Фотосинтез і дихання Najas guadalupensis (Spreng.) Magnus за комбінованої дії йонів міді (II) та мангану (II) водного середовища

Abstract

Встановлено закономірності окремої та сумісної дії йонів міді (ІІ) та мангану (ІІ) у концентраціях, що відповідають їх величинам у природних водах, на фотосинтез і дихання занурених макрофітів Najas guadalupensis (Spreng.) Magnus. Показано зменшення токсичної дії суміші йонів міді і мангану у концентрації 2–5 мкг/дм^3 Cu^2+ і 20–50 мкг/дм3 Mn^2+ на газообмінні процеси Najas guadalupensis порівняно з впливом окремих йонів металів, що є наслідком їх антагонізму при акумуляції рослинами. За комбінованого впливу йонів міді і мангану у високих концентраціях (10–20 мкг/дм3 Cu^2+ і 100–200 мкг/дм^3 Mn^2+) посилюється їх токсичність для фотосинтезу і дихання Najas guadalupensis, що пов’язано з накопиченням значної кількості металів у рослинах. Висока чутливість газообмінних процесів Najas guadalupensis до дії Cu^2+ і Mn^2+ дає можливість рекомендувати застосовування цього виду макрофітів як тест-об’єкту, а фотосинтез і дихання – як тест-функцій при біотестуванні вод, забруднених важкими металами.

Установлены закономерности отдельного и совместного влияния ионов меди (ІІ) и марганца (ІІ) в концентрациях, которые соответствуют их уровням в природных водах, на фотосинтез и дыхание погруженных макрофитов Najas guadalupensis (Spreng.) Magnus. Показано уменьшение токсического воздействия смеси ионов меди и марганца в концентрации 2–5 мкг/дм^3 Cu^2+ и 20–50 мкг/дм^3 Mn^2+ на газообменные процессы Najas guadalupensis по сравнению с влиянием отдельных ионов металлов вследствие их антагонизма при аккумуляции растениями. При комбинированном воздействии значительных концентраций ионов меди и марганца (10–20 мкг/дм^3 Cu^2+ і 100–200 мкг/дм^3 Mn^2+) увеличивается их токсичность для фотосинтеза и дыхания Najas guadalupensis, что обусловлено накоплением значительного количества металлов в растениях. Высокая чувствительность газообменных процессов Najas guadalupensis к влиянию Cu^2+ і Mn^2+ дает возможность рекомендовать применение данного вида макрофитов как тест-объекта, а фотосинтез и дыхание – как тест-функций при биотестировании вод, загрязненных тяжелыми металлами.

The regularities of the separate and combined influence of copper (II) and manganese (II) ions at concentrations that correspond to their levels in natural habitats on photosynthesis and respiration of the submersed macrophyte Najas guadalupensis (Spreng.) Magnus have been established. In the study of combined influence of copper and manganese ions on Najas guadalupensis these ions were added to the aquatic environment in such combinations of their concentrations: 0,5 μg/dm^3 Cu^2+ + 5 μg/dm^3 Mn^2+; 2 μg/dm^3 Cu^2+ + 20 μg/dm3 Mn2+; 5 μg/dm^3 Cu^2+ + 50 μg/dm^3 Mn^2+; 10 μg/dm^3 Cu2+ + 100 μg/dm3 Mn2+; 20 μg/dm3 Cu2+ + 200 μg/dm^3 Mn^2+. The analysis of the impact of copper and manganese ions on gas exchange functions of Najas guadalupensis has demonstrated that both individual and combined additions of 0.5 μg/dm^3 Cu^2+and 5 μg/dm^3 Mn^2+ in 14 days of experiment leads to the increased intensity of photosynthesis of Najas guadalupensis compared with the control data. In this case, under the action of 0,5 μg/dm3 Cu^2+ + 5 μg/dm^3 Mn^2+ the intensity of photosynthesis of Najas guadalupensis has increased by 55.7% as compared with the control. Such an increase is more pronounced than at the individual exposure of 0,5 μg/dm^3 Cu^2+ (23.9% compared with the control) and 5 μg/dm^3 Mn^2+ (15.5%) and due to the increase of accumulation of copper and manganese ions from their mixture. It is obvious that with small amounts of these metals in the water environment their absorption by Najas guadalupensis is conditioned by the fact that Cu^2+ and Mn^2+ are necessary for the plants to function properly. Reduction of toxic impact of Cu^2+ and Mn^2+ mixture in concentrations 2-5 μg/dm3 Cu^2+ and 20-50 μg/dm^3 Mn^2+ on gas exchange functions of Najas guadalupensis as compared to the effect of their individual ions in these concentrations is showed. It is caused by antagonism of copper and manganese ions in the process of their accumulation by the plants that may be associated with similar radius size of divalent forms of copper and manganese ions. It further leads to competitive activity of ions when they are accumulated by plants. It was established that the combined effect of certain concentrations of copper and manganese ions (10-20 μg/dm^3 Cu^2+ and 100-200 μg/dm^3 Mn^2+) leads tо an increase of their toxic impact to photosynthesis and respiration of Najas guadalupensis. In this case, the combined addition of copper and manganese ions to the aquatic environment also leads to a significant increase of their accumulation by Najas guadalupensis, perhaps due to the disruption in the cellular ions transport because of damage in the structure of cell membranes caused by long-term effect of high concentrations of Cu^2+ and Mn^2+. Thus, with combined addition of the ions in the above mentioned concentrations, the amount of copper in Najas guadalupensis reaches 49-81 μg Cu / (g of dry weight) and that of manganese – 958-1500 μg Mn / (g of dry weight). The intensity of photosynthesis of Najas guadalupensis decreases when the concentration of Cu^2+ in water environment is 2-20 μg/dm^3 and Mn^2+– 100-200 μg/dm^3, as well as under the combined influence of the ions in concentrations of 5 μg/dm3 Cu^2+ + 50 μg/dm^3 Mn^2+, 10 μg/dm3 Cu^2+ + 100 μg/dm3 Mn^2+ and 20 μg/dm^3 Cu^2+ + 200 μg/dm3 Mn^2+. The intensity of respiration of Najas guadalupensis decreases significantly as a result of individual action 10-20 μg/dm^3 Cu^2+ and 200 μg/dm^3 Mn^2+ and under the joint influence of 10 μg/dm^3 Cu^2+ + 100 μg/dm3 Mn^2+ and 20 μg/dm3 Cu^2+ + 200 μg/dm^3 Mn^2+. Thus, the results of the research demonstrate that the intensity of photosynthesis of Najas guadalupensis gets reduced at lower concentrations of copper and manganese ions in the water environment in comparison to the intensity of respiration. Individual action of 2-5 μg/dm^3 Cu^2+ and combined influence of 5 μg/dm3 Cu2+ + 50 μg/dm^3 Mn^2+ leads to the decrease of the intensity of photosynthesis of Najas guadalupensis together with the activation of respiration – adaptive process aimed at normalizing energy supply of plant organism. The high sensitivity of gas exchange processes of Najas guadalupensis to the influence of Cu^2+and Mn^2+ makes it possible to recommend the use of this species as an object for testing and photosynthesis and respiration for biotesting of water contaminated with heavy metals.