-зеленых водорослей. При нехорошей очистке фекально-бытовых сточных вод обрастания бывают белыми либо сероватыми. Как правило, они состоят из прикрепленных инфузорий (сувойки, кархезиум и других). Стоки с избытками сернистых соединений могут сопровождаться хлопьевидными налетами нитчатых серобактерий-теотриксов. Прежде, чем нырять в речку или озеро, посмотрите, какая ряска плавает там у берега. По ее внешнему виду можно судить о том, стоит ли плавать или брать воду из этого водоема. Биоиндикация является одним из новых еще только разрабатываемых и эффективных методов анализа состояния окружающей среды.Оценка степени загрязнения может быть проведена с использованием физико-химических и биологических методов. Биологические методы оценки - это характеристика состояния экосистемы по растительному и животному населению. Любая экосистема, находясь в равновесии с факторами внешней среды, имеет сложную систему подвижных биологических связей, которые нарушаются под воздействием антропогенных факторов. Прежде всего, влияние антропогенных факторов, и в частности, загрязнения отражается на видовом составе сообществ и соотношении численности слагающих их видов. Биологический метод оценки состояния системы позволяет решить задачи, разрешение которых с помощью физических и химических методов невозможно [17].

Ряска малая может использоваться в качестве индикаторов состояния водоема. Они являются биоиндикаторами и начальным звеном в трофической цепи экосистемы водоема [15].

На рисунках 1.1, 1.2 представлено растение ряска малая в водоеме, вид сверху и в толще воды.

Рис. 1.1 Ряска малая в водоеме (вид сверху)

Рис. 1.2 Ряска малая в водоеме (вид в толще воды)



1.2 Основные понятия и гербицидах

Большинство гербицидов - физиологически активные вещества. Основой широкого применения химических средств в борьбе с сорными растениями является их избирательное токсичное действие по отношению к сорным растениям. Избирательность действия заключается в неодинаковой реакции разных растений на тот или иной гербицид или одного вида растений на различные гербициды. Выраженность такой реакции может быть установлена по жизненному состоянию растений, по морфологическим изменениям по сравнению с нормально развивающимися не обработанными гербицидами растениями. Попадая в растения, гербициды влияют на протекающие в них биохимические, ферментативные процессы, что в значительной степени определяется биологическими особенностями растения. Такую избирательность гербицидов называют биохимической.В результате биохимических процессов под влиянием химических соединений гербицида в растениях могут образовываться соединения с более высокой токсичностью, в результате чего чувствительность растений к такому гербициду усиливается, повышается.Избирательное действие гербицидов обусловливается и различиями в анатомическом и морфологическом строении однодольных и двудольных растений. У однодольных растений листья, как правило, узкие, расположены под острым углом к стеблю, иногда почти вертикально, их поверхность покрыта плотным воскообразным слоем кутикулы. Поэтому гербициды на поверхности листьев таких растений практически не удерживаются. К тому же точка роста у однодольных растений надежно укрыта влагалищами многочисленных листьев в основной период вегетации, вплоть до их колошения или появления метелки. У двудольных растений листовые пластинки обычно широкие, часто расположены почти горизонтально. Гербициды, попадая на такие листья, хорошо удерживаются на них, смачиваясь, растекаются по поверхности, в результате чего увеличивается возможность проникновения гербицида в растение. Точки роста у двудольных растений расположены на верхушках стеблей или в пазушной части листьев. Применять гербициды в посевах тех или иных культур можно лишь тогда, когда культурные растения находятся в такой фазе развития, при которой они обладают наибольшей устойчивостью к ним, а сорные, наоборот, в наименьшей. Известно, что на ранних стадиях развития растений в них активно протекают ростовые процессы и покровные ткани легко проницаемы, вследствие чего растения обладают повышенной чувствительностью к действию гербицидов. Именно поэтому при обработке сорных растений в ранней стадии их развития требуются меньшие дозы гербицидов, нежели когда они находятся уже в окрепшем состоянии. Однако некоторые многолетние растения более восприимчивы к гербицидам в более поздней стадии развития, в фазе стеблевания -- начала бутонизации, чем когда находятся в фазе розетки. Причины неодинаковой реакции культурных растений на гербициды в различные фазы их роста и развития обусловлены различными факторами. Например, устойчивость кукурузы в фазе 3--5 листьев к рекомендуемым нормам внесения в посевы гербицида 2,4-Д объясняется отсутствием опушенности верхней части листовой пластинки, на которую попадают капли препарата и с которой они легко скатываются. В посевах льна (который относится к двудольным растениям) применяется противодвудольный гербицид 2М-4Х только тогда, когда лен находится в фазе елочки. В такой фазе листья льна расположены почти вертикально и покрыты несмачивающейся кутикулой. Поэтому капли гербицида, попадая на растения льна, легко скатываются с поверхности листьев. Наибольшей чувствительностью к гербицидам культурные и сорные растения обладают в тот период, когда погодные условия благоприятны для их интенсивного роста и развития. Эффективность действия гербицидов на сорные растения может определяться и формой применяемых препаратов, поведением гербицидов в почве, способом применения гербицидов. Высокую избирательность по отношению к зимующим сорным растениям проявляет гранулированный 2,4-Д бутиловый эфир в посевах озимой ржи и пшеницы, который, постепенно растворяясь, поглощается из верхнего слоя корнями сорняков. Применяя направленное внесение гербицидов в посевах, например, сои, кукурузы, хлопчатника, можно повысить их эффективность [21].

1.3 Влияние гербицидов на растения

В основе механизма действия гербицидов лежит их многостороннее влияние на рост и развитие целого растения, отдельных его органов, тканей и клеток, на клеточные структуры, органеллы клетки, физиологические и биохимические процессы, ферментативные реакции и белково-ферментные структуры. Лишь комплексная оценка этих влияний позволяет выявить общий механизм действия гербицидов на растение. Первичное место действия гербицидов определяется его взаимодействием с чувствительными системами растения на молекулярном уровне. Так как до настоящего времени еще не раскрыта молекулярная природа многих процессов жизнедеятельности, происходящих в растениях, то возникают трудности и с определением первичного механизма действия гербицидов [8].

Механизм действия гербицидов тесно связан с характером и поведением вещества-токсиканта в растении, с поглощением и перемещением его по растению и с непосредственным влиянием на жизненно важные процессы: основной, промежуточный и вторичный метаболизмы. Действие гербицидов на основной метаболизм проявляется в нарушении процессов образования органических соединений в ходе фотосинтеза, процессов генерирования высокоэнергетических химических связей при дыхании и окислительном фосфорилировании, в ингибировании синтеза основных клеточных полимеров - белков, нуклеиновых кислот, крахмала и клетчатки. В результате действия гербицидов на промежуточный метаболизм нарушаются процессы распада и образования низкомолекулярных органических соединений, необходимых для нового синтеза; действие на вторичный метаболизм выражается в нарушении синтеза различных специфических компонентов растительных клеток типа алкалоидов, пектина, кумаринов, антоциана, фитогормонов, танинов [10].

Гербициды могут влиять на рост растений. Однако практический интерес представляют соединения, действующие на процессы основного и вторичного метаболизмов. Такие гербициды нетоксичны для теплокровных животных и человека. Более опасны и менее избирательны гербициды, нарушающие промежуточный метаболизм в растительных тканях, который в значительной степени сходен для всех живых клеток, содержащих ядра. Механизм действия контактных гербицидов сводится к нарушению целостности клеточных мембран, увеличению их проницаемости и разрушению, ведущему к потере содержимого клеток и их отмиранию. В силу такого действия гербициды слабо или практически не перемещаются по флоэме. Однако они могут перемещаться с транспирационным током по клеткам ксилемы. Системные гербициды действуют на один или несколько физиологических и (или) метаболических процессов в растении. Они вызывают гибель растения через несколько дней или недель после поглощения гербицида, то есть проявляют хроническое токсическое действие, в отличие от быстродействующих контактных гербицидов . Многие гербициды проявляют одновременно и контактное, и системное действия. По характеру перемещения по растению гербициды делятся на перемещающиеся преимущественно с транспирационным током по ксилеме или с продуктами фотосинтеза по флоэме. Системные гербициды свободно перемещаются от клетки к клетке через плазмодесмы, проникая через мембраны и аккумулируясь в местах действия в токсичных количествах, не повреждая при своем движении живых, жизненно важных систем [25].

Устойчивость растений к гербицидам определяется совокупностью морфологических, физиологических и биохимических факторов, от которых зависит соотношение количеств попавшего на растение, поглощенного и разрушенного токсиканта. Если скорость детоксикации гербицида равна скорости его поступления в места действия, растение проявляет устойчивость. гербицид глифосат ряска малый

Поступившие в растения и достигшие мест действия гербициды могут оказывать разностороннее влияние на важные процессы жизнедеятельности: деление клеток, развитие тканей, образование хлорофилла или пластид, фотосинтез и дыхание [17].

Гербициды, нарушающие процесс деления клеток (например, производные карбаматов и дитиокарбаматов), рассматриваются как митотические яды. Они прерывают нормальный процесс деления клеток (митоз) в период между метафазой и анафазой, препятствуют образованию перегородок в делящихся клетках, формирующихся после телафазы, что приводит к возникновению ненормальных многоядерных клеток. Большинство изменений представляли собой различные типы нарушений ахроматинового веретена: наблюдалось полное его разрушение, разрыв части его нитей и многополюсность, вызывающие образование полиплоидных и полиядерных клеток, в том числе клеток с микроядрами, иными словами, клеток с нерегулярным числом хромосом. В результате изучения действия зенкора на меристематические клетки ячменя установлено, что препарат негативно влияет на процесс образования клеточной перегородки при митозе. Наблюдали двуядерные интерфазные клетки, иногда в центре таких клеток имелась незавершенная межклеточная перегородка. В анафазе регистрировали нарушения расхождения хромосом: отставания хромосом, неравномерное расхождение хромосом к полюсам, многополюсность. Зенкор также негативно влиял на пролиферативную активность клеток. Показатель митотического индекса для концентраций 250, 500, и 750 мг/л был достоверно ниже, чем в контроле [12].

Гербициды типа регуляторов роста - арилоксиалканкарбоновые кислоты и их производные - нарушают рост и развитие клеток ксилемы и флоэмы, вызывая их деформацию. Наиболее безопасными для человека и животных являются препараты, влияющие на структуры и процессы, свойственные растительным организмам и отсутствующие у теплокровных. Это прежде всего гербициды, воздействующие на процесс преобразования солнечной энергии в химическую - фотосинтез. Группа ингибиторов фотосинтеза многочисленна и включает половину препаратов, известных в настоящее время. Среди них соединения нарушающие биосинтез хлорофилла и других фотосинтетических пигментов. Фомезафен, например, ингибирует синтез каратиноидов на этапе фитоина.К этой же группе относятся вещества, подавляющие сам процесс фотосинтеза на различных его этапах. При воздействии гербицида на фотосинтез на световой стадии I нарушается процесс восстановления метаболита Х, обладающего минимальным потенциалом, и окисления метаболита Р700, обладающего промежуточным потенциалом; действие на световой стадии II сказывается на процессе восстановления метаболита Y и одновременно протекающем процессе фотолиза воды и выделения кислорода.Производные 4,4 - дипиридила, попав в растение, становятся посредниками при переносе электрона на световой стадии I, нарушают ее ход и «обесценивают» солнечную энергию, поглощаемую растением. Электронно-транспортная система при этом не блокируется, как в случае других гербицидов , подавляющих фотосинтез.Большинство гербицидов - ингибиторов фотосинтеза - действуют на световую реакцию II, прерывая поток электронов к хлорофиллу и подавляя процесс фотолиза воды (реакция Хилла). Так проявляют себя нитрофенолы, производные карбаминовой кислоты, анилиды, гидроксибензонитрилы, производные мочевины, производные 1,2,5 - триазина, 1,2,4 - триазина, производные пиримидина, бензимидазолы, пиридазиноны, производные фурана (этофумезат) и производные тиадиазолов (бентазон) [28].

Перспективными являются гербициды, влияющие на синтез органических азотсодержащих веществ, в частности аминокислот в тканях растений. Сульфонилмочевины нарушают биосинтез валина и изолейцина, воздействуя на фермент ацетолактатсинтазу, катализирующую первый этап этого процесса. Аналогично действуют гербициды новой группы имидазолинонов (арсенал, АС 243997). Биосинтез ароматических аминокислот ингибирует раундап, гистдина - амитрол, глютамина - баста (фосфинотрицин). Отсутствуют гербициды со специфичным действием на процесс дыхания растений. Некоторые препараты могут подавлять перенос электронов, блокируя отдельные этапы фосфорилирования, другие - разобщать фосфорилирование путем разрыва (гидролиза) высокоэнергетических молекул веществ, участвующих в переносе энергии, что приводит к непроизводительному расходованию энергии, освобождающейся при дыхании.Ряд гербицидов изменяет активность клеточных ферментов, действуя на них прямо или косвенно. В первом случае молекулы гербицида взаимодействуют с веществами клеточных ядер, конкурируют с субстратом за активные места на молекулах ферментов, образуют комплексные соединения с ферментами или с их субстратами, что в одних условиях подавляет, а в других - стимулирует активность ферментов. Гербицид может конкурировать с кофакторами ферментативных белков: изменять состояние белкового кофактора и предотвращать активную связь кофактора с протеиновой частью фермента. Косвенное действие гербицида на ферменты проявляется в торможении поступления в клетки энергии [5].

1.4 Краткая характеристика и механизм действия глифосата. Гербицид «Торнадо»

Глифосат является пестицидом широкого спектра действия, активно применяемым для уничтожения нежелательных растений, как в сельском хозяйстве, так и в несельскохозяйственных ландшафтах. Большинство продуктов, содержащих глифосат, либо изготовляется, либо используется вместе с поверхностно-активным веществом, помогающим глифосату проникнуть в клетки растений. Поверхностно-активное вещество, используемое в распространенном продукте на базе глифосата (известном под названием «Торнадо»), более токсично, чем сам глифосат, а комбинация этих двух веществ еще более токсична [29].

Гербициды на базе глифосата, предлагаемые производителями как «мало токсичные и дружественные к окружающей среде», могут казаться панацеей при борьбе с нежелательными растениями. Между тем, продукты, содержащие глифосат, обладают острой токсичностью для животных, включая человека. Симптомы: раздражение глаз и кожи, головная боль, тошнота, оцепенение, повышенное кровяное давление и учащенное сердцебиение. Наблюдения за людьми (в основном фермерами), имеющими контакт с глифосатом, показали, что такой контакт ассоциируется с увеличением риска выкидышей, преждевременными родами и раковойлимфомой.Препарат впервые был зарегистрирован в США в 1974 году и применяется для борьбы с сорняками в широком спектре сельскохозяйственных, городских, садово-парковых, водных и лесных ситуаций. Большинство гербицидов содержит изопропиламиновую соль глифосата. Глифосат занимает место среди наиболее распространенных пестицидов в сельском хозяйстве. Наибольшее использование его отмечено при производстве соевых бобов, кукурузы, сена, на пастбищах и на землях под паром. Применение глифосата в настоящее время увеличивается, в основном вследствие недавней разработки с помощью генной инженерии и интродукции растений, толерантных к гербициду.Глифосат, N - (фосфонометил) - глицин является неизбирательным гербицидом, действующим на весь организм, который используется для уничтожения широколиственных, травянистых и осоковых видов растений. Глифосат хорошо поглощается надземными органами растений и передвигается в глубоко залегающие корни. К нему чувствительны однолетние и многолетние однодольные и двудольные растения, в том числе такие корневищные и корнеотпрысковые, как пырей, свинорой, гумай, острец, осот желтый, бодяк полевой, марь белая и другие. Передвигается глифосат с места нанесения медленно (7-10 дней), но на большие расстояния (на глубину до 2 м) и вызывает гибель корневищ в радиусе 30 см. Многолетние сорняки подавляются в течение всего вегетационного периода, однолетние - до повторного отрастания новых. Визуально наблюдаемый эффект проявляется на однолетних растениях через 2-4 дня, намноголетних - через 7-10 дней, а полная гибель сорняков наступает через 20 дней и более после применения препарата. Прохладная и облачная погода замедляет проявление фитотоксичности гербицида, а осадки, выпавшие менее чем через 2 часа после опрыскивания, могут снизить эффективность обработки.

Сорные растения сначала приобретают светло-зеленую окраску, затем желтеют, обесцвечиваются, теряют тургор, засыхают и через 14-20 дней погибают [11].

Механизм действия глифосата по данным EPA в настоящее время досконально не изучен. Но благодаря исследованиям установлено, что глифосат ингибирует ферментный путь с участием шихимовой кислоты, не позволяя растениям синтезировать три ароматических аминокислоты (триптофан, тирозин, фенилаланин). Ароматические аминокислоты выполняют важную роль в клеточном метаболизме. Они входят в состав белков и служат исходными соединениями для метаболизма фенилпропаноидов - «массовой продукции», образующейся в процессе роста растения. В их состав входят пигменты и полимер клеточных стенок - лигнин. Ключевой фермент, ингибируемый глифосатом, называется EPSP синтаза (5-енолпирувилшикимат-3-фосфатсинтаза).Глифосат может оказывать воздействие на ферменты растения не связанные с участием шихимовой кислоты. У сахарного тростника он снижает активность фермента, участвующего в метаболизме сахара. Он также ингибирует главный детоксифицирующий фермент растений [12].

Фактически каждый пестицид, кроме так называемого «активного» вещества, предназначенного для уничтожения растений, содержит также другие ингредиенты. Эти ингредиенты неточно называют «инертными». «Инертные» составляющие предназначены для облегчения использования продукта и увеличения его эффективности. Как правило, эти составляющие не указываются на этикетках пестицидныхпродуктов.Глифосат является представителем органофосфонатов с активированной прямой С-Р связью и составляет основу многих гербицидов . Их отличает высокая токсичность и устойчивость к разложению. C-P связь органофосфонатов трудно гидролизуема химическим путем, но может быть разорвана с помощью особых ферментных систем микроорганизмов-деструкторов. Высвобождающийся фосфор используется микроорганизмами в качестве единственного источника этого компонента в процессах биосинтеза и энергетического обмена. Стойкость глифосата в почве изменяется в широких пределах, и нет однозначного ответа на вопрос, сколько времени глифосат остается в почве. Периоды полураспада (время, необходимое для распада или уноса половины исходного количества глифосата), определенные производителем глифосата, составили от 3 до 141 дня. Считается, что глифосат образует прочные комплексы с большинством почв, и поэтому он исключительно иммобилен. Это означает, что маловероятно заражение глифосатом воды и почвы вне участка его применения. Однако эта связь с почвой является обратимой. Например, некоторые исследования показали, что глифосат легко связывается с разными видами почв. Однако десорбция, когда глифосат отсоединяется от частиц почвы, происходит также легко.Глифосат был обнаружен как в поверхностных, так и в грунтовых водах. Стойкость глифосата в воде ниже, чем в почве. Глифосат может нанести ущерб многим организмам, не являющимся мишенью для пестицида. Имеются также и другие серьезные эффекты, такие, как влияние на редкие виды растений, ухудшение качества семян, снижение способности фиксировать азот, увеличение подверженности растений болезням и уменьшение активности микоризных грибов. Качество семян. Cублетальная обработка хлопка «Торнадо» сильно ухудшает всхожесть семян и развитие рассады в полевых условиях. При наименьших проверенных концентрациях глифосата всхожесть семян уменьшилась в пределах от 24 до 85%, а вес рассады - от 19 до 83%. Фиксация азота. Большинство живых существ не способно усваивать азот в чистом виде и получают его в виде аммиака и нитратов. Аммиак и нитраты образуются в результате процессов, которые называются фиксацией азота и нитрификацией. Эти процессы осуществляются бактериями, живущими в почве и в клубеньках на корнях бобовых и некоторых других растений.При концентрациях, соответствующих типичным дозировкам применения, глифосат снижает на 70% число азотфиксирующих клубеньков у клевера, посаженного через 120 дней после обработки; аналогичная концентрация гербицида с глифосатом снижает на 27% число клубеньков у клевера, выращиваемого на гидропонике. Сходная концентрация глифосата уменьшает на 20% процесс фиксации азота бактериями в почве. Обработка гербицидом с глифосатом при самой низкой проверенной концентрации (в 10 раз меньшей, чем при типичной дозировке его применения) уменьшает число клубеньков у клевера на 68-95%.Микоризные грибы - это полезные грибы, живущие на корнях и вокруг корней растений. Они помогают растениям усваивать питательные вещества и влагу из почвы и могут защитить их от холода и засухи. Обнаруживают токсичность «Торнадо» по отношению к микоризным грибам, ассоциированным с хвойными деревьями, при концентрациях от 1 части на миллион, что ниже концентраций в почве при типичных дозировках применения. У орхидных обработка глифосатом меняла полезное взаимодействие между орхидными и их микоризой на паразитическое взаимодействие (не приносящее пользы растениям) [22].



2. Объект, материалы и методы исследования

2.1 Объект исследования

Биологическая характеристика семейства рясковых.

Насчитывается около 10 видов ряски, которые распространены почти по всему земному шару. Растут в пресных стоячих и медленно текущих водах.

Ряска - специфическое травянистое растете свободно плавающее в воде (а чаще на ее поверхности) и не укореняющееся в грунте. Несмотря на то, что все питательные вещества, необходимые для жизнедеятельности растения, она получает из воды, ряска благополучно переносит высыхание, не носящее продолжительного характера. Это растение либо совсем не имеет листьев, либо они слишком слабо развиты. Чаще всего на поверхности водоемов Средней полосы России можно встретить ряску малую. Она действительно маленькая - от 2,5 до 6,5 мм в диаметре пластинки. Размножается ряска вегетативно, но с поразительной скоростью: стебелек отпочковывает от себя дочерние стебельки, которые, не успев полностью отделиться от материнского растения, сами уже отпочковывают "дочек". Если ряска поселилась в непроточном водоеме, то в период массового размножения растения вся поверхность водоема в короткий срок оказывается "затянутой" ряской [14].

Пластинка ряски (ее называют щиток) - это видоизмененный стебель, с одного бока он имеет углубление в виде кармана, из которого появляется новый стебелек, который некоторое, время остается прикрепленным к старому, а затем отрывается и начинает жить самостоятельно. Каждый стебелек ряски имеет только один тонкий довольно длинный корешок, который в 4-5 раз длиннее диаметра пластинки и имеет на конце утолщение, которое играет роль якоря. Питательные вещества ряска всасывает прямо поверхностью щитка. Корешок растет из средины пластинки и не дает ей перевернуться на волне. Можно сказать, что растение состоит только из стебля и корешка [13].

Несмотря на свои крохотные размеры ряска умеет цвести (в природных условиях цветки у ряски образуются крайне редко). Любопытно то, что у этой крошки даже не цветок, а целое соцветие из 2-3 цветков. Соцветие имеет общуюоберточку в виде чашечки или, скорее мисочки, на дне которой располагается один пестичный цветок, похожий на крохотный кувшинчик и 1-2 тычиночных. Околоцветника - т.е. лепестков у них нет. Через 2-3 недели созревает одно семя, которое тонет в воде.Ряска - растение многолетнее. Осенью она погружается на дно водоема, где и проводит всю зиму, превращаясь в почку (турион), которая тяжелее воды. Весной, когда вода прогревается в достаточной степени, ряска всплывает на поверхность. Сигналом к образованию почек является изменение длины дня. Если ряску поместить в аквариум с постоянной длительной подсветкой, она как ни в чем ни бывало растет всю зиму, образуя сплошной покров на поверхности воды.Интересна не только сама ряска, но и ее название. Рясами или рясками называли нитки ожерелья или же нити и сеточки жемчуга, подвешиваемые к головному убору. Правда, на сеточку больше похож другой вид ряски, так же встречающийся в наших водоемах - ряска трехдольная. По другой версии, русское название ряски произошло от старославянского слова "ряса" - "болото", где эти растения часто встречаются.В отличие от маленькой ряски, ряска трехдольная не держится на поверхности воды, а плавает под самой поверхностью. Она так же не имеет листьев. Стебельки отрастают по два одновременно на противоположных боках старого. Взрослые стебельки имеют почти равную по длине пластинке суженную "ножку".У этой ряски дочерние стебли не отрываются, и вся колония имеет вид нежной бледно-зеленой сетки из продолговато-ланцетных, почти прозрачных, похожих на листики стеблей. Они имеют среднюю жилку и выемчато-зубчатые края, что делает сеточку еще более нарядной. Трехдольная ряска цветет гораздо реже. Она несколько крупнее - 0,5-1 см. Соцветие такого же строения как у ряски маленькой, тоже отрастает из бокового "кармашка". На зиму она так же образует зимующие почки. У ряски горбатой снизу щитка имеется воздухоносная ткань, похожая на маленький кусочек поролона, которая придает растениям этого вида дополнительную плавучесть [14].

Ряски обладают способностью к очень быстрому размножению, иногда в несколько дней водоемы со стоящей или медленно текущей водой зарастают сплошным зеленым ковром из многих миллионов экземпляров ряски. В стеблях ряски обнаружено большое количество протеина при минимуме клетчатки. Это приятный и питательный корм для свиней, гусей, кур, в большом количестве поедается рыбами и водоплавающими птицами (англичане так и называют ее - утиная трава). По своим питательным свойствам ряска приближается к лучшим кормам - зерну и бобовым. Ряски сохраняют воду от гниения, поэтому их переносят в сосуды с водой, где сохраняются пиявки. Однако они не только "предохраняет воду от гниения", но и выделяет очень большое количество кислорода, что повышает питьевые качества воды, улучшает условия жизни рыб и других водных животных [16].

Малая, трехдольная и горбатая ряски - это представители рода Lemna (ряски) семейства Lemnoideae (рясковые). Представитель другого рода (Spirodela - многокоренники) этого семейства - многокоренник обыкновенный. Многокоренник обыкновенный, как следует из названия, отличается от рясок тем, что каждый щиток несет не по одному корешку, а по несколько.

Итак, наиболее обычно встречающаяся почти повсеместно ряска малая, несколько реже можно найти многокоренник. Ряска трехдольная довольно редка, а вот для того, чтобы среди ряски малой разглядеть щитки ряски горбатой, требуются опыт и умение [22].

Ряска малая (Lemna minor). Ряска малая представлена на рисунке 2.1

Рис. 2.1 Ряска малая (Lemna minor).

Описание внешнего облика:

Цветки: при основании стебля имеется боковой кармашек, в котором может развиваться соцветие, состоящее из двух тычиночных и одного пестичного цветков.

Листья: щитки эллиптической формы, 3-4,5 мм длиной и 2-3 мм шириной, зелёные, толстоватые и непрозрачные, верхняя сторона несколько выпуклая, нижняя - плоская, с корешком. За счёт ветвления образуют группы из 3-6 побегов. 

Время цветения и плодоношения: Цветёт в мае-июне, но нерегулярно. Плоды созревают редко.

Местообитание: ряска маленькая обитает в водоёмах со стоячей и медленно текущей водой. Расселяется с помощью птиц, лягушек и тритонов, прилипая к их телу и лапкам. Размножается вегетативно - молодыми стеблями, отделяющимися от материнского растения.

Распространенность: широко распространена в Евразии, Северной Африке, Северной Америке, Австралии. В России - во многих районах европейской части, в южной половине Сибири и Дальнего Востока. Обыкновенный вид во всех среднерусских областях [22].

Применение ряски малой в народном хозяйстве и медицине. Использование рясковых самое разнообразное.Источник корма. Рясковые играют достаточно важную роль как в природных экосистемах (это корм для многих рыб, околоводных птиц и млекопитающих), так и непосредственно для человека. Ряска может служить и кормом для домашних животных, и пищей для нас самих. В Юго-Восточной Азии (Таиланд, Бирма, Лаос) население уже много поколений использует вольфию шаровидную (Wolffiaglobosa) как овощ и приправу под названием "водные яйца". В Мексике ряску горбатую продают на продовольственных рынках. Есть также сведения, что рясковые, именуемые "водным маисом", были важным пищевым продуктом для древних майя в Гватемале. Решающее значение для использования растения как источника пищи и фуража имеет его продуктивность - а она у рясковых неожиданно высокая, несмотря на крошечные размеры. Кроме того, использовать можно все растение целиком (а не отдельные части), и в течение всего вегетационного периода. Годовой урожай на возделываемой поверхности у рясковых выше, чем у любого другого пищевого растения. Так, для получения равного с ряской количества белков необходимо засеять люцерной поверхность, почти в 5 раз большую по площади, соей - в 10 раз. Похожее соотношение наблюдается и при оценке получаемого с единицы возделываемой площади крахмала. Культура рясковых особенно перспективна в регионах с круглогодичным вегетационным периодом. В среднем продуктивность рясковых составляет 1300 - 3900 т/км² в год [31].

Oчистка технических вод с помощью рясковых. В природе рясковые особенно хорошо растут в эвтрофных, т.е. обогащенных питательными веществами (нитраты, аммиак, фосфаты), водоемах. Опыты показали, что эти растения устойчивы к очень высоким концентрациям этих веществ - таким, которые наблюдаются в водоемах, куда поступают отработанные коммунальные, сельскохозяйственные и промышленные воды. Благодаря быстрому росту рясковые поглощают огромное количество таких веществ, тем самым очищая воду. Эти свойства рясковых позволили их использовать для очистки технической воды. Созданные рядом фирм США и Германии на основе рясок технические установки по очистке воды представляют собой несколько ванн с поверхностью около 200 м² с очищаемой водой и рясковыми, агрегаты по сбору и транспортировке растений, устройства по их сушке, ферментации, накопитель метана, генератор и др. Если поступающая в установку вода содержит 40-60 мг/л взвешенных частиц и 3-5 мг/л фосфора, то после очистки в ней остается этих веществ 3,1 и 0,2 мг/л соответственно. Кроме того, в таких сооружениях существенно подавляется рост водорослей, поскольку щитки рясковых поглощают солнечный свет уже на водной поверхности, ограничивая его доступ в нижележащие слои. Одна такая установка способна обеспечить очистку коммунальных вод для поселка с населением около 100 человек [27].

Очистка вод с животноводческих ферм. Аналогично можно использовать рясковые и для очистки отработанных вод животноводческих ферм. Так, для удаления азота из навозной жижи от 16 коров необходим 1 га водной поверхности с растущей ряской. Эффективность увеличивается, если навозную жижу сначала ферментируют в метан - в этом случае ферма на сто коров может быть еще и полностью обеспечена энергией. А после сушки урожай рясковых можно применять как органическое удобрение. Если выращиваемую на навозной жиже ряску дезинфицировать гипохлоритом, ее можно использовать и на корм скоту [17].

Очистка промышленных вод. Поскольку рясковые могут накапливать и токсичные тяжелые металлы, эти растения предлагают использовать и в очистке промышленных вод. Ряска малая, например, за двое суток уменьшает содержание меди в отработанной воде с 5 мг/л до 1 мг/л. Правда, тяжелые металлы вызывают у растений повреждения, но и это может быть использовано - наличие характерных симптомов дает основания для контроля качества воды. Помимо металлов рясковые могут также удалять из отработанных вод токсичные органические соединения (например, полихлорбифенилы - на 100%). Ряска малая накапливает в больших количествах гербициды. Можно предполагать, что особенно эффективно могут очищаться рясковыми богатые углеводами отработанные воды сахарной промышленности [18].

Применение рясковых в биотехнологических процессах. Другой формой использования рясковых является их применение в биотехнологических процессах, в частности в биореакторах - как поставщика ферментов для ускорения химических превращений. Например, активность некоторых ферментов можно существенно увеличить предварительным выращиванием ряски в условиях недостатка фосфатов. Кроме того, наполнитель из рясковых, высушенный при замораживании или в потоке воздуха, еще долго может сохранять каталитические свойства. Полученные из него сухие препараты в форме гранул через месяцы и годы вновь способны реактивироваться после увлажнения и могут загружаться в биореактор для участия в новых процессах [10].

Использование в медицине. Из рясковых производят и пористые микрокапсулы, состоящие из неразрушенных клеточных стенок, которые используют в хроматографии для разделения смеси веществ на основе различий размеров их молекул, например, отделения низкомолекулярных сахаров, солей от макромолекул (белки), коллоидов и суспензированных частиц (клетки, органеллы). В частности, на этой основе разработаны процессы очистки крови. Перспективно использование таких капсул в молочной промышленности, в очистке питьевой воды. Кроме того, уже несколько десятилетий рясковые, в силу их нетребовательности к среде, небольших размеров и простоты строения, рассматривают как ценный модельный объект для морфогенетических, физиологических, биохимических экспериментов [5].

В народной медицине растение используют как жаропонижающее и мочегонное, противокашлевое, противовоспалительное и ранозаживляющее средство. Полезна при крапивнице, отеках нервного происхождения, при витилиго, подагре, ревматизме, желтухе, воспалениях и опухолях слизистых оболочек верхних дыхательных путей [3].

Химический состав ряски малой (Lemna minor). Сухая масса содержит в среднем около 35% белков, примерно столько же углеводов и 10-15% жиров. Остальное приходится на клетчатку. Белок рясковых отличается высокими потребительскими свойствами - за исключением метионина, цистеина и триптофана он содержит все необходимые для питания аминокислоты в количествах, соответствующих нормам Всемирной продовольственной и сельскохозяйственной организации (ФАО). По содержанию необходимых аминокислот рясковые превосходят такие продовольственные культуры, как кукуруза и рис, а также обогащены лизином, аргинином, аспараговой и глутаминовой кислотами. Содержание углеводов варьирует между 14 и 43% от сухого веса, но и этот показатель можно увеличить на 40% специальными добавками при культивировании. Рясковые также богаты витаминами А1, В1, В2, В6 , С, в особенности много в них витаминов Е (около 0,5 мг/г сухого веса) и РР (никотинамид) - около 0,8 мг/г сухого веса. В сухом веществе ряски содержится до 6% кальция, 3% фосфора. 2% магния. В 100 г сухой массы этого растения 0,048 мг кобальта, 0,018 мг брома, 0,032 мг меди, 0,7 мг никеля, 4,8 мг титана, марганец, йод, цинк, ванадий, радий и другие микроэлементы [4, c. 19].

Успех биоиндикационного исследования во многих случаях зависит от выбора тест - объект - организм, помещенного в анализируемую среду, по выживаемости, состоянию и поведению которого судят о ее качестве. [7]

В наших исследованиях в качестве тест - объекта был выбран один вид семейства рясковых, повсеместно встречающийся на территории Уфимского района Республики Башкортостан - ряска малая (Lemna minor). Поскольку, в отличие от остальных представителей семейства она неприхотлива в содержании, имеет достаточную площадь щитка по сравнению с другими видами, обладает мгновенным ростом (в первые дни набирает максимальный темп роста, затем его приостанавливает), повышенной чувствительностью к загрязнению воды, и на каждый загрязнитель проявляется специфическая реакция.

2.2 Материалы и оборудование для исследования

Ввиду того, что все рясковые размножаются преимущественно вегетативным путем, то популяции растений представляют собой клоны (генетически однородные растения). Для тестирования были взяты колонии ряски, т.е. материнское растение и дочерние щитки. Отбирались только здоровые растения, не имеющие деформированных щитков и корней [17].

Маточная культура, собранная для исследования, содержалась в воде из того водоема, в котором она произрастала.

Применяемые материалы:

- растение ряска малая;

- вода с естественного источника (водоем);

- контейнеры для разведения - 12 штук;

- средство для борьбы с сорняками - гербицид «Торнадо»;

- лампа дневного света;

2.3 Методы исследования

Выявление гербицида с помощью видов семейства рясковых проводились на нескольких уровнях:

- на уровне органов (фиксация морфологических отклонений растений ряски от нормы под действием загрязнителя: хлорозы, пожелтения, увядания листьев, специфические реакции);

- на уровне организма и популяции (метод подсчета реализации репродуктивного потенциала, метод витального окрашивания) [12].

Биологическими параметрами морфологических отклонений растений ряски от нормы под действием загрязнителя являются изменение окраски щитка: пожелтение, побурение, потеря интенсивности окраски, хлорозы, некрозы, увядание щитков, наличие или отсутствие корней [23].

Метод подсчета реализации репродуктивного потенциала.

Для оценки воздействия загрязнителя выбрано время удвоения численности (t_удв), рассчитываемое через коэффициент мгновенного роста популяции (r), изменение которого отражает сопротивление среды, т.е. характеризует сумму всех лимитирующих факторов среды, препятствующих реализации репродуктивного потенциала (r_max), который рассчитывается по контролю. По истечению времени экспозиции в контроле и в каждой концентрации просчитывается общее количество пластинок, включая, материнские особи и пластинки, отделившиеся от материнской особи [9].

В контроле и в каждой концентрации на основании полученных результатов рассчитывается коэффициент мгновенного роста популяции ( r )

где N₀- начальная численность пластинок; N_t - конечная численность пластинок; t - время экспозиции (сутки).

Показатель токсичности среды исследуемых растворов по отношению к контрольному рассчитывается для каждого образца по результатам двух параллельных опытов, выражается в процентах (D_t):

где r_к - коэффициент роста в абсолютном контроле, r_р - коэффициента роста в тестируемой водной среде. При D_t? 4% тестируемый образец воды не токсичен, при D_t ? 4% тестируемый образец воды оказывает острое токсичное действие.

3. Исследование влияние гербицида на жизнь и развитие ряски малой

3.1 Наблюдение реакции ряски малой при добавлении в среду обитания гербицида «Торнадо»

Рясковые впервые как биоиндикаторы стали использоваться для тестирования загрязнения воды пестицидами [11]. Задачей нашего исследования стало определение реакции ряски малой на растворы гербицида. Для эксперимента были взяты растворы «Торнадо» различной концентрации.

Применяемые материалы при исследовании:

- растение ряска малая, вода с естественного источника (водоем);

- пластиковые контейнеры для разведения - 12 штук;

- средство для борьбы с сорняками - гербицид «Торнадо»;

- лампа дневного света.

Условия опыта: ряску культивировали в 12 прозрачных контейнерах при комнатной температуре, при естественном и искусственном освещении. В каждый контейнер помещали по 10 растений. Растения выращивали в воде с разной концентрацией гербицида. Градиент концентраций гербицида составили последовательным разведением предыдущей концентрации в два раза. Концентрации гербицида «Торнадо» в исследуемых вариантах:

Контроль - 0 г/л;

Вариант 1 - 6 г/л;

Вариант 2 - 3 г/л;

Вариант 3 - 1,5 г/л;

Вариант 4 - 0,75 г/л;

Вариант 5 - 0,375 г/л;

Вариант 6 - 0,187 г/л;

Вариант 7 - 0,093 г/л;

Вариант 8 - 0,040 г/л;

Вариант 9 - 0,023 г/л;

Вариант 10- 0,011 г/л;

вариант11- 0,005 г/л;

Вариант 12- 0,002 г/л.

Таблица 1. Динамика изменения числа растений ряски при разных концентрациях в среде гербицида «Торнадо»

неделя	варианты опыта
	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	контроль
1	10	10	10	10	10	10	10	10	10	10	10	10	10
2	3	4	6	6	8	8	8	9	9	10	10	10	11
3	1	2	5	5	7	7	8	8	8	10	11	12	13
4	0	1	4	4	6	6	7	7	7	9	12	13	15
5	0	0	3	3	5	5	6	6	6	9	13	14	17

Таблица 2. Динамика жизненности растений ряски при различных концентрациях гербицида «Торнадо»

неделя

варианты опыта

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

контроль

1

у

у

у

у

у

у

у

н

н

н

н

н

н

2

у

у

у

у

у

у

у

у

у

н

н

н

н

3

о

у

у

у

у

у

у

у

н

н

н

н

4

о

о

о

у

у

у

у

у

у

н

н

н

5

о

о

о

о

о

о

о

о

о

н

н

н

н

состояние нормальное

у

угнетенные (хлороз)

о

отмершие (хлорофилл разрушен)

Результаты проведенных наблюдений представлены в табл. 1, 2. На основании проведенной работы был сделан следующий вывод: чем выше концентрация «Торнадо» в контейнерах тем сильнее выражен процесс угнетения и отмирания ряски. В контрольном варианте благоприятные условия для нахождения и размножения ряски, произошло размножение.

При концентрации средства «Торнадо» 0,005 г на 1 л (вариант №11) и 0,002 г на 1 л (вариант №12) воды среда обитания нормальная - происходит так же размножение ряски, но в меньшем количестве, чем в контрольном контейнере.

3.2 Определение зависимости роста ряски малой от концентрации гербицида

...