Рясковые как модельный объект в биотестировании водной и почвенной среды

Введение. Рясковые ( Lemnaceae ) – самые маленькие водные растения с простым строением. Виды семейства рясковых распространены по всей Земле, за исключением жарких сухих пустынь и холодных полярных областей. Семейство Lemnaceae состоит из 37 видов, которые распределены в пять родов: Lemna, Spirodella, Landoltia, Wollfia, Wolffiella [16; 17; 31; 33]. Более 30 видов семейства обитают в тропиках и субтропиках, остальные - в умеренном поясе [6; 7]. Простота строения и большая скорость размножения сделали виды семейства рясковых удобным модельным объектом для экологических исследований.

Вегетативное тело – листец или фронд, состоит в основном из губчатого мезофилла с большими воздушными мешками, что делает эти растения плавучими на поверхности воды. Корней мало, у ряда видов один, у много-коренника несколько - 6-10, у вольфии их нет вообще.

Роды рясковых различаются формой ли-стецов (почковидная, округлая, эллиптическая, ланцетная, линейная, шаровидная и овальная), числом корней, архитектоникой клонов. Вегетативное тело рясковых – это одно отдельное растение, от которого вегетативно формируются дочерние листецы [6]. Одно растение может образовывать 10–14 дочерних листецов (колония). У разных видов рясковых дочерние листецы формируются по-разному: у ряски малой из двух боковых кармашков, виды вольфии снабжены одним базальным кармашком из которого образуется дочерний листец [20].

В природе рясковые особенно хорошо растут в эвтотрофных, т.е. обогащенных питательными веществами (нитраты, аммиак, фосфаты) водоемах. 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 веществ, тем самым очищая воду. Содержание азота в клетках рясковых может в 2000 раз превышать его концентрацию в воде, фосфора – в 7000, калия – в 5000 раз. 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. [13; 14].

Рясковые могут выступать как индикаторы загрязнения почвы и воды путем приостановки роста, гибели или появления специфических ответных реакций. В 1976 г. William Hillman предложил использовать растения семейства рясковых как модельный объект в экологических исследованиях [15]. Замечательная способность рясковых приспосабливаться к изменению климата без изменения своей структуры позволила им существовать как в водоемах тундры, так и тропических лесах Амазонки.

В задачу настоящего обзора входил анализ имеющихся методов и подходов с использованием видов семейства рясковых в биологическом тестировании водной и почвенной среды, а также рассмотрение дальнейших перспектив использования данного метода в схемах биологического контроля почвы.

Аналитический обзор. К. Линей (1707– 1778) был первым ботаником, который описал четыре вида Lemna . Подробно морфологию и особенности роста рясковых изучили зарубежные авторы Jacobs (1947), Landolt (1986), Lemon, Polsluszny (2000), Sree, Maheshwari (2015) [21; 24; 26; 27]. В России семейство рясковых описано А.Л. Тахтаджяном (1982) в многотомном издании «Жизнь растений». В разделе представлены характеристики видов, обитающих на территории России, приводятся данные о способах размножения, по использованию, имеются великолепные рисунки, позволяющие понять строение рясковых [6].

На основе экспериментов с видами семейства рясковых в конце 1980 г. рясковый тест стал базовым методом для оценки водного загрязнения при анализе воды и почвенных вытяжек [25]. Организация экономического сотрудничества и развития (OECD, 2006) в 2006 г. и международная организация по стандартам (ISO, 2005) утвердили в качестве основного метода рясковый тест за счет небольших размеров самих растений, быстроты роста, простоты содержания и легкости идентификации. Вид ряски малой ( Lemna minor L.) с 1979 г. является первым видом водных макрофитов, который используется в стандартизированной процедуре по установлению загрязнения воды (ЕС, 2007).

На сегодняшний день из 37 видов рясковых в биотестировании используются два вида: ряска малая ( L. minor) и ряска горбатая ( L. gibba) . В Канаде и Европе ряска малая – стандарт в протоколах по биотестированию водной среды, в США – ряска горбатая [28; 30].

Другие виды рясок также используются в биотестировании, но в меньшей степени. В последние годы возрос интерес к многокореннику обыкновенному (Spirodela pollirhiza). Этот вид является самым крупным из всех представителей семейства рясковых. Листец может достигать 1 см. Характерной особенностью этого вида является образование турионов, которые выступают в роли покоящихся почек, содержат питательные вещества в виде крахмала, что позволяет растению переносить понижение температуры в водоеме [11; 18; 22]. Этот вид также удобно содержать в культуре, вести анализ и использовать как индикатор состояния природной среды. Appenroth и другие авторы отмечали, что раннее образование турионов в природной среде может выступать сигналом изменения природной среды. Автор также наблюдала в 2009 г. в водоемах г. Краснодара образование турионов в середине августа, вме- сто привычного конца сентября и начала октября [10; 12].

стецов; сохранение либо отпадание корешков у растений (рис. 1, 2).

Рядом авторов было установлено, что соли тяжелых металлов (ТМ) оказывают негативное влияние на содержание хлорофилла и ка-ратиноидов в листецах рясковых [1; 2; 3; 4; 5; 23; 29; 32]. Для определения действия металлов на растения ряски используют как ростовые характеристики (скорость роста, площадь поверхности листецов, количество колоний листецов, площадь поверхности пластинок, сухой или живой вес), так и физиологические (содержание хлорофилла а и б, концентрация каратиноидов, процесс замедленной реакции хлорофилла). На фоне многообразия тестирующих параметров в стандартной процедуре оценки в рясковом тесте для выявления действия ТМ используют сухой вес, содержание хлорофилла и коэффициент роста. Cedergreen (2007) указал, что такие параметры, как содержание хлорофилла, могут быть разными и не коррелировать с ростовыми характеристиками, особенно если в водной среде находится несколько поллютантов [19]. В этой связи предлагается в качестве биомаркеров брать число листецов в конце эксперимента по отношению к контролю и их вес.

а                      б

в                        г

Рисунок 1 – Изменение цвета листецов ряски малой ( Lemna minor L.) в эксперименте: а – контроль (интенсивная зеленая окраска); б – потеря окраски, зеленые только точки роста; в – бедно-зеленые листецы;

г – рассоединение листецов

а                       а

В большинстве протоколов по биотестированию используется несколько периодов: короткий (7 дней), средний (14 дней) и длительный (21 день). Этот вопрос является важным, т.к. характер действия поллютантов может сказаться либо сразу, либо длительно, а в некоторых случаях умеренно [19; 20]. Кроме продолжительности эксперимента, существует еще несколько дискуссионных вопросов по процедуре тестирования.

Первый блок вопросов связан с созданием базы данных ответных реакций видов рясок на действие поллютантов. При анализе действия ТМ на ряску рядом авторов – Сердюков С.Ю. (2011), Кислицина М.Н., Борисова Г.Г. (2016), Цаценко Л.В., Филипчук О.Д. (1997), Appenroth K.J., Ziegler P., Sree K.S. (2016) [3; 1; 9; 15] кроме приостановки роста, наблюдались специфические ответные реакции листе-цов: пожелтение или побледнение (хлороз), полное обесцвечивание (некроз), в некоторых случаях – голубоватый цвет. Отмечали локализацию и обширность участков с измененной окраской, а также характер изменения окраски у листецов разного возраста. Наблюдали сохранение групп растений ряски (состоящих из 4–8 листецов, связанных гиалиновыми нитями) либо их распад, частичный или полный, до обособленных ли-

Рисунок 2 – Ответные реакции многокоренника обыкновенного ( Spirodella pollyrhiza ): а – контроль; б – частичная потеря окраски; в – частичное побурение листецов; г – отмирание корней и появление турионов

Второй блок вопросов связан с количеством видов рясковых для биотестирования. Стандартно в биотестировании берутся два тест-объекта из разных видов и даже семейств. При анализе почвенных вытяжек в анализ включают семена редиса красного, пшеницы, ячменя, кресс-салата. Поскольку у рясковых чувствительность к поллютантам у разных видов различна, можно брать 2–3 вида из этого семейства. На сегодняшний день наиболее распространенные виды в биотестировании: ряска малая, ряска горбатая и многокоренник [7; 8; 9; 10; 32; 33].

Третий блок вопросов связан с содержанием видов рясок в коллекции. На сегодняшний день в мире существует нескольких научных центров, поддерживающих коллекцию клонов из видов семейства рясковых. Landolf создал и поддерживал коллекцию рясок в культуре (Цюрих, Швейцария). Этой коллекции более 50 лет [24]. В институте физиологии растений университета Йены, Германия, коллекция клонов L. minor с 1946 г. [15]. Большая коллекции рясок находится в Ратгерском университете, Нью Джерси, США [23]. Сравнительно молодая, но уникальная коллекция из 220 клонов видов рясок собрана с острова Хайнан, Китай, отличительной чертой этой коллекции является то, что она содержит местные виды рясок острова, которые разнятся по чувствительности к поллютантам [31].

Заключение. В мире интерес к представителям самых маленьких цветковых растений постоянно увеличивается. Это объясняется многими причинами: ряска удивительно быстро размножается, она нетребовательна к условиям произрастания, встречается повсеместно. Накопившийся объем научной информации позволил использовать ряску как объект в биотестировании почвы и воды, а наличие специфических ответных реакций на определенные поллютанты сделали ее еще и уникальной биологической аналитической системой и модельным объектом в биотестировании. Использование видов рясковых в анализе почвенного загрязнения путем получения почвенных вытяжек в системе агроэкологического мониторинга становится актуальным вопросом сегодняшнего дня.

Возможность использовать эти маленькие растения в биоочистке загрязненных вод послужила причиной проведения ряда интересных исследований по их промышленному использованию как биофильтров. Ранее изучением рясковых занимались ученые-перво- проходцы, работы которых были объединены на одной информационной платформе «Очарование рясковых». Из маленького, таинственного растения рясковые превратились в интенсивный объект исследования специалистов различных областей.

Виды семейства рясковых показали широкий спектр своего применения в качестве модельного объекта в установлении токсичности и разных видов загрязнения водной и почвенной среды. Несмотря на то, что стандартизированы методики с использованием L. minor и L. gibba в качестве тестируемых организмов и они эффективны, вопросы понимания механизмов, приводящих к токсичности различных компонентов водной среды, еще далеки от завершения. Внедрение методов генного анализа, основанного на экспрессии генов генома рясковых, позволит получить объемную информацию о токсичности водной и почвенной среды.

Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ и Правительства Краснодарского края в рамках научного проекта № 17-13-23001-ОГН/18 "Северный Кавказ: традиции и современность".