Hodnocední metabolické aktivity řas a sinic pomocí kinetiky fluorescence

RNDr. Alan Gavel

Advanced ('rigorózní') thesis

Assessment of algal and cyanobacterial metabolic activity using fluorescence kinetics

Abstract:

Herbicidy, těžké kovy, vzdušné polutanty a další látky antropogenního původu mohou působit stres organismům v životním prostředí. Mimo jiné mohou vyvolávat přímé i nepřímé škodlivé účinky na fotosyntetické procesy a v důsledku toho poškozovat autotrofní organismy. Fotosyntéza a navazující biochemické procesy jsou vhodným indikátorem takového působení, protože mohou znázorňovat fyziologický stav organismu. Myšlenka na využití změn ve fotosyntéze indukovaných environmetální zátěží se objevila téměř vzápětí po uvedení dostupných přístrojů. Počátky využití fluorescence chlorofylu při detekci polutantů můžeme hledat v oblasti detekce efektů pesticidů. Experimenty popsané v literatuře byly většinou prováděny na specializovaných přístrojích pro rostlinné fyziology, kteří definovali celou řadu charakteristických indexů. Používané přístroje s bodovým detektorem ale nemají schopnost zpracovat pouze větší množství vzorků v určitém čase. Představuje to nevýhodu pro rutinní nasazení zejména ve screeningových testech. Toto omezení odstraňuje 2D zobrazování heterogenity fluorescence. V této práci jsou diskutovány výhody a nevýhody obou přístupů pro testy toxicity a limity využití fluorescenčních indexů při měření zobrazujícími fluorimetry. V rámci experimentálních prací byla navržena, optimalizována a aplikována metodika sledování aktivity autotrofních organismů na těchto přístrojích nově zavedeným parametrem SCA (Slow Complementary Area). SCA byla navržena se zaměřením na screeningové biotesty. Jedná se o integrující parametr, který je definován jako geometrický doplňek určitého integrálu křivky variabilní fluorescence v průběhu světelné adaptace. Zahrnuje projevy několika vlivů na procesy spojené s fotosyntézou. Jsou uvedeny výsledky toxicity vybraných chemických látek. Metodika stanovení SCA umožňuje doplnit běžné růstové testy toxicity alternativní koncovkou, která vykazuje velmi rychlou odezvu. Metoda prokázala schopnost detekovat také toxicitu látek, které nemají mechanismus účinku přímo spojený s ovlivněním primárních procesů fotosyntézy. Experimentálně byla ověřena citlivost nové metody na problémové faktory přírodních vzorků, které ovlivňují absorbanční vyhodnocení. Byl prokázán omezený vliv trofie, zákalu a zabarvení na hodnocení toxicity pomocí SCA. Další část práce je věnována sledování problematických skupin fytoplanktonu především sinicím rodu Microcystis. Kolonie sinic byly sledovány v průběh ročního cyklu makroskopickou i mikroskopickou technikou florescenčního zobrazování. Jsou uvedeny výsledky měření vitality kolonií sinic po průchodu trávicím traktem býložravého tolstolobika bílého. Závěr tohoto měření umožňuje vyslovit pochybnosti o účinnosti biomanipulace vodních květů rybí obsádkou.

Abstract:

Herbicides, heavy metals, air polutants and other antropogenic xenobiotics could stress organisms in the environment. They could cause direct and indirect adverse effects on photosynthetic processes and thus injure autotrophic organisms. Photosynthesis and related biochemical reactions are proper bioindicators of such an influence because they are able to demonstrate physiological status of the organism. The idea of utilization changes reflected in photosynthesis which are induced by environmental stress became immediately after release of proper instruments. Basic experiments on this topic were carried out in research on effects of pesticides. Experiments described in literature were carried out on specialized instruments for plant physiologist at most. They defined many characteristic indexes. The instruments used in this time were based on spot detectors and thus they are capable to proceed with limited number of samples per time. This fact represent major disadvantage for toxicity screening bioassays. Breaking this barrier was realized with introduction of fluorescence 2D imaging. Advantages and disadvantages of both methods for toxicity bioassays together with limitations of use the fluorescent indexes on the imaging fluorimeters are discussed in this thesis. Novel method called SCA (Slow Complementary Area) for assessment of activity of autothrophic organisms was proposed optimized and applied. SCA was projected with regard to application in screening bioassays. SCA represents integrating parameter, which is defined as geometrically complement to definite integral of the light adapting state variable fluorescence curve. It includes several effects directly connected with photosynthetic processes. The results of toxicity testing with selected chemicals are shown. SCA method affords opportunity to supplement growth toxicity tests with alternative endpoint which shows very fast response. This method experimentally proved ability to detect general toxicity of chemicals which influence the primary processes of photosynthesis indirectly. The sensitivity to interfering factors, which affect assessment by absorbance, was proved. Limited influence of nutrient, turbidity and coloration levels were shown. Other part of the thesis described application of fluorescence imaging to monitor of problematic group of phytoplankton, which forms the so-called water blooms. Microcystis strains were observed during the year cycle by macroscopic and microscopic 2D fluorescence imaging. Microcystis colonies digestion by silver carp were observed. The overall condition of colonies was not damaged after excretion. The results of experiment are commented with conclusions to fish biomanipulation.

Keywords

fluorescence kinetics, variable fluorescence, bioassay, toxicity, chlorophyll fluorescence

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 11. 10. 2007

Thesis defence

• Date of defence: 5. 12. 2007
• Reader: prof. RNDr. Luděk Bláha, Ph.D., RNDr. Jaromír Lukavský, CSc.

Masaryk University

Faculty of Science

Advanced ('rigorózní řízení') programme / field:
Biology / General Biology