Потенціал плейстофітів для фіторемедіації техногенно забруднених водойм

Дисертаційна робота присвячена вивченню ефективності застосування плейстофітів у фіторемедіації технічних водойм, забруднених наночастинками металів.
Досліджено здатність Pistia stratiotes, Limnobium laevigatum та Salvinia natans до вилучення наночастинок металів з водного середовища, а також вплив наночастинок металів на фізіологічні параметри рослин, які виступають маркерами стійкості до пошкодження, з метою надання рекомендацій щодо оптимізації методів фіторемедіації з використанням плейстофітів для очищення стічних вод промислових підприємств та природних і штучних водойм, забруднених наночастинками металів. Робота набуває ще більшої актуальності в зв’язку з воєнним конфліктом внаслідок вторгнення Російської Федерації на територію України, який спричинює катастрофічне забруднення природних екосистем, в тому числі водних. Отримані результати досліджень та надані рекомендації матимуть надзвичайно важливе значення у післявоєнному відновленні забруднених токсичними сполуками водойм України.
В роботі наведені переваги фіторемедіації, як ефективного методу очищення водойм, зокрема такі, як висока ефективність очищення, низька вартість впровадження та екологічна безпека. Зокрема, акцентується увага на здатності водних рослин до поглинання різних забруднюючих речовин, включаючи наночастинки металів, з водного середовища.
Досліджено вплив наночастинок металів на рослинні організми, зокрема спричинені їхнім впливом зміни на біохімічному рівні (у вмісті фотосинтетичних пігментів, амінокислот, ацилкарнітинів, терпеноїдів та фенольних сполук, активності каталази), які сприяли стійкості, чи призводили до порушення регуляторних процесів.
На основі проведених досліджень по з’ясуванню акумуляційної здатності досліджуваних рослин по відношенню до наночастинок металів встановлено, що усі досліджувані плейстофіти (P. stratiotes, S. natans і L. laevigatum) проявили високу ефективність у видаленні наночастинок таких металів, як Mn, Cu, Zn і Ag. Однак, вищу акумуляційну здатність по відношенню до досліджуваних наночастинок металів проявили P. stratiotes та S. natans. Одночасно, відмічено видоспецифічність ефекту стосовно різних металів. P. stratiotes мала найкращі результати під час видалення наночастинок Mn (94%) і Zn (65%), S. Natans показала високу здатність до видалення наночастинок Mn (86%) і Cu (69%) і однаковим був результат по видаленню Ag (76%) у обох видів. Отже, дані види плейстофітів можуть бути рекомендовані для очищення водойм від наведених наночастинок.
Досліджені зміни у вмісті хлорофілів, каротиноїдів, фенольних сполук, терпеноїдів, амінокислот та ацилкарнітинів, активності каталази у водних рослинах під впливом наночастинок металів виявили загальні прояви токсичного ефекту. Так, вони спричинили зниження вмісту хлорофілів a та b в досліджуваних рослинах, але спочатку (на 7-му добу) може спостергатися збільшення вмісту пігментів у таких видів, як P. stratiotes та S. natans, що є проявом захисної реакції. Найбільше вміст хлорофілів знижувався у L. laevigatum. Також виявлено, що у P.stratiotes спостерігалося збільшення вмісту каротиноїдів, які беруть участь у захисті фотосинтетичної системи, що свідчить про стійкість її фотосинтетичного апарату до наночастинок металів. У L. laevigatum та S. natans, навпаки, спостерігалося зниження вмісту каротиноїдів, що свідчить про порушення фотосинтетичного апарату в цих рослинах. Узагальнюючи, P. stratiotes виявилась найстійкішим плейстофітом за стабільністю вмісту фотосинтетичних пігментів.
В результаті досліджень встановлено зниження кількісного вмісту білка у L.laevigatum та S. natans за впливу наночастинок металів. Це зниження може бути наслідком порушення метаболізму азоту, який є важливим елементом у живленні рослин. Зміна вмісту білка може призвести до гальмування процесів росту та суттєвого зниження продуктивності цих водних рослин. У випадку з P. Stratiotes вміст білка залишився без змін, що свідчить про стійкість системи білкового метаболізму цього виду до наночастинок металів.
В ході дослідження ми ідентифікували 17 амінокислот, які є складовими білкових компонентів досліджуваних рослин, і визначили їх кількісний вміст. Під впливом наночастинок металів в усіх досліджуваних рослинах відбулося зниження загального вмісту амінокислот. Зокрема, для S. natans цей показник становив 23%, а для P. stratiotes та L. laevigatum лише 8%. Також був проаналізований вміст окремих амінокислот, насамперед тих, що беруть безпосередню участь в механізмах стійкості. У рослин, які мали вищу стікість, суттєвих змін у вмісті цих амінокислот не спостерігалося.
Досліджено вплив наночастинок металів на ліпідний метаболізм у трьох досліджуваних плейстофітів. Виявлені зміни у кількісному вмісті ацилкарнітинів свідчать про змінений метаболізм мітохондрій та можуть слугувати маркерами стрес-толерантності рослин до впливу наночастинок металів. Виявлено, що у P.stratiotes не спостерігалося зниження вмісту жодного з ацилкарнітинів, що свідчить про стійкість цього виду до впливу наночастинок металів. У L.laevigatum спостерігалося зменшення вмісту семи ацилкарнітинів, а в S. natans - чотирьох. Одночасно виявлено збільшення вмісту певних ацилкарнітинів у кожного виду. Зокрема, під впливом наночастинок металів відбулось збільшення вмісту трьох ацилкарнітинів (С5, С8, С18:1) у S. natans та семи (С0, С2, С3, С4, С6, С16, С18:1) у P. stratiotes, тоді як у L. laevigatum не відбулось збільшення вмісту цих сполук. Такі зміни вмісту ацилкарнітинів свідчать про складний процес, який включає в себе захисні реакції за участю ліпідного обміну для збереження гомеостазу та життєздатності рослинного організму під впливом наночастинок металів.
Проведено аналіз зміни активності каталази (маркерного ферменту щодо стійкості рослини до стресора, який забезпечує захист рослин від оксидативного стресу шляхом знешкодження пероксиду водню, кількість якого збільшується за будь-якого негативного впливу) у P. stratiotes, S. natans, L. laevigatum за впливу наночастинок металів, які перебували у водному колоїдному розчині. Виявлено, що у L. laevigatum спостерігалося зниження активності каталази на 17%, а у P. stratiotes та S. natans, навпаки, підвищення її активності на 19% та 63% відповідно. Враховуючи інші маркери стійкості рослин, було зроблено висновок, що види, у яких підвищувалася активність каталази, мали вищу стійкість до пошкоджень, спричинених наночастинками металів.
Досліджено вміст фенольних сполук та терпеноїдів у водних рослинах. Виявлено, що рівень накопичення цих сполук значно відрізняється, в залежності від видових особливостей рослини та змінюється під впливом наночастинок металів. У P. stratiotes вміст фенольних сполук залишився незмінним, тоді як у інших видів спостерігалося зниження. Відмічено також зміни вмісту терпеноїдів: зниження у L. laevigatum та збільшення у P. stratiotes. Одночасно у S. Natans зберігався стабільний рівень впродовж всього експерименту.
Отримані результати свідчать про різну відповідь досліджуваних рослин на вплив наночастинок металів, що може бути пов'язано зі специфічними механізмами підтримання гомеостазу і механізмами регуляції захисних систем.
Результати досліджень свідчать, що серед трьох досліджуваних видів P. stratiotes та S. natans є більш стійкими за фізіологічними та біохімічними показниками стійкості та одночасно ефективними в поглинанні наночастинок металів, ніж L. laevigatum.
Проаналізувавши вплив інвазійного виду P. stratiotes на життєздатність природних для водойм України видів і виявивши негативні наслідки такого впливу, рекомендовано використовувати P. stratiotes для фіторемедіації з метою
вилучення наночастинок металів виключно у закритих технічних водоймах з замкнутим водообігом і неможливістю її потрапляння зі стічними водами до відкритих очисних споруд та природних водних об’єктів. Для відкритих технічних та природних водойм придатною для фіторемедіаційних методів виявилася лише S. natans.
Отримані результати можуть бути використані для розробки зелених технологій очищення забруднених наночастинками металів технічних та природних водойм з метою збереження чистоти природних вод та біологічного різноманіття водних екосистем.

Ключові слова: фіторемедіація, плейстофіти, наночастинки металів, хлорофіли, каротиноїди, амінокислоти, ацилкарнітини, активність каталази, терпеноїди, феноли, стрес-толерантність, акумуляція, водні екосистеми.

The thesis focuses on studying the effectiveness of phytoremediation of industrial water bodies contaminated with metal nanoparticles using pleustophytes, floating aquatic macrophytes. The ability of Pistia stratiotes, Limnobium laevigatum, and Salvinia natans to remove metal nanoparticles from the aquatic environment was investigated, along with the impact of these nanoparticles on plant physiological parameters. The aim was to provide recommendations for phytoremediation using higher aquatic plants to purify industrial wastewater and natural/artificial water bodies contaminated with metal nanoparticles. The research becomes even more relevant due to the ongoing war conflict resulting from the Russian Federation's invasion of Ukraine, which causes catastrophic pollution of natural ecosystems, including water bodies. The obtained research results and recommendations could have high importance in the postwar restoration of polluted water bodies in Ukraine.
The work highlights the advantages of phytoremediation as an effective method of water purification, including high efficiency, low implementation cost, and ecological safety. Specifically, attention is drawn to the ability of aquatic plants to absorb various pollutants, including metal nanoparticles, from the aquatic environment.
The influence of metal nanoparticles on plant organisms was investigated, including their effects on cellular changes, biological molecule functions, and disruption of regulatory processes.
Based on the conducted research, it was established that all studied pleustophytes (Pistia stratiotes, Salvinia natans, and Limnobium laevigatum) demonstrated high efficiency in removing metal nanoparticles (Mn, Cu, Zn, and Ag) from colloidal solutions. However, Pistia stratiotes and Salvinia natans showed higher potential for removing water solutions. Pistia stratiotes showed the best results in removing Mn (94%) and Zn (65%) nanoparticles. Salvinia natans demonstrated high capability in removing Mn (86%) and Cu (69%) nanoparticles, as well as equal performance for Ag (76%) in both species. Thus, these pleustophyte species can be recommended for the purification of water bodies from the mentioned nanoparticles.
Changes in the content of chlorophylls, phenolic compounds, terpenoids, amino acids, and acylcarnitines in aquatic plants under the influence of metal nanoparticles were investigated.
It was found that metal nanoparticles led to a decrease in the content of chlorophyll a and b in the studied plants, but on the 7th day, an increase in pigment content was observed in Pistia stratiotes and Salvinia natans. The highest reduction in chlorophyll content was observed in Limnobium laevigatum. It was also discovered that the carotenoid content increased in Pistia stratiotes, indicating the resilience of its photosynthetic apparatus to metal nanoparticles. In contrast, Limnobium laevigatum and Salvinia natans showed a decrease in carotenoid content, indicating the damage of the photosynthetic apparatus of these plants. In summary, Pistia stratiotes demonstrated the highest resilience among the studied pleustophytes based on photosynthetic indicators.
The research results demonstrate a decrease in protein content in Limnobium laevigatum and Salvinia natans under the influence of metal nanoparticles. This decrease may be a consequence of nitrogen metabolism disruption, which is an essential element in plant nutrition. Changes in protein content can lead to growth inhibition and reduced productivity of these aquatic plants. In case of Pistia stratiotes, protein content remained unchanged, indicating the stability of the protein metabolism system in this species.
During the experiment, we identified 17 amino acids as components of the protein content in the investigated plants and determined their quantitative content. Under the influence of metal nanoparticles, a decrease in the total amino acid content was observed in all studied plants. Specifically, for Salvinia natans, it decreased by 23%, while for Pistia stratiotes and Limnobium laevigatum, the amino acid content decreased by 8%. The content of individual amino acids was also analyzed.
The impact of metal nanoparticles on lipid metabolism in the three studied pleustophytes was investigated. Changes in the quantitative content of acylcarnitines indicate altered mitochondrial metabolism and can serve as markers of plant stress tolerance to the influence of metal nanoparticles. It was found that Pistia stratiotes did not show a decrease in the content of any acylcarnitines, indicating the resistance of this species to the impact of metal nanoparticles. Limnobium laevigatum exhibited a decrease in the content of seven acylcarnitines, while Salvinia natans showed a decrease of four acylcarnitines. Simultaneously, an increase in the content of specific acylcarnitines was observed in each species. Salvinia natans exhibited an increase in the content of three acylcarnitines (C5, C8, C18:1), and Pistia stratiotes showed an increase in seven acylcarnitines (C0, C2, C3, C4, C6, C16, C18:1). There was no increase in the content of acylcarnitines in Limnobium laevigatum. These changes in acylcarnitine content indicate a complex process involving protective reactions through lipid metabolism to maintain homeostasis and viability of the plant organism under the influence of metal nanoparticles.
The catalase activity of Pistia stratiotes, Salvinia natans, and Limnobium laevigatum under the influence of metal nanoparticles in an aqueous solution was analyzed. Catalase is an important enzyme that provides protection against oxidative stress by turning hydrogen peroxide into water and oxygen. It was found that Pistia stratiotes and Salvinia natans showed an increase in catalase activity by 19% and 63%, respectively, while Limnobium laevigatum showed a decrease in activity by 17%. Considering other markers of plant resistance, it can be concluded that the species with increased catalase activity were more resistant to damage caused by metal nanoparticles.
The content of phenolic compounds and terpenoids in aquatic plants was investigated. It was found that the level of accumulation of these compounds significantly differed depending on the plant species and changed under the influence of metal nanoparticles. The content of phenolic compounds remained unchanged in Pistia stratiotes, while a decrease was observed in the other species. Changes in the content of terpenoids were also investigated: an increase in Pistia stratiotes, a decrease in Limnobium laevigatum, and stable levels in Salvinia natans.
The obtained results indicate different responses of plants to the influence of metal nanoparticles, which may be associated with specific mechanisms of regulation. The results demonstrate that Pistia stratiotes and Salvinia natans are more resistent due to physiological indicators and effectiveness in absorbing metal nanoparticles.
It is recommended to use pleustophytes for phytoremediation of technogenically polluted water bodies contaminated with metal nanoparticles, specifically Pistia stratiotes in closed technical water bodies and Salvinia natans in open natural water bodies.
The obtained results can be used for the development of green technologies for the purification of water bodies from metal nanoparticles, aiming to preserve natural waters and the biodiversity of aquatic ecosystems.
Keywords: phytoremediation, pleustophytes, metal nanoparticles, chlorophylls, carotenoids, amino acids, acylcarnitines, catalase activity, terpenoids, phenols, stress tolerance, accumulation, aquatic ecosystems.

Гречишкіна С. В. Потенціал плейстофітів для фіторемедіації техногенно забруднених водойм : дис. ... д-ра філос. : 091 Біологія / Гречишкіна Світлана Вікторівна. - Київ, 2023. - 102 с.