МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ
СИБИРСКИЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
ИНСТИТУТ ФУНДАМЕНТАЛЬНОЙ БИОЛОГИИ И БИОТЕХНОЛОГИИ
КАФЕДРА ФИЗИОЛОГИИ РАСТЕНИЙ И БИОТЕХНОЛОГИИ
Курсовая работа
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МЕТОДА ЛЮМИНЕСЦЕНТНОЙ МИКРОСКОПИИ В ИССЛЕДОВАНИИ МИКРОВОДОРОСЛЕЙ
студентка IIIкурса
Н.А. Толстоноженко
Красноярск 2008
СОДЕРЖАНИЕ
Введение
Глава 1. Обзор литературы
1.1 Явление флуоресценции
1.2 Развитие флуоресцентной микроскопии
1.3 Флуорохромы и флуорохромирование
Глава 2. Объекты и методы исследования
2.1 Объекты флуоресцентной микроскопии
2.2 Возможности флуоресцентной микроскопии
Глава 3. Использование метода люминесцентной микроскопии в исследовании микроводорослей
3.1 Выявление физиологического состояния клеток микроводорослей
3.2 Количественная регистрация интенсивности флуоресценции
3.3Оценка степени токсичности отдельных веществ для водорослей
3.4Определение содержания витаминов в растительных клетках
Заключение
Список литературы
Summary
ВВЕДЕНИЕ
Функционирование и роль микроводорослей в различных экосистемах определяется широкими адаптационными способностями, которые включают изменение структурных и физиологических свойств фотосинтетического аппарата.
Изучение модельных систем естественного фитопланктона позволяет решить ряд теоретических проблем в области исследований фотосинтеза, а также имеет практическое значение для прогнозирования развития водорослей при возрастающей антропогенной нагрузке.
Флуоресцентные характеристики фитопланктона используются для оперативного определения концентрации хлорофилла, на основе которой рассчитывается биомасса и продуктивность водорослей. Измерение концентрации хлорофилла позволяет получить сведения о фотосинтетической активности микроводорослей. [14]
В настоящее время метод флуоресцентного анализа выступает в качестве методической основы решения двух крупных проблем: интеграция биологических (растительных) систем и организация мониторинга.
Преимущество люминесцентной микроскопии, как одного из флуоресцентных методов исследования, заключается в том, что информацию о состоянии фотосинтетического аппарата и отдельных клеток можно получить за очень короткий срок при относительно малом объёме проб. [10]
Целью работы является изучение метода люминесцентной микроскопии для исследования состояния микроводорослей.
В задачи работы входило:
1. Ознакомиться с особенностями люминесцентной микроскопии, местом её среди флуоресцентных методов исследования.
2. Изучить методику выявления физиологического состояния и оценки степени токсичности отдельных веществ для клеток микроводорослей с помощью люминесцентной микроскопии.
3.Изучить методику определения содержания нефлуоресцирующих веществ – витаминов – в растительных клетках с помощью исследуемого метода.
4. Изучить методику количественной регистрации интенсивности флуоресценции методом люминесцентного микроскопирования.
ГЛАВА 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ
1.1 Явление флуоресценции
При взаимодействии света с веществом может происходить преломление световых лучей и их рассеяние, либо поглощение фотонов молекулами, или то и другое вместе. Если произошло поглощение кванта света, то через 10-9
с может происходить испускание части поглощённой энергии в виде кванта света с большей длиной волны: такое излучение называется люминесценцией. Встречающиеся в природе явления люминесценции весьма разнообразны. [5]
Различают два вида люминесценции, отличающихся по времени жизни и энергии излучаемых фотонов. Исходя из наиболее характерного качественного признака люминесценции – степени её длительности – различают флуоресценцию – свечение мгновенное, появляющееся лишь в момент возбуждения светящегося объекта, и фосфоресценцию – свечение более длительное, продолжающееся иногда весьма долго по окончании возбуждения. Изучение люминесценции позволяет судить о строении поглощающих свет молекул и участков молекул (хромофоров), а также производить их качественный и количественный анализ, выяснять физико-химические свойства среды, окружающей молекулы или их хромофорные группы. [6]
Различают собственную (первичную) люминесценцию, наблюдаемую без окрашивания, и вторичную (наведённую), которая возникает после обработки химическим агентом или красителем. [9]
Согласно закону Стокса, спектр флуоресценции лежит в более длинноволновой области по сравнению со спектром поглощения того же соединения. Это означает, что средняя энергия квантов флуоресценции меньше средней энергии поглощённых квантов.
Правило Каши относится к форме спектра флуоресценции при возбуждении объекта светом разных длин волн. Испускание квантов флуоресценции всегда происходит с нижнего возбуждённого уровня молекул, независимо от того, на каком уровне оказался электрон в результате поглощения. Т.е. какой бы длиной волны не была возбуждена молекула, излучение будет происходить из одного и того же состояния молекулы. [7]
Интенсивность флуоресценции (Iф) зависит от концентрации флуоресцирующих молекул (Z), интенсивности возбуждающего света (Iв), значение молярного коэффициента поглощения (Еλ) и величины квантового выхода флуоресценции
(Кλ): Iф=2,3*Iв* Еλ* Кλ* Z*L,
где L – длина оптического пути в объекте. Измеряемая интенсивность флуоресценции даёт информацию о величине Кλ*Z, т.е. о количестве флуоресцирующих молекул и их способности флуоресцировать (квантовый выход). Это уравнение справедливо при поглощении объектом менее 5% возбуждающего света, что обычно имеет место в физиологических опытах. При поглощении более 5% света наблюдается нелинейная зависимость. [8]
Для характеристики флуоресценции помимо её интенсивности и квантового выхода, можно использовать значения смещения максимума флуоресценции по спектру, время жизни флуоресценции молекулы и степень поляризации флуоресценции. Перечисленные параметры позволяют получить информацию о характере взаимодействия флуоресцентных молекул между собой и с окружающей их средой. [6]
1.2 Развитие флуоресцентной микроскопии
Люминесцентная микроскопия – метод микроскопии, позволяющий наблюдать первичную или вторичную люминесценцию микроорганизмов, клеток, тканей или отдельных структур, входящих в их состав.
Цвет люминесценции, т.е. длина волны излучаемого света зависит от химической структуры и от физико–химического состояния микроскопируемого объекта, что и обуславливает возможность использование люминесцентной микроскопии в целях микробиологической и цитологической диагностики, для дифференцирования отдельных компонентов клеток. Первичная люминесценция присуща ряду биологически активных веществ, таких, как ароматические аминокислоты, порфирины, хлорофилл, витамины А, В2, В1, некоторые антибиотики (тетрациклин) и химиотерапевтические вещества (акрихин, риванол). Вторичная, или наведённая, люминесценция возникает в результате обработки микроскопируемых объектов флюоресцирующими красителями – флюорохромами, что позволяет проводить люминесцентно–цитологический и люминесцентно–цитохимический анализ. [16]
В истории развития люминесцентной микроскопии выделяют несколько этапов, связанных с усовершенствованием методики.
Люминесцентная микроскопия появилась в начале прошлого века как разновидность ультрафиолетовой микроскопии. В 1910 году А. Кёллер доказал принципиальную возможность создания люминесцентного микроскопа. В 1911 г. изобретён люминесцентный микроскоп, который был использован русским ботаником М.С. Цветом для изучения люминесценции хлорофилла растительных клеток. Прогресс люминесцентной микроскопии в дальнейшем был связан с введением в практику флуоресцентных красителей, так называемых флуорохромов, которые были разработаны Хайтингером и его сотрудниками в 1935 году. Применение сильно разбавленных растворов флуорохромов, избирательно связывающихся с определёнными структурами клеток, и прежде всего акридинового оранжевого, было введено Штруггером в 1940 году. Происходило и усовершенствование аппаратуры (разработка метода возбуждения люминесценции падающим светом через объектив микроскопа с использованием интерференционной светоделительной пластинки), разработка новых люминесцентно-цитохимических методов, изысканием новых областей её применения, нашедших широкое применение в микробиологии, иммунологии и других областях медико–биологических исследований.
В настоящее время различают несколько типов люминесцентной микроскопии в зависимости от характера освещения.
При освещении объекта проходящим светом (обычный путь освещения) имеют дело со светопольной люминесцентной микроскопией.
Замена светопольного конденсора конденсором тёмного поля даёт возможность осуществить люминесцентную микроскопию в тёмном поле (люминесцентная ультрамикроскопия).
В случае освещения объекта сверху - имеют дело с люминесцентной микроскопией в падающем (отражённом) свете. [11]
1.3 Флуорохромы и флуорохромирование
У подавляющего большинства биологических объектов их собственная неяркая люминесценция не позволяет проводить люминесцентно-микроскопические исследования и для избирательного выявления определённых структур применяют люминесцентные красители - флуорохромы. Некоторые из этих красителей диффузно распределяются в клетках, другие избирательно связываются с определёнными структурами клеток или даже с определёнными химическими веществами.
Известно несколько десятков органических соединений, с успехом используемых в качестве флуорохромов. К ним относятся красители: тиазоловые, хинолиновые, азокрасители и особенно акриловые производные. Хорошими флуорохромами являются некоторые естественные пигменты (хлорофилл, липохромы), алкалоиды (берберин, хинин), углеводороды (бензпирен, дибензаантрацен). Флуорохромы применяются в сильно разведённых водных или спиртовых растворах (от 1:1000 до 1:100000). Углеводороды (бензипрен) растворяют в насыщенном водном растворе кофеина.
Флуорохромирование проводят либо прижизненно, либо на фиксированных препаратах. Прижизненное флуорохромирование в свою очередь может быть осуществлено или на целом животном или растительном организме (путём инъекции или введения с пищей), или на отдельных тканях и клетках. Прижизненное флуорохромирование особенно полезно при исследованиях функционального состояния и физико-химической характеристики органов, тканей, клеток. [3]
Преимущества флуоресцирующих красителей перед обычными цитологическими или гистологическими реактивами заключается прежде всего в возможности применять флуорохромы в самых минимальных количествах и в очень слабых концентрациях (1:100000 – 1:5000000). Благодаря этому химическое, повреждающее воздействие на клетки сводится до минимума, объект изучается в наиболее физиологических условиях. Относительная безвредность флуорохромирования позволяет так же широко использовать метод прижизненной окраски, имеющий большие преимущества, особенно в цито- и гистофизиологии.
Второе крупное достоинство метода флуорохромирования состоит в быстроте работы. Для проведения исследования обычно требуются доли минуты. Даже самая длительная окраска препаратов занимает максимум 20-30 минут. Расход флуоресцирующих красок из-за больших разведений очень невелик.
Выбор флуорохрома диктуется целью исследования, характером объекта, природой флуоресцирующего вещества, его кислотностью, цветом и др.
По физико-химическим свойствам флуоресцентные красители можно разделить на три группы.
1. Щёлочные флуорохромы – характеризуются тем, что находятся в кислой среде в сильно диссоциированном состоянии. Флуоресцирующим компонентом краски является положительно заряженный катион. В сильно щёлочных растворах такие краски находятся в недиссоциированном состоянии.
2. Кислые флуорохромы – диссоциируются в щёлочной среде. Флуоресцирующим компонентом краски является отрицательно заряженный анион.
Электронейтральные флуорохромы – слабо кислые или слабо щёлочные краски, диссоциация которых при флуорохромировании не имеет практического значения, поскольку флуоресцирующими свойствами обладает целая молекула. [5]
ГЛАВА 2. ОБЪЕКТЫ И МЕТОЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
2.1 Объекты люминесцентной микроскопии
Собственная (первичная) люминесценция присуща только некоторым структурам в исследуемых микроскопических препаратах. Большинство веществ биологического происхождения имеет весьма мало интенсивную голубую, синюю или фиолетовую люминесценцию (максимумы в спектрах люминесценции многих из них лежат в ультрафиолетовой области спектра), поэтому возбуждать люминесценцию биологических объектов необходимо ультрафиолетовым светом, а в качестве «запирающего» светофильтра выбирать такой, который отсекает только ультрафиолет.
Природными люминесцирующими веществами растительной клетки являются хлорофилл, порфирин, фикоэритрин, а также клетчатка, пектин, хитин. Представители разных систематических отделов растений обладают различным набором хлорофиллов и фикобилинов. Диффузное распределение пигментов, специфичное для клеток водорослей, вызывает свечение самих клеток. У высших растений наблюдается свечение пластид. Пигментный состав, а значит и спектральные характеристики, в том числе люминесцентные, одноклеточных водорослей более вариабельны, чем у многоклеточных водорослей и высших растений, и в большей степени зависят от условий обитания, возраста, сезона года и т.д. [1]
Некоторые витамины (А, В2
), пигменты (липофусцины, хлорофилл), а так же другие вещества под влиянием более или менее длительного освещения ультрафиолетовым излучением претерпевают фотохимические изменения и перестают люминесцировать. Поэтому микроскопирование таких веществ следует проводить по возможности быстро, часто меняя места наблюдения в исследуемом объекте. [2]
В настоящее время люминесцентная микроскопия находит всё более широкое применение в различных областях научной и практической работы: в вирусологии, гистологии (нормальной и патологической), физиологии, ботанике, онкологии, радиобиологии, а так же при проведении лабораторно-клинических анализов, в санитарных и судебно-медицинских исследованиях. Большой интерес представляет предложенный Кунсом и его сотрудниками исключительно чувствительный люминесцентно-иммунохимический метод меченых антител.
Люминесцентная микроскопия, наряду с другими флуоресцентными методами, применяется в физиологии растений. Часто объектами исследований являются представители растительных сообществ водоёмов: фитопланктона, фитобентоса, фитообрастаний, макрофиты, донные отложения, а также лабораторные культуры водорослей. Например, для тестирования вод различной степени загрязнённости перспективно использовать альгологически чистые культуры зелёных водорослей Scenedesmusquadricaudaи Chlorellavulgaris, синезелёной водоросли Microcystisaeruginosa, а так же культуру морской жёлто-зелёной водоросли Phaeodactilumtricornutum. Зелёные и сине-зелёные водоросли повсеместно распространены в водоёмах умеренной зоны, а жёлто-зелёные водоросли широко представлены в морях. [12]
2.2 Возможности флуоресцентной микроскопии
Преимуществами метода флуоресцентной микроскопии является быстрота оценки жизненного состояния клеток водорослей и высших растений без какого-либо их повреждения. Они экономичны по времени и точны, за короткое время можно исследовать большое количество проб на небольшом по объёму материале (например, достаточно 0,5-1,0 мл суспензии водорослей). Особенно удобен метод для экспресс-анализа токсичности различных веществ или сточных вод, а так же для выявления степени загрязнённости различных водоёмов.
Метод хорошо сочетается с биологическими показателями: изменение численности клеток водорослей, видовым разнообразием, даёт быструю и чёткую оценку состояния фитоматериала в целом биоценозе, что позволяет провести биоиндикационную оценку отдельных компонентов биоценоза (фитопланктона, фитобентоса, фитообрастаний, высших растений). Одновременное использование люминесцентной микроскопии и измерения флуоресценции хлорофилла даёт возможность установить первичные поражения растительной клетки, а так же длительность и глубину этого явления и сопровождающие их процессы адаптации при низких концентрациях токсических веществ.
ГЛАВА 3. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МЕТОДА ЛЮМИНИСЦЕНТНОЙ МИКРОСКОПИИ В ИССЛЕДОВАНИИ МИКРОВОДОРОСЛЕЙ
3.1 Выявление физиологического состояния клеток микроводорослей
Фотосинтетический аппарат растительных организмов весьма чувствителен к действию различных загрязняющих веществ и одним из первых реагирует на их воздействие. Методом люминесцентной микроскопии возможно выявление физиологического состояния клеток микроводорослей на разных этапах автолиза, не уловимого при визуальных наблюдениях, но отчётливо проявляющегося по изменению спектров свечения клеток при люминесценции (определение живых и мёртвых клеток водорослей). Техника использования люминесцентной микроскопии для диагностики физиологического состояния водорослей была разработана С.В. Горюновой. Этот метод основан на том, что при микроскопировании водорослей в ультрафиолетовых лучах клетки, различающиеся по своему физиологическому состоянию, дают различные по окраске и яркости оттенки свечения. [1]
Диатомовые, некоторые зелёные и другие виды водорослей способны к накоплению жира (иногда до 60%). У таких форм процессы распада внешне протекают быстро, то есть клетки теряют характерные контуры с образованием жировых капель, светящихся определённый период ярко-красной люминесценцией. Водоросли, основным составным веществом клетки которых являются специфические углеводы, составляющие иногда до 70% от общего количества органических веществ, как например сине-зелёные водоросли (родов Oscillatoria, Microcystisи др.), имеют длительный период распада, и визуальные наблюдения не отражают изменений окраски водорослей. Такие определения возможны при люминесцентной микроскопии. Живые клетки имеют ярко-красное свечение. Клетки водорослей на различных стадиях отмирания имеют разнообразную гамму световых переходов. В основном изменение спектра свечения клеток водорослей происходит по следующим этапам:
1) Яркое пурпурно-красное свечение характерно для хлорофиллсодержащих клеток наиболее высокой жизнеспособности – клетки находятся в активном состоянии, интенсивно делятся или готовятся к делению (логарифмическая фаза роста).
2) Красное свечение меньшей яркости (тускло-бордовое или розово-красное), присуще клеткам на стационарной фазе роста культуры водорослей.
3) Оранжево-красный оттенок свечения дают клетки, угнетённые под влиянием какого-либо фактора, а бледно-оранжевое свечение имеют клетки с очень низким уровнем жизненной активности, но ещё живые. 4) Тускло-красным светятся старые клетки с ослабленной жизненной активностью.
5) Голубовато-зелёное и оливково-зелёное свечение характерно для мёртвых клеток и детрита, а также нитчатых форм, когда остаются только контуры оболочек. Обычно этот тип свечения свойственен нитчатым формам, встречающимся в иловых отложениях. Синее свечение мёртвых клеток водорослей, остатков высшей водной растительности наблюдается в загрязнённых источниках.
Оттенки свечения при просмотре придонного и культурального материала ясно различимы и могут быть идентифицированы путём сравнения спектров. В стадии интенсивного роста клеток в культуре мёртвые клетки могут отсутствовать, что связано с их быстрым лизисом.
Путём подсчёта живых и мёртвых клеток водорослей в культурах и их автолизах с помощью люминесцентной микроскопии устанавливается специфичность процессов развития и распада различных видов водорослей. По степени быстроты развития и распада можно выделить следующие группы водорослей: 1) быстро растущие и быстро автолизирующиеся, 2) быстро растущие и медленно автолизирующиеся, 3) медленно растущие и быстро автолизирующиеся, 4) медленно растущие и медленно автолизирующиеся. Скорость роста и распада у отдельных видов водорослей при действии токсикантов может значительно варьировать. Так у диатомовых водорослей (без внесения токсикантов) при достижении наивысшей точки размножения клеток наступает быстрый их распад (2-3 дня) вплоть до растворения створок. Наибольшей продолжительностью жизни обладают клетки сине-зелёной водоросли Oscillatoria, нарастание и развитие которых происходит в лабораторных культурах в течение нескольких лет; длителен и процесс их распада. Наличие мощной слизистой оболочки, выполняющую защитную роль и состоящей из трудно гидролизуемых углеводов, по-видимому, обеспечивает надёжную защиту этих водорослей от неблагоприятных внешних воздействий. Поэтому и влияние токсиканта на клетку будет затруднено, свечение её из-за наличия толстой углеводной оболочки будет более бледным. [2]
Использование люминесцентных микроскопов даёт возможность проведения достаточно быстрой и точной оценки степени жизнеспособности клеток водорослей. Данный метод показывает глубокую поражаемость каждой отдельной клетки, даёт возможность оценить специфичность процессов развития и распада различных видов водорослей. Ранние изменения в пигментном аппарате можно установить, наблюдая за изменением флуоресценции хлорофилла или длительным послесвечением (замедленная флуоресценция). [4]
На основании этих знаний можно провести определение состояния клеток водорослей в иловых отложениях, почвенных образцах, песчаных отложениях и др.
Исследование проводится по следующей методике. Поверхностную часть донного образца из границы раздела ил/вода аккуратно наносят тонким слоем (до 0,5 мм) на предметное стекло. Иловым мазком покрывают примерно 2/3 поверхности стекла. При нанесении иловых отложений на стекло необходимо стремиться к максимальной выровненности поверхности. Стёкла с иловым мазком рассматривают в УФ-свете (освещение сверху через опак-иллюминатор). На тёмной поверхности мазка ярко флуоресцируют клетки водорослей, частицы детрита.
Возможны три варианта просмотра препарата на предметном стекле: 1) на предметное стекло наносится капля воды с водорослями, накрывается покровным стеклом и микроскопируется; 2) нанесённая капля просматривается с помощью водного иммерсионного объектива; 3) капля наносится на мембранный фильтр во избежание текучести препарата, накрывается покровным стеклом и просматривается под микроскопом. На покровное стекло наносят каплю анизола для более чёткой видимости объекта.
Подсчет клеток в отражённом свете с применением термопольного конденсатора проводят с учётом в последующем общей численности клеток, полученной при свете клеток в камере Горяева. В полевых условиях при просмотре природного фитопланктона подсчитывают клетки основных преобладающих групп водорослей: зелёных, сине-зелёных, диатомовых. При количественных подсчётах соотношения живых, мёртвых и отмирающих клеток и колоний водорослей готовят серию иловых мазков (4-10), в каждой из которых просчитывают 10 полей зрения по длине илового мазка (а для получения достоверных результатов число полей зрения следует увеличивать до 50-100). Соотношение клеток на разных физиологических этапах выражают в процентах от общей численности или в миллионах (тысячах) на 1мл (миллиардах на 1 литр). Полученные результаты представляют графически в виде таблицы при сравнении с таковыми в контроле.
При подсчёте учитывают три категории свечения: яркие пурпурно-красные клетки или колонии с высокой жизненной активностью; клетки с тускло-красным и оранжево-красным свечением - отмирающие, с низкой жизненной активностью; салатно-зелёные – мёртвые. На основании проведённого просчёта определяют процентное соотношение различных клеток (колоний) водорослей в зависимости от их физиологического состояния. [2]
3.2 Количественная регистрация интенсивности флуоресценции
По характеру нативного свеченияв УФ-лучах можно с достаточной точностью диагностировать степень жизнеспособности клеток водорослей. Однако глазомерные оценки интенсивности свечения требуют выражения их в определённых и достаточно объективных количественных показателях. В связи с изменением спектра флуоресценции клеток водорослей при разных физиологических состояниях (см. выше) возникает необходимость разработки методов быстрой количественной регистрации интенсивности нативного свечения хлорофиллсодержащих клеток, как источника объективной информации о состоянии их жизненной активности.
Для количественного измерения интенсивности свечения может быть использована специальная установка, собранная из отдельных блоков - микроскопа МЛД-1, ФЭУ-22, источника питания Б5-24 (ВС-22), микрорентгенометра, автоматического потенциометра ЭПП-09.
Микроскопирование альгологических объектов проводится с помощью люминесцентного микроскопа МЛД-1, предназначенного для визуального наблюдения объектов в свете их люминесценции, возбуждаемой ультрафиолетовой областью спектра. Принцип работы прибора основан на использовании явления люминесценции объектов, возникающей под действием лучей определённого спектрального состава.
Объекты освещают сверху через опак-иллюминатор и объектив по методу светового поля. Возбуждение люминесценции через объектив, т.е. с той же стороны, что и её регистрация, позволяет в значительной мере уменьшить ошибки, связанные с реабсорбцией люминесценции.
Интенсивность свечения образцов регистрируется с помощью фотоэлектронного умножителя ФЭУ-22, присоединённого к микроскопу через имеющееся в верхней части головки отверстие для фотографирования. ФЭУ питается от стабилизированного источника питания. Регистрация сигналов с ФЭУ осуществляется усилителем постоянного тока с помощью микрорентгенометра и последующей фиксацией на ленте автоматического потенциометра ЭПП-09. Для интенсивности флуоресценции отражающее зеркало откидывают с помощью рукоятки. При этом направляют световой поток на ФЭУ, а величину фототока регистрируют микрорентгенометром.
Величину участка флуоресцирующего препарата регулируют с помощью диафрагм, имеющихся в оптической схеме микроскопа. Используя числовые показатели, можно снимать интенсивность флуоресценции строго с определённого по величине участка. Последний может быть представлен целым трихомом, колонией, пучком трихомов или единичной клеткой.
Особое значение имеет техника приготовления препарата. Для плотных суспензий водорослей с размерами клеток более 10 µ микроскопируют каплю исследуемого образца. Её наносят на предметное стекло, прикрывают покровным и микроскопируют. При исследовании неплотных суспензий с размерами клеток в пределах 4-7 µ отдельную клетку можно выделить только при использовании иммерсионной системы и объективов с увеличением 60-90 и более раз. Поэтому необходимо провести предварительное сгущение образца. Это делают либо путём центрифугирования – микроскопируют осадок, либо после фильтрования определённого объёма суспензии (1-10 мл) через мембранный фильтр. Настройку и чёткость видимости деталей препарата осуществляют с помощью макро- и микровинтов при отсутствии сигнала на ФЭУ. Величина фототока пропорциональна интенсивности свечения и с достаточной чувствительностью регистрируется микрорентгенометром.
Смонтированная по указанной блок-схеме установка даёт возможность не только измерять интенсивность участков препарата и получать количественные характеристики флуоресценции, отвечающие определённым жизненным состояниям клеток водорослей, но и снимать временную характеристику изменения интенсивности свечения, которая позволяет судить о состоянии хлорофилл-белково-липоидного комплекса. [13]
3.3 Оценка степени токсичности отдельных веществ для водорослей
Методы люминесцентного анализа и измерения флуоресценции хлорофилла были применены для оценки степени токсичности отдельных веществ
для водорослей, макрофитов, фитообрастаний в лабораторных, полевых и экспедиционных условиях, на модельных экосистемах, а так же для оценки токсичности сточных вод и загрязнения природных водоёмов.
С помощью этого метода можно провести тестирование на культурах водорослей различных веществ: пропанида, смеси сатурна и пропанида, метафоса, смеси фенола и формальдегида. Измерение флуоресценции хлорофилла показывает быструю реакцию фотосинтетического аппарата клеток различных видов водорослей на внесение веществ (самыми токсичными являются пропанид, метафос, смесь пропанида и сатурна). Результаты люминесцентного микроскопирования показывают, что глубокого изменения в клетках водорослей Chlorellavulgarisи Scenedesmusquadricaudaвнесение токсикантов не вызывает. Более чувствительна к данным веществам морская жёлто-зелёная водоросль Phaeodactilumtrucornutumнаблюдается лизис мёртвых клеток в присутствии пропанида и значительное (в 7 раз) снижение численности клеток после внесения в культуру метафоса.
Эксперименты, проведённые в данном направлении, позволяют предположить, что если в водоёмы будут постоянно поступать загрязняющие вещества в невысоких концентрациях, то при благоприятных температурных условиях и достаточном количестве питательных веществ могут развиваться сине-зелёные водоросли, клетки которых имеют защитный слой слизи, через которую поступление токсического вещества затруднено, а продукция ценных в кормовом отношении водорослей будет подавлена. Такие изменения в дальнейшем могут привести к перестройке биоценоза: водоём из ценного рыбохозяйственного может превратиться в малоценный с измененным составом воды. [15]
3.4 Определение содержания витаминов в растительных клетках
С помощью флуоресцентной микроскопии возможно определение
содержания витаминов
в образцах, благодаря их собственной флуоресценции и с применением флуорохромов. Во многих случаях этот метод даёт лучшие результаты, чем самый тонкий химический анализ, не позволяющий, например, судить о распределении витаминов в органах и тканях. В связи с этим метод особенно широко применяется в медицине и физиологии животных.
Витамин А характеризуется светло-зелёной быстро затухающей флуоресценцией. Её можно наблюдать в свежем нефиксированном виде, но более плодотворным является метод окраски тканей с помощью флуорохромов. Флуоресцентное микроскопирование в данном случае может служить методом дифференциации витаминов А1
и А2
: витамин А1
даёт характерную светло-зелёную флуоресценцию, а витамин А2
– красноватую. Различие в интенсивности флуоресценции с успехом используется для анализа смеси свободного витамина А и его эфиров.
Витамин В2
обладает собственной зелёной флуоресценцией (в некоторых животных клетках обнаружена так же жёлто-зелёная флуоресценция). Оптимум люминесценции данного вещества находится при рН от 3 до 9, что необходимо учитывать при проведении исследований. Типичная флуоресценция рибофлавина зависит от присутствия свободной 3-аминогруппы. Эта флуоресценция (максимум на 565 нм при рН 60) служит для количественного определения витамина В2
. Интенсивность флуоресценции сравнивается с каким-либо стандартом (чаще всего чистый рибофлавин), она прямо пропорциональна содержанию витамина.
Витамин В1
не флуоресцирует ни в чистом виде, ни в водном растворе. Способность к сине-зелёной флуоресценции проявляет тиамин только в комплексе с носителем. При окислении витамин В1
превращается в тиохром – жёлтое вещество с интенсивно синей флуоресценцией. В щёлочном растворе тиохром очень чувствителен к свету и флуоресценция его исчезает необратимо. Свойством витамина В1
окисляться в тиохром пользуются в тесте на этот витамин: водный раствор тиамина окисляется посредством железосинеродистого калия в тиохром, флуоресценция которого определяется фотоэлектрически после экстракции тиохрома изобутиловым спиртом. Интенсивность флуоресценции зависит от щёлочности раствора и количества находящегося там тиохрома. Результаты, получаемые этим методом, находятся в полном соответствии с биологическими тестами.
Никотиновая кислота и её амид так же связаны с коллоидальным носителем. Амид никотиновой кислоты присутствует в двух коферментах: кодегидраза-1 и кодегидраза-2. Кодегидраза-2 встречается практически во всех живых клетках. Свойства его очень близки к свойствам кодегидразы-1: оба вещества бесцветны, растворимы в воде, нерастворимы в органических растворителях. Эти носители дают хорошую флуоресценцию при освещении в УФ-свете, что используется для их определения.
Витамин С в водном растворе не флуоресцирует. Только при большой концентрации аскорбиновой кислоты с коллоидным носителем появляются зелёные, довольно лабильные по отношению к ультрафиолетовым лучам капли.
Витамин К даёт типичную адсорбцию с максимумом при 234, 248, 261, 270 и 320 нм (в ультрафиолетовой области). Витамин К обладает белой флуоресценцией в свете аргоновой лампы. Н.А. Андреев и В.Н. Букин (1949) разработали количественный флуоресцентный метод определения фолиевой кислоты в клетках. Ими построена кривая распределения интенсивности в спектре флуоресценции кислоты, показано изменение интенсивности в спектре флуоресценции кислоты, показано изменение интенсивности свечения в зависимости от рН раствора. Описан метод экстрагирования кислоты, её адсорбции на активированном угле (обработанном анилином) с последующим элуированием спиртом: полученный раствор упаривают и окисляют перманганатом. Измерение интенсивности флуоресценции авторы проводят при рН 4,0-4,5, пользуясь светофильтром (470 нм), применяя в качестве стандарта раствор фолиевой кислоты концентрации 2 мл в 100 мл воды. Для полного извлечения фолиевой кислоты необходимо подвергать дополнительной ферментативной обработке продукты, которые содержат много белковых веществ. [1,3]
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Огромную роль в исследованиях физиологии растительных организмов на современном этапе играют флуоресцентные методы. Их неотъемлемой частью является люминесцентная микроскопия, получившая широкое применение в изучении различных параметров жизнедеятельности высших и низших растений. Этот метод обладает рядом преимуществ, заключающихся в быстроте, разносторонности и высокой точности исследований.
В частности, метод люминесцентной микроскопии позволяет быстрое выявление физиологического состояния клеток микроводорослей, что важно для изучения «цветения» водоёмов, определения качества водной среды.
Постоянно возрастающая антропогенная нагрузка на биоценозы требует быстрых и точных методик биотестирования вод. Для решения этой проблемы методом люминесцентной микроскопии проводится оценка степени токсичности отдельных веществ для водорослей.
Количественная регистрация интенсивности флуоресценции, которая может быть определена с помощью рассматриваемого метода исследования, является отправной точкой в изучении фотосинтетического аппарата микроводорослей, который, как известно, в первую очередь реагирует на малейшие изменения условий среды.
Особенностью люминесцентной микроскопии является возможность качественного и количественного определения нефлуоресцирующих веществ: витаминов, специфических белков, ферментов.
Люминесцентная микроскопия, в середине прошлого века нашедшая применение в изучении физиологии микроводорослей, занимает особое место в современной системе методов научного исследования. Благодаря развитию современной науки, открытию новых флуорохромов она приобретает всё большее значение для выявления физиологического состояния микроводорослей и определения качества водной среды.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Бергольц, М.В. Люминесцентная микроскопия / В.М. Бергольц – М:Медгиз, 1953. – 312-314с.
2. Веселовский, В.А. Люминесценция растений / В.А. Веселовский, Т.В. Веселова. – М.: Наука, 1990.
3. Владимиров, Ю.А. Физико-химические основы фотобиологических процессов / Ю.А. Владимиров, А.Я. Потапенко. – М.: Высшая школа, 1989. – 30-35с.
4. Вопросы фотосинтеза / Под ред. М.М. Окунцова. – Томск: Издательство Томского университета, 1970. – 48-49с.
5. Изместьева, Л.Р Методы исследования фитопланктона / Л.Р. Изместьева, Н.Б. Усенко, О.М. Кожова // Сб. Мониторинг фитопланктона. – Новосибирск: Наука, 1992. – 26-30с.
6. Инге-Вечтомова, Н.И. Спектрофлуорометрические методы исследования биологических объектов / Н.И. Инге-Вечтомова, А.Ю. Батов; Под ред. В.В. Полевого, Г.Б. Максимова – Л.: Изд-во ЛГУ, 1986. – 102-118с.
7. Люминесцентные методы определения микроколичества элементов / Отв. ред. М.А. Остапенко. – М.: Всесоюзный научно-исследовательский ин-т хим. Реактивов, 1962. – 25-34с.
8. Маторин, Д.Н. Люминесценция хлорофилла в культурах микроводорослей в природных популяциях фитопланктона / Д.Н. Маторин, П.С. Венедиктов // Итоги науки и техники ВИНИТИ, серия Биофизика - т.40. – 1900. – 50-62с.
9. Методические вопросы изучения первичной продукции планктона внутренних водоёмов / Отв. ред. И.Л. Пырина. – С-Пб.: Гидрометиздат, 1993. – 120-132с.
10. Методы биотестирования вод [сборник статей] / Под ред. А.Н. Крайнюкова. – Новосибирск: Наука, 1988. – 41-49с.
11. Методы биотестирования качества водной среды / Под ред. О.Ф. Филенко. – М.: Изд-во МГУ, 1989. – 23-25с.
12. Опритов, В.А. Теоретические основы и методы изучения биофизических процессов у растений / В.А. Опритов, В.А Калинин, В.Г. Ретивин. – Горький: Изд-во ГГУ, 1979. – 36-40с.
13. Сиренко, Л. А. Методы физиолого-биохимического исследования водорослей в гидробиологической практике / Л. А. Сиренко, А. И. Сакевич, Л.Ф. Осипов и др. – Киев: Наукова думка, 1975. - 57-63с.
14. Фёдоров, В.Д. О методах изучения фитопланктона и его активности / В.Д. Фёдоров. – Новосибирск: Наука, 1979. – 115-130с.
15. Франк, А.Н. Изучение распределения фитопланктона оптическими методами / Н.А. Франк. – Новосибирск: Наука, 1988. – 96с.
16. Эколого-физиологические исследования фотосинтеза и водного режима растений в полевых условиях. Труды всесоюзного совещания / Отв. ред. Р.К. Силяев. – Иркутск: Иркутская областная типография №1, 1983. – 27-32с.
SUMMARY
In the given work the scope of a method of luminescent microscopy is investigated. By means of this method it is possible to carry out various researches of microseaweed: revealing of a physiological condition of separate cells, an estimation of degree of toxicity of separate substances for seaweed, definition of the maintenance of vitamins in vegetable cells, quantative registration of intensity of fluorescence. This method is successfully applied in biotesting of quality of the water environment. Luminescent microscopy - a perspective direction in modern physiology of plants.
|
