УДК 599:574.4+577.15

O.M. Vasilyuk, A.Y. Pakhomov

Oles Honchar Dnipropetrovs’k National University, Dnipropetrovs’k, Ukraine

Effect of mammals’ digging function on albumin protein content in Glechoma hederacea leaves subject in conditions of Cd pollution

 

Abstract

The paper reflects analyzes of Cd impact on the albumin protein content in Glechoma hederacea L. leaves subject (as model) which dominated in the research area (in natural floodplain oak with Stellaria holostea L.) in conditions of Cd pollution (as anthropogenic press) and digging activity by Mammalia (as biotic action, with Talpa europaea L., European mole, as model),) and their combine action. The Cd was introduced in the form of salts Cd(NO3)2 in the concentrations: 0.25, 1.25 and 2,5 g/m2, equivalent to the inclusion of Cd in 1,5 and 10 doses of MAC. The content of doses of MAC of Cd (5 mg/kg soil) adding took into account.

It was found the repression albumin protein content from 19% to 27% ordinary. We observed (82%) the correlation (r=-0.66) between the concentration of metal and one of proteins according to controls (area without Cd and digging activity by Talpa europaea L.), witch proved the nonspecific reaction to stress.

Under the digging activity by T. europaea L. the data of albumin protein content was increasing than under the combine effect Cd pollutions and digging activity by T. europaea L. (biotic factor), what connected with Cd toxic effect.

Keywords:  water soluble protein fraction, the heavy metal, mammals, maximum allowable concentration, anthropogenic stress

Вступ

Рослини в умовах навколишнього середовища отримують різні види екологічного (біотичного та абіотичного) та антропогенного стресів, що негативно впливає на ріст та розвиток рослин у разі відсутності адаптаційних механізмів, що мають протекторну функцію та нівелюючу роль відносно величини дії чинника. У зв’язку із чим є публікації стосовно впливу різного рівня мінералізації на функціонування рослин (Dzyubak and Vasilyuk, 2009; Vasilyuk and Dzyubak О.І., 2009), на формування ґрунтів природних біогеоценозів (Kulik and Vasіlyuk, 2009) та антропогенно забруднених територій (Vasilyuk and Kulik, 2009a,b) з визначенням розповсюдження та токсичного впливу ксенобіотиків (Venetsky, 1985; Iskandera et al., 2011; Tsvetkova, et al., 2016) та їх реакції (Said, 2014). Протекторна функція захисту від дії надмірного забруднення покладена на роботу відповідник сполук ферментів зокрема та протеїнів взагалі. Стресові білки формують як неспецифічну реакцію на стрес, так і специфічну, що відрізняються одна від другої синтезом de novo характерних за молекулярною масою стосовно виду екзогенного чинника стресових білків (Bierkens, 2000; Kosakovskyi, 2008). З’ясована роль ферментативних систем для підтримки стану гомеостазу рослин за умов дії чинника, що не перевершує гранично допустимий рівень для даного організму. Досліджено чутливість рослин на рівні молекулярних механізмів до дії важких металів (ВМ) як розповсюдженого антропогенного чинника (Clemans S. (2001), механізми накопичення та детоксикації важких металів (Malaspinaa, et al., 2014) Визначено роль ферментативних систем для формування екологічних зв’язків таких як інвертаза та уреаза (Vasilyuk and Kulik, 2009a), аспартат та аланінамінотрансферази (Vasilyuk and Kulik, 2009b), каталаза (Kulik and Vasіlyuk, 2009) тощо, та їх антиоксидантна дія за умов екзогенного забруднення (Vasilyuk and Kulik, 2008).

Досліджуються високоефективні екологічні механізми нівелювання сили екзогенного тиску із залученням екологічних механізмів (зооценотичного блоку із його рийною та екскреторною функцією) для підтримки стану гомеостазу (Pakhomov and Vasilyuk, 2011 ; Pakhomov and Vasilyuk, 2012 a,b; Pakhomov, et al., 2013; Vasilyuk, 2011; 2013a,b,c; 2014; Vasilyuk and Pakhomov, 2014a,b; 2015).

Мета роботи визначити вплив ВМ на прикладі Cd як розповсюдженого забруднювача біоти на вміст альбумінової фракції протеїнів у листках Glechoma hederacea L., що поширена на дослідній ділянці на фоні рийної активності Talpa europaea L. що широко розподілені на даній території та їх масова кількість забезпечує середовищетвірну роль для покращення стану біоти за змінених умов.

Матеріал і методи досліджень

Досліди проводили в умовах Присамарського міжнародного біосферного стаціонару ім. О.Л. Бельгарда на території Дніпропетровської області. Як контроль обрано територію незабруднену Cd (липово-ясенева діброва із зірочником ланцетолистим (Stellaria holostea L.)) та в умовах забруднення ґрунтів солями Cd (Cd вносили у ґрунт у вигляді Cd(NO3)2 у концентраціях 0,25, 1,25 та 2,5 г/м2), що еквівалентно Cd в 1, 5 та 10 доз ГДК). Для запобігання забруднення шарів ґрунту Cd були використані ізольованi ґрунтові блоки на глибину 20 см. При внесенні враховувалась кількість ГДК для Cd (5 мг/кг ґрунту). Визначено вміст альбумінів (мг/мл) як чутливих маркерів екологічного стану довкілля (Bradford, M., 1976) в листках Glechoma hederacea L., що розповсюджена на даній території. Гарантію надійності висновку про суттєвість або несуттєвість відмінностей (різниць) між середніми незалежних вибірок розраховували за t-крітерієм Стьюдента, Р < 0.05 (Dospekhov, 1985). Об’єм вибірки 30, повторність досліду трикратна.

Рийна функція ссавців була визначена на прикладі рийної активності Talpa europaea L., що розповсюджений на даній  території. Дані біохімічні показники визначали через місяць в листках Glechoma hederacea L., що домінувала на даній території, за такою схемою:  1) блок 1:, монодія., внесення солей Cd:  контроль (ділянка без забруднення Cd та без рийної діяльності T. europaea L), дослід 1 ГДК Cd, дослід 5 ГДК Cd; дослід 10 ГДК Cd. 2) блок 2: комбінована дія солей Cd та рийної діяльності T. europaea L:  контроль 1 ГДК Cd; вплив 1 ГДК Cd на фоні рийної діяльності T. europaea L.; контроль 5 ГДК Cd; вплив 5 ГДК Cd на фоні рийної діяльності T. europaea L.; контроль 10 ГДК Cd; вплив 10 ГДК Cd на фоні рийної діяльності T. europaea L.

Результати та їх обговорення

Вміст протеїнів водорозчинної фракції знижений від 10% до 19%, що пояснюється токсичністю кадмію. Обернена кореляція між ознакою (вміст протеїну) та концентрацією чинника (1, 5 та 10 ГДК Cd ) складає 81% (r=-0,66) відносно контролю - ділянка без Cd та рийної активності T. europaea L. (табл. 1.)

Таблиця 1

Вплив Cd  у спектрі концентрацій на вміст альбумінів в листках G. hederacea L.

Варіанти досліду

Х ± SD

Співвідношення дослід/контроль, %

r

Контроль (без Cd та рийної активності T. europaea L.)

1,82 ± 0,115

 

-0.66

Контроль 1 ГДК Cd

1,47 ± 0,050

  81

Контроль 5 ГДК Cd

1,33 ± 0,076

  90

Контроль 10 ГДК Cd

2,50 ± 0,103

137

Примітка: Х – cередня; SD – стандартне відхилення; С - Співвідношення дослід/контроль, %; * – достовірність відмінності між дослідним варіантом та контролем; Р < 0.05

 

У досліді по вивченню комплексної дії екзогенного чинника (внесення металу у спектрі концентрацій) та рийної функції T. europaea L. відносно контролю (рийна активність T. europaea L.) вміст протеїну достовірно підвищений при рийній активності ссавців, тоді як додавання металу знижує показник від 10% (недостовірно, t0.05 = 0,044) до 33% (достовірно, t0.05 = 1,08 та 1,92), що доводить негативниий впливCd за концентрацій 5 та 10 ГДК (табл. 2).

 

Таблиця 2

Вплив Cd  та вміст альбумінів в листках G. hederacea L. на фоні рийної активності T. europaea L.

Варіанти досліду

Х ± SD

Співвідношення

дослід/контроль, %

Контроль (рийна активність T. europaea L.

1,57 ± 0,494

 

Рийна активність Talpa europaea L + 1 ГДК Cd

1,41 ± 0,039

90

Рийна активність Talpa europaea L + 5 ГДК Cd

1,18 ± 0,011*

75

Рийна активність Talpa europaea L + 10 ГДК Cd

1,06 ± 0,228*

67

Примітка: див. табл. 1.

Висновки

Cd токсично впливав на накопичення протеїнів водорозчинної фракції в листках G. hederacea L., знижуючи достовірно від 10% до 19% вміст даного ензиму відносно контролю (ділянка без забруднення Cd та рийної активності T. europaea L.). Вміст протеїну та концентрація антропогенного чинника знаходились у оберненій кореляції (r  = 0,66), що доводить негативну дію даного металу на нітратний обмін рослин.

Рийна функція T. europaea L. була підвищена. Додавання солей кадмію у концентраціях 1,5 та 10 ГДК недостовірно знизило нітратний обмін в листках G. hederacea L. до 10% при 1 ГДК Cd (t0.05 = 0,044) та достовірно (t0.05 = 1,08) на 25% та 67% (t0.05 = 1,92) на фоні 5 та 10 ГДК Cd відповідно, що також  пов’язано із токсичністю металу.

References

  1. Bierkens J.G.E.A. (2000). Applications and pitfalls of stress-proteins In biomonitoring Elsevier. Toxicol. 153: 61–72.

2.      Bradford, M. (1976). A rapid and sensitive method for the quantification of microgram quantities of protein utilising the principle of protein-dye binding. Anal. Biochem. 72. - P. 248–254.

  1. Clemans S. (2001). Molecular mechanisms of plant metal tolerance and homeostasis. Planta. 212(4), 475–486.
  2. Dospekhov, B. A. (1985). Methods of experience of the field. Moscow, Agroprom Press.
  3. Dzyubak, O.I., Vasilyuk, O.M. (2009). The influence of chloride salinity on morphometric and biochemical parameters in the dynamics of plant growth and development // Proceed. I international scientific conference of students and young scientists ‘Fundamental and applied research in biology’. Donetsk, Veber, .231 – 232.
  4. Iskandera A.I., Khaldb E.M., Shetab A.S. (2011). Zinc and manganese sorption behavior by natural zeolite and bentonite. Annals of Agricultural Sciences. 56(1), 43 – 48.
  5. Kosakovskyi I.V. (2008). Stressfulplant proteins. Kyiv. (in Russian).
  6. Kulik, A.F., Vasіlyuk, О.М. (2009). Catalase activity in the wood biogeoceonoses in the Samara River region. Bulletin of Dniepropetrovsk University. 17 (7), 63 – 68.
  7. Malaspinaa P., Giordania P., Modenesia P., Abelmoschib M.L., Magib E., Soggiab F. (2014). Bioaccumulation capacity of two chemical varieties of the lichen Pseudevernia furfuracea. Ecological Indicators. 45, 605 – 610
  8. Pakhomov O.E., Vasilyuk O.M. (2011). Activity of Trans-Amimation enzymes as the indicator of biological revegetation of soils Mammalia in transformed ecosystems / The Abstracts NATO Advanced Research Workshop (ARW): "Environmental and food security in South-East Europe and Ukraine", NATO Science Series book. – Dnipropetrovs’k, – P. 74-75
  9. Pakhomov, O.E., Vasilyuk O.M. (2012a). Anthropogenic influence of the Transamination enzymes activity under the environmental forming mammals activity. Visnyk of Dnipropetrovsk University. Biology, Ecology. 20 (2), 64-70. (in Ukrainian).
  10. Pakhomov, O.E., Vasilyuk O.M. (2012b). Activity of Transamination enzymes as the indicator of environmental forming function of Mammalia representatives In the transformed anthropogenic ecosystem. Scientific Herald of Chernivtsy University. Biology (Biological System). 4 (4), 456-461. (in Ukrainian).
  11. Pakhomov, O.E., Vasilyuk O.M., Zamesova T.V. (2013). Еffect of Ni on Alanine Aminotransferase activity in Glechoma hederacea leaves subject to digging function by mammals. Visn. Dniepropetr. Univ. Ser. Biol. Ekol. 21(2), 64-69. (In Ukrainian).
  12. Said A.A. (2014). Generation mean analysis in wheat (Triticum aestivum L.) under drought stress conditions. Annals of Agricultural Sciences. 59(2), P. 177 – 184.
  13. Tsvetkova N. M., Pakhomov A. Ye., Serdyuk S. M., Yakyba M. S. Bіological Diversity of Ukraine. The Dnipropetrovsk region. Soils. Metalls in the soils: monogr. / Prof. N. M. Tsvetkova (ed.)- Dnipropetrovsk: Dnipropetr.Nac. Univ. Press, 2016. – 180 p.
  14. Vasilyuk, O.M. (2011). The antioxidant enzymes activity in leaves of Sambucus nigra  L. in conditions of high salinity. Proceed. XIII Congress of Ukrainian Botanical Society, Lviv, 415. (in Ukrainian).
  15. Vasilyuk O.M. (2013a). Effect of lead on Alanine Aminotransferase activity In Glechoma hederacea L. leaves subject to digging function of Mammalia // «Vědecky Prumysl Evropskeho kontinentu 2013» Materiály IX mezinárodní vědecko - praktická conference. Díl 28: Biologické vědy. Chemie a chemická technologie. - Praha: «Education and Science» - P. 11–17.
  16. Vasilyuk O.M. (2013b). Effect of Nickel on Aspartate Aminotransferase activity in Glechoma hederacea L. leaves subject to excretory function of Mammalia. // Zprávy vědecké ideje– 2013» Materiály IX mezinárodní vědecko – praktická konference, Díl 19: Biologické vědy. Chemie a chemická technologie. Praha: Education and Science. – P. 15–23.
  17. Vasilyuk O.M. (2013c). Effect of Nickel on Alanine Aminotransferase activity In Glechoma hederacea L. leaves subject to excretory function of Mammalia «Perspektywiczne opracowania sa Nauka I technikami 2013» Materiały IX Międzynarodowej naukowi-praktycznej konferencji.– Przemysl: Nauka I studia. – Vol. 29. Nauk biologicznych. – P. 28–36.
  18. Vasilyuk O.M. (2014). Effect of Pb on water soluble protein content in Glechoma hederacea L. leaves subject to excretory function of Mammalia // «Nauka i inowacja – 2014” Materialy X Miedzynarodowej Naukowi-Praktycznej Konferencji. Medycyna. Nauk biologicznych. Fizyczna kultura i sport. – Przemysl. Nauka I studia. – Vol. 8. С.31-39
  19. Vasilyuk O.M., Dzyubak О.І. (2009). Physiological and biochemical parameters of plants as markers of a condition of environment. Materials of the I International scientific conference of students and young scientists «Fundamental and applied research in biology». Veber, Donets'k. - P. 348 – 349.
  20. Vasilyuk, O.M., Kulik, A.F (2008). The Transamination enzyme activity under the exogenical pollution. Bulletin of Zaporizhya National University. 1, 238—243.
  21. Vasilyuk, O.M., Kulik, A.F. (2009a). Invertase and Urease activities in the reclamated land of the West Donbass Coal Region. Visnyk of Dnipropetrovsk University. Biology, Ecology. 17(3), 3 – 7. (in Ukrainian).
  22. Vasilyuk, O.M., Kulik, A.F. (2009b). Physiological and biochemical indicators of ligneous plants in condition of industrial zone in the Steppe Dnieper Region. Proceed.Conf. ‘Environmental issues of coexistence: a man - a plant’, Dnipropetrovsk, Ukrainian Ecological League, 127-132. (in Ukrainian).
  23. Vasilyuk O.M., Pakhomov A.E. (2014a). Еffect of lead ions on Alanine Aminotransferase activity in Glechoma hederacea leaves subject // Scientific Enquiry In the Contemporary World: Theoretical Basics and Innovative Approach. Ser. Natural sciences. Edition 2 - d. Research articles. B&M Publishing San Francisco, California, USA, B&M Publishing Research and Publishing Center “Colloquium”. - Vol. 1. – P. 19–26.
  24. Vasilyuk, O.M., Pakhomov, О.Y. (2014b). Effect of mammals’ excretory function on Aspartate Aminotransferase activity in Glechoma hederacea leaves in conditions of Cd pollution. Visnyk of Dnipropetrovsk University. Biology, Ecology. 22(2), 105–109. (in Ukrainian).
  25. Vasilyuk, O.M, Pakhomov, O.E (2015). Effect of Capreolus capreolus and Sus scrofa

excreta on Alanine Aminotransferase activity in Glechoma hederacea leaves inconditions of Cd pollution. Visnyk of Dnipropetrovsk University. Biology, Ecology. 23(2), 216-220. (in Ukrainian).

  1. Venetsky, S.I. (1985). Stories about metals. Moscow. Metallurgy. (in Russian)