Разработка метода детекции и сравнительная характеристика реакции фотосинтетического аппарата микроводорослей на действие токсических веществ

Для решения проблемы недостаточной чувствительности существующих параметров фотосинтетической флуоресценции к типичным ингибиторам фотосистемы I (PSI) разработан комплексный параметрический индекс (CPI) для оценки биологической токсичности водных организмов, который основан на сегментированных характеристиках ингибирования кинетической кривой флуоресценции. CPI сравнивался с обычно используемыми параметрами флуоресценции хлорофилла: максимальным квантовым выходом фотосистемы II (F_v/F_m) и индексом эффективности на основе поглощения (PI_abs). Сравнение сосредоточено на трех ключевых аспектах: времени реакции на токсичность, чувствительности реакции и стабильности. Показано, что в отличие от F_v/F_m как CPI, так и PI_abs демонстрируют более короткое время реакции на токсичность и более высокую чувствительность реакции при воздействии типичных ингибиторов PSI и PSII. В связи с этим исследования сосредоточены исключительно на оценке репрезентативной эффективности этих двух параметров (CPI и PI_abs). Для ингибитора PSII атразина при использовании CPI и PI_abs в качестве параметров ответа пределы обнаружения (LOD) для кратковременного ингибирования (15 мин) составили 6.65 и 4.49 мкг/л, а для долговременного ингибирования (4 ч) — 2.22 и 2.44 мкг/л. Значительной разницы в чувствительности ответа между CPI и PI_abs в отношении ингибитора PSII не наблюдалось; однако в отношении ингибитора PSI параквата при использовании CPI и PI_abs для характеристики токсичности пределы обнаружения составили 0.68 и 1.21 мг/л для кратковременного ингибирования (15 мин) и 0.22 и 0.42 мг/л для долговременного ингибирования (8 ч). В частности, для ингибиторов PSI пределы обнаружения (LOD) CPI как для краткосрочного, так и для долгосрочного ингибирования на ~50% ниже, чем полученные с помощью PI_abs. Что касается стабильности токсического ответа, относительные стандартные отклонения (RSD) для ингибитора PSII атразина составили 5.15% (CPI) и 14.14% (PI_abs) после короткого воздействия в течение 15 мин и 4.43% (CPI) и 5.38% (PI_abs) после длительного воздействия в течение 4 ч. Для ингибитора PSI параквата RSD = 10.18% (CPI) и 32.79% (PI_abs) после 15 мин и 3.30% (CPI) и 13,54% (PI_abs) после 8 ч. Таким образом, CPI продемонстрировал превосходные показатели в обеспечении стабильности токсической характеристики для обоих репрезентативных ингибиторов. Показано, что CPI может эффективно применяться для высокочувствительного обнаружения биологической токсичности, вызванной ингибиторами PSI и PSII. Это не только решает проблему низкой чувствительности метода ингибирования фотосинтеза водорослей к ингибиторам PSI, но и обеспечивает важную параметрическую поддержку для унификации показателей токсического ответа, соответствующих ингибиторам PSI и PSII.

1. Y. Xie, Z. Y. Li, L. Feng, et al., Environ. Sci. and Tech., 31, No. 12, 83–89 (2008).

2. ISO 8692 E N. International Organization for Standardization, 6 (2004).

3. A. Stirbet, J. Photochem. and Photobiology B, 104, No. 1-2, 236–257 (2011).

4. Y. Guo, J. Tan, J. Biosystems, 103, No. 2, 152–157 (2011).

5. U. Schreiber, Chlorophyll A Fluorescence A Signature of Photosynthesis, 279–319 (2004).

6. T. Antal, I. Konyukhov, A. Volgusheva, et al., Physiol. Plantarum, 165, No. 3, 476–486 (2018).

7. H. Kupper, Z. Benedikty, F. Morina, et al., Plant Physiology, 179, No. 2, 369–381 (2018).

8. K. Satoh, Biochim. Biophys. Acta (BBA) – Protein Structure and Molecular Enzymology, 1102, No. 1, 45–52 (1992).

9. Z. S. Qin, N. J. Zhao, G. F. Yin, et al., Acta Opt. Sin., 37, No. 7, 073002 (2017).

10. L. Hu, G. F. Yin, N. J. Zhao, et al., Spectrosc. and Spectral Analysis, 41, No. 5, 1519–1524 (2021).

11. Ministry of Environmental Protection. Environmental Monitoring Analysis Method Standard System Revision Technical Guidance (2010).