Курсовая работа: Использование метода люминесцентной микроскопии в исследовании микроводорослей

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.