Тяжелые металлы могут выступать в экосистемах в роли биогенных элементов, то есть химических элементов, постоянно входящих в состав живых организмов и выполняющих определенные биологические функции. Также металлы могут выступать в качестве токсикантов, то есть веществ, приводящих в определенных дозах или концентрациях к расстройству или нарушению тех или иных процессов жизнедеятельности организма [1].
Накопление металлов клетками микроорганизмов носит двухфазный характер. Начальная фаза не зависит от энергетического состояния клетки и обусловлена сорбцией металлов компонентами клеточной стенки, среди которых особенно активны как сорбенты хитин и хитозан. Последующая же, более медленная фаза – энергозависимое внутриклеточное накопление, происходящее с участием мембранных переносчиков ионов [3, 5]. При этом количество аккумулируемого металла зависит как от генетических особенностей микроорганизма, так и от концентрации данного элемента в среде обитания. [2, 4].
На основании вышеизложенных данных перед нами была поставлена следующая цель: изучить способность факультативно-анаэробной кишечной микрофлоры крыс к биоаккумуляции тяжелых металлов в условиях in vitro.
В качестве материалов выступала факультативно-анаэробная нормофлора лабораторных крыс: E. faecalis, E. cloacae, E. coli, L. acidophilus. В качестве источника катионов тяжелых металлов использовались соли с высоким уровнем диссоциации в водных растворах: FeSO4 – сульфат железа, ZnSO4 – сульфат цинка, Pb(NO3)2 – нитрат свинца, CdSO4×8H2O – восьмиводный сульфат кадмия, CuSO4×5H2O – пятиводный сульфат меди.
Определение биоаккумуляции катионов тяжелых металлов исследуемыми микроорганизмами из субстрата осуществлялось с использованием атомно-абсорбционный метода (ААСФ) при этом анализу подвергались не только биомасса, но и супернатат. Для достижения поставленной цели в субстрат вносился один из изучаемых металлов в рабочей концентрации с последующим культивирование микроорганизмов до наступления стационарной фазы роста. По окончанию культивирования пробы подвергались обработке и анализировались на ААСФ.
В ходе проведения исследования нами были получены данные из которых следует, что из всех анализируемых металлов представители кишечной нормофлоры наиболее активно накапливают катионы железа.
При этом наиболее активно из всех используемых культур аккумулировали ионы железа E. coli, E. faecalis и E. cloaceae. в то время как показатели накопления данного элемента для штамма L. acidophilus имели значительно более низкие значения по сравнению с другими штамма и составили 44,3%, соответственно.
Помимо железа все исследуемые микроорганизмы активно аккумулируют катионы свинца. При этом общая картина аккумуляции исследуемого элемента аналогична показателям сорбции катионов железа.
Рис. 1. Оценка биоаккумулирующей способности катионов железа и свинца представителями бактериальной нормофлоры кишечника лабораторных животных: А – Оценка биоаккумулирующей способности катионов железа; Б – Оценка биоаккумулирующей способности катионов свинца
Анализ аккумуляции катионов цинка из субстрата свидетельствует о том, что наиболее высокими сорбционными свойствами в отношении данного элемента обладает E. faecium со средним значением 40,1% от общего числа внесенного в субстрат металла. Значения аккумуляции остальных штаммов были значительно ниже.
Значения накопления катионов меди и кадмия имели минимальные значения по сравнению с другими эллементами.
Анализируя биоаккумулирующую способность представителями нормофлоры катионов меди, можно отметить общую закономерность с сорбцией железа, однако уровень накопления был значительно ниже и составил у E. coli, E. faecalis, E. cloaceae и L. acidophilus 10,5%, 10,5%, 9,8% и 3,3% соответственно.
Обобщая значения аккумулирующей способности представителями нормофлоры катионов кадмия можно отметить, что катионы данного элемента наиболее активно накапливались штаммом E. faecalis и его значение в биомассе составило 31,5% (рис. 2).
Рис. 2. Оценка биоаккумулирующей способности катионов кадмия представителями бактериальной нормофлоры кишечника лабораторных животных
На следующем этапе нашего исследования нами была проведена оценка избирательного накопления катионов исследуемых металлов (рис. 3). С этой целью в субстрат вносились все исследуемые элементы в рабочих концентрациях с последующим культивированием.
В результате проведенного эксперимента были получены данные, из которых следует, что в присутствии всех используемых металлов микроорганизмы также интенсивно аккумулировали ионы железа и свинца.
Полученные данные свидетельствуют о том, что представители бактериальной нормофлоры кишечника практически не накапливают катионы меди и кадмия, исключением являлся штамм E. faecalis в отношении катионов кадмия с процентом аккумуляции из субстрата более 30 процентов. Максимальная степень накопления как при одиночном, так и избирательном внесении солей тяжелых металлов приходится на катионы железа и свинца
Таким образом, из полученных данных следует, что из данной группы солей тяжелых металлов всеми исследуемыми культурами только 2 металла интенсивно извлекались из культуральной жидкости. Наиболее активно аккумулировалось железо, на втором месте находится свинец. Ионы меди, цинка, кадмия и наномедь практически не накапливались данными микроорганизмами. Исключение составлял штамм E. faecalis в отношении катионов цинка и кадмия с процентом накопления – 40,1% и 31,5%, соответственно.
Рис. 3. Оценка избирательной биоаккумуляции исследуемых катионов металлов из субстрата представителями нормофлоры кишечника лабораторных крыс
Лучшими биосорбентами катионов железа и свинца являлись штаммы E. coli, E. faecalis и E. cloaceae с объемом сорбции более 60%.