Скрининг токсического действия пестицида БИ-58 различными методами биотестирования

Загрязнение природной среды токсикантами техногенного происхождения за последние десятилетия приобрело угрожающие масштабы. Поступление в окружающую среду нехарактерных для нее веществ несет прямую угрозу для представителей биоценозов и экосистем в целом. К числу антропогенных источников загрязнения окружающей среды относится современное сельское хозяйство [1], в котором используется широкий арсенал средств защиты растений [2].

Использование пестицидов имеет значительную экономическую выгоду [3], однако возникает реальная угроза влияния этих соединений не только на вредителей сельскохозяйственных растений, но и на возделываемые культуры [4], поэтому изучение влияния пестицидов на культурные растения представляет значительный научный интерес и является одним из направлений современных экологических исследований. Большинство работ  посвящено  изучению влияния пестицидов на урожайность культур [5, 6], напрямую зависящую от функционирования генеративных органов, поэтому изучение влияния ксенобиотиков на генеративную функцию культурных растений весьма актуально. Следует отметить, что наряду с определением гаметоцидного эффекта ксенобиотиков, очень информативным является метод определения их фитотоксичности на основе угнетения корневого роста тест-растений [7].

Как правило, для определения токсического действия ксенобиотиков применяют один метод исследования, используя в качестве тест-системы либо вегетативные органы, либо генеративные. Однако интересным и мало изученным остается вопрос по определению влияния изучаемых препаратов на различные физиологические системы сельскохозяйственных культур и определение наиболее чувствительной к токсическому действию исследуемого ксенобиотика. В связи с этим в наших исследованиях мы использовали генеративные и вегетативные органы сельскохозяйственных растений для индикации палинотоксического и фитотоксического действия ксенобиотиков на примере БИ-58.

Цель работы – сравнительный анализ фитотоксического и палинотоксического действия различных концентраций БИ-58 на Allium cepa L.

В своих исследованиях мы использовали БИ-58 (40% концентрат эмульсии с рекомендуемой нормой расхода 10 мл на 20 л воды), имеющий широкое применение в агропромышленном комплексе Крыма [2] как контактный и системный инсектоакарицид [8].

В качестве объекта исследования использовали проростки семян Allium cepa L. сорта Халцедон. У указанной культуры изучали: фитотоксичность, документированную на основе ингибирования корневого прироста и угнетения всхожести; палинотоксичность, определяемую по ингибированию продукции фертильной пыльцы.

Материалом для исследования фитотоксичности служили семена A. cepa, обработанные 0,05; 0,1 (рекомендуемая доза); 0,2 и 0,4 мл/л концентрациями пестицида БИ-58 при 6-часовой экспозиции. Контроль – дистиллированная вода. Проращивание проводили при постоянной температуре и влажности. По всем вариантам исследования учитывали следующие параметры:  всхожесть (%) – количество проросших семян (отношение общего количества семян к проросшим); длину корешков, на основании которой рассчитывали показатель фитотоксичности [9]. Полученные данные ранжировали по классификации ЕС10-90 [10].

Для определения палинотоксического эффекта тестируемого препарата A. cepa выращивали в открытом грунте в условиях обработки БИ-58 в диапазоне концентраций 0,05 – 0,4 мл/л. Контрольные растения выращивали без обработки. Грунт экспериментальных делянок – чернозем, рН нейтральное. Рабочие концентрации готовили непосредственно перед применением. Обработку растений проводили однократно в фазу закладки и формирования соцветий при помощи пульверизатора, так как наиболее чувствительными стадиями онтогенеза к пестицидному воздействию являются бутонизация и цветение [11]. Собранные соцветия фиксировали в уксуснокислом алкоголе и хранили в 80%-ном этиловом спирте при t= –20 С. Фертильность пыльцевых зерен определяли йодным методом на временных давленых препаратах [12]. Для сравнения полученные данные приводили к интенсивным показателям [13]. Изучение морфологической структуры пыльцы проводили при помощи системы анализа изображений, включающей микроскоп “LEICA DME”, видеокамеру “CANON S80” и ПК. Для скрининга палинотоксического влияния БИ-58 использовали тест на стерильность мужского гаметофита. Палинотоксический эффект (ПЭ, %) различных концентраций БИ-58 рассчитывали по формуле [14]. Статистическую обработку данных проводили с использованием пакета прикладных программ “Microsoft Excel 2000”, используя в  качестве критерия оценки достоверности наблюдаемых изменений t-критерий Стьюдента [15]. Экспериментальные исследования проводились в 4-х кратной повторности.

Результаты проведенного исследования показали, что изученный препарат оказывал определенное влияние на тест-культуру, что проявлялось в ингибировании корневого прироста и снижении показателя всхожести. БИ-58 в дозе 0,05 мл/л оказывал положительное влияние на элонгацию корней лука, что проявлялось в ее увеличении на 7,14 (p>0,05) по сравнению с контрольным вариантом. Отсутствие достоверных изменений длины корней тест-культур позволило прийти к заключению, что доза 0,05 мл/л фитотоксическим действием не обладает, однако показатель всхожести достоверно снижался на 22,85 %. При увеличении концентрации препарата проявлялось его негативное действие по всем вариантам исследования, проявляющееся в угнетении корневого прироста и снижении всхожести семян. При концентрации тестируемого препарата 0,1 мл/л наблюдалось снижение длины корней на 17,14 % (p<0,001) по сравнению с контролем, всхожести – на 38,21% (p<0,001) соответственно. Следует отметить, что данная доза является рекомендуемой для применения в сельскохозяйственном производстве, однако в наших исследованиях она оказалась фитотоксичной. При увеличении дозы БИ-58 наблюдалось дальнейшее снижение морфометрических показателей корней и всхожести семян. В частности, при дозе 0,2 мл/л длина корней лука уменьшилась на 34,28 % (p<0,001) при снижении количества проросших семян на 40,66% (p<0,001). Как видим, указанные концентрации БИ-58 (0,05; 0,1 и 0,2 мл/л) вызывали достоверное снижение всхожести семян в диапазоне 20–41 %. Аналогичное действие препарат оказывал в дозе 0,4 мл/л, в частности, длина корней снизилась на 44,28% (p<0,001), а показатель всхожести – на 46,16% (p<0,001) по сравнению с контролем. Ранжирование полученных показателей фитотоксичности по классификации ЕС10-90, позволило прийти к заключению, что БИ-58 в диапазоне 0,1 – 0,4 мл/л оказывал среднетоксичное действие на клетки апикальной корневой меристемы лука. Таким образом, повышенные концентрации БИ-58 оказывали выраженное фитотоксическое действие на исследуемую культуру, проявлявшееся в снижении всхожести семян и угнетении ростовых процессов. Полученные данные подтверждают необходимость установления нетоксичных доз препаратов с целью рекомендации их к применению в сельскохозяйственном производстве.

Параллельно с определением фитотоксичности было исследовано гаметоцидное влияние различных доз БИ-58 на A. cepa. Результаты проведенных исследований показали, что мужская генеративная сфера A. cepa характеризуется высоким показателем фертильности пыльцы. В частности, фертильность контрольного варианта в наших исследованиях достигала 99,2 % при спонтанном уровне стерильности 0,8%. Обработка опытных растений 0,05 мл/л дозой тестируемого препарата существенного влияния на органы репродукции не оказывала, о чем свидетельствует высокий уровень фертильности мужского гаметофита (97,2%) и отсутствие достоверных отличий по сравнению с контрольным вариантом.

Дальнейшее увеличение концентрации БИ-58 вызывало достоверное снижение продукции фертильной пыльцы. Использование рекомендуемой к применению дозы (0,1 мл/л) практически не повлияло на показатель фертильности, величина которого достигла 97,2 %. При увеличении концентрации БИ-58 до 0,2 мл/л было отмечено снижение фертильности пыльцы в 1,16 раза (р<0,001) по сравнению с контрольным вариантом, при 0,4 мл/л – в 1,19 раза (р<0,001) соответственно. Таким образом, мужской гаметофит A. cepa характеризуется высоким показателем фертильности, который достоверно снижался при концентрациях БИ-58 0,2 и 0,4 мл/л.

Параллельно была рассчитана величина индекса стерильности (показывающая во сколько раз частота индуцированного уровня стерильности, вызванная действием препарата, выше уровня спонтанной стерильности в контроле). При концентрации препарата 0,05 и 0,1 мл/л его величина колебалась в пределах 3,23–3,32. При повышенных концентрациях (0,2 и 0,04 мл/л) индекс стерильности резко увеличился в диапазоне 16,92–19,82. Следовательно, повышенные концентрации препарата БИ-58 вызывали увеличение индекса стерильности.

Палиноморфологическая оценка пыльцы показала, что практически вся пыльца имела идентичную морфоструктуру и нарушений морфологии обнаружено не было. В 4 и 5 вариантах исследования (0,2 и 0,4 мл/л) были обнаружены крупные абортивные пыльцевые зерна (рис. 1 а), что может быть результатом нарушения расхождения тетрад микроспор при микроспорогенезе [16]. Количество крупных пыльцевых зерен составило 18 % от общего количества абортивной пыльцы в 4 варианте исследования (0,2 мл/л) и 25 % в 5 варианте (0,4 мл/л) соответственно.


Рис. 1. Гипертрофированное пыльцевое зерно
Allium cepa L. (вверху слева; увел. 10х0.22, обработка
0,2 мл/л БИ-58)

 Изменение фенотипа пыльцы, продуцируемой растениями, обработанными высокими концентрациями БИ-58, может свидетельствовать об их токсичном действии на органы мужской репродукции тест-растения. Данное предположение подтверждает расчет показателя палинотоксического эффекта (ПЭ) различных концентраций БИ-58. Низкие концентрации (0,05 мл/л), в том числе и рекомендуемая к применению доза (0,1 мл/л), палинотоксического эффекта на мужскую генеративную систему лука не оказывали.

Концентрации 0,2 и 0,4 мл/л обладали достаточно выраженной палинотоксичностью, ранжирование полученных показателей ПЭ по классификации ЕС10-90, позволило прийти к заключению, что БИ-58 в указанном диапазоне концентраций оказывал среднетоксичное действие на мужскую генеративную сферу A. cepa. Таким образом, низкие концентрации тестируемого препарата (0,05 и 0,1 мл/л) палинотоксическим и модифицирующим действием на мужской гаметофит лука не обладали, высокие дозы БИ-58 оказывали среднетоксичное действие, проявляющееся в повышенной продукции стерильной пыльцы с нарушенной морфоструктурой.

Сравнительный анализ фито- и палинотоксичного эффекта БИ-58 на A. cepa  показал, что тест на определение показателя фитотоксического эффекта оказался более чувствительным, чем определение палинотоксичности. По-видимому, данное явление является результатом более длительной экспозиции семян в диапазоне исследованных концентраций тестируемого препарата (6 часов), в то время как при определении палинотоксичности соцветия обрабатывались однократно. В целом, полученные результаты позволили прийти к заключению, что оба теста дали практически сходные результаты и могут успешно применяться в экологических исследованиях.

Выводы

  • Концентрация БИ-58 (0,1 мл/л), рекомендуемая к применению, обладала выраженным  фитотоксическим действием на Allium cepa L. Доза, ниже рекомендуемой (0,05 мл/л) не оказывала фитотоксического эффекта на тест-культуру,  но вызывала снижение всхожести семян на 21,33%.
  • Выраженное фитотоксическое действие на семена Allium cepa L., проявляющееся в ингибировании корневого прироста и всхожести семян, оказывали высокие концентрации БИ-58 (0,2 и 0,4 мл/л).
  • Концентрации БИ-58 (0,05 и 0,1 мл/л) не оказывали палинотоксического эффекта на мужскую генеративную систему Allium cepa L. Высокие концентрации БИ-58 (0,2 и 0,4 мл/л) оказывали среднетоксичное действие на генеративную сферу, проявляющееся в повышенной продукции крупной пыльцы с нарушенной морфоструктурой.
  • Сравнительный анализ фито- и палинотоксичного эффекта БИ-58 на Allium cepa L. показал, что тест на определение показателя фитотоксичности оказался более чувствительным, чем определение палинотоксичности.
  • Установлено, что мужская генеративная сфера Allium cepa L. характеризуется высоким показателем фертильности и рекомендуется для скрининга палинотоксичного действия ксенобиотиков.

Список літератури

  1. Kookana R.S. Pesticide fate in farming systems: Research and monitoring / R.S. Kookana, B.W. Simpson // Abstr. International Symposium in Soil and Plant Analysis „Opportunities for the 21st Century: Eхpanding the Horizons for Soil, Plant and Water Analysis”, Brisbane, March 22-26, 1999. – Commun. Soil Sci. and Plant Anal. – 2000. – Vol. 31, № 11–14. – Р. 1641–1659.
  2. Эмирова Д.Э. Анализ пестицидной нагрузки на сельскохозяйственные почвы Крыма / Д.Э. Эмирова, Э.Р. Алиев // Materialy IV Międzynarodowej naukowi-praktycznej konferenji «Strategiczne pytania światowej nauki – 2008». – Tym 8. Rolnictwo. Weterynaria. Chemia I chemiczne technologie. Ekologia. Geografia i geologia: Przemyśl. – Nauka i studia, 2008. – S. 63–66.
  3. Лісовий М.П. Інтегровані методи захисту рослин і можливості альтернативного (біологічного) землеробства в Україні / М.П. Лісовий // Вісн. аграр. науки. – 1997. – № 9. – С. 37–40, 97, 99.
  4. Охрана окружающей среды при использовании пестицидов / [Л.И. Бублик, В.П. Васильев, Н.А. Гороховский и др.]; под ред. В.П. Васильева. – К.: Урожай, 1983. – 128 с.
  5. Blackshaw R.E. Dry bean (Phaseolus vulgaris) tolerance to imazethapyr / R.E. Blackshaw, G. Saindon // Can. J. Plant Sci. – 1996. – Vol. 76, № 4. – P. 915–919.
  6. Rola H. Wplyw herbicydów na wzrost, rozwój I planowanie mieszańcoów Kykyrydzy / H. Rola // Ref. 38. Sec. nauk. Inst. ochr. rosl., Poznan, 1998 // Post. оchr. rosl. – 1998. – Vol. 38, № 1. – Р. 73–78.
  7. Magnani T. Saggi di fitotossicita su sottoprodotti destinati al suolo agricolo. Confronto fra metodiche / T.  Magnani // Biol. Ital. – 1996. – Vol. 26, № 3. – Р. 49–53.
  8. Мартыненко В.И. Пестициды: Справочник. / В.И. Мартыненко, В.К. Промоненко и др. – М.: Агропроиздат, 1992. – 307 с.
  9. Федорова Г. В. Практикум з біогеохімії для екологів: (Навчальний посібник) / Федорова Галина Володимирівна.  – Київ: «КНТ», 2007. – 288 с.
  10. Довгалюк А.И. Оценка фито- и цитотоксической активности соединений тяжелых металлов и алюминия с помощью корневой апикальной меристемы лука / А.И. Довгалюк, Т.Б. Калиняк, Я.Б. Блюм // Цитология и генетика. – 2001. – № 1. – Т. 35. – С. 3–9.
  11. Жумашев Ж.А. Морфо-физиологические особенности кормовых бобовых видов растений, произрастающих на загрязненной пестицидами почве / Ж.А. Жумашев // III-ий Международный конгресс студентов и молодых ученых “Мир Науки”, посвященный 75-летию КазНУ им. Аль-Фараби (28-30 апреля 2009 г., г. Алматы): Материалы III-го Международного конгресса студентов и молодых ученых “Мир Науки”. – Алматы: Казахский Национальный университет им. Аль-Фараби, 2009. – С. 103–104.
  12. Паушева З. П. Практикум по цитологии растений / Паушева Зоя Петровна. – М.: Колос, 1980. – 304 с.
  13. Мерков А.М. Санитарная статистика / А.М. Мерков, Л.Е. Поляков – М.: Медицина, 1974. – 384 с.
  14. Пат. 32513 України на корисну модель, МПК (2006) G01N 33/00 G01N 1/00 Спосіб визначення палінотоксичності техногенних хімічних забруднювачів навколишнього середовища / Д.В. Балічиєва, Е.Е. Ібрагімова, Д.Е. Емірова – № u200711625; заявл. 22.10.2007; опубл. 26.05.2008, бюл. № 10.
  15. Плохинский Н.А. Биометрия / Н.А. Плохинский – М.: МГУ, 1970. – 367 с.
  16. Ібрагімова Е.Е. Екологічна оцінка дії техногенних хімічних забруднень на цитогенетичні показники вищих рослин в умовах Криму: Автореф. дис. … канд. біол. наук: 03.00.16 / Ібрагімова Е.Е. – КНУ. – Київ, 2008. – 20 с.

УДК 581.2.07
Эмирова Д. Э.  Скрининг токсического действия пестицида БИ-58 различными методами биотестирования [Електронний ресурс]  / [Эмирова Д. Э., Ибрагимова Э. Э., Баличиева Д. В.] // Збірник наукових статей “ІІІ-го Всеукраїнського з’їзду екологів з міжнародною участю”. – Вінниця, 2011. – Том.2. – С.598–601. Режим доступу: http://eco.com.ua/

Скачати в форматі pdf:

Оцінка: 
0
No votes yet