Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Обзор литературы 9
1.1. Тяжелые металлы: общая характеристика 9
1.2. Источники поступления тяжелых металлов в биосферу 11
1.2.1. Природные источники 11
1.2.2. Техногенные источники И
1.3. Основные пути поступления тяжелых металлов в растения 14
1.3.1. Поглощение тяжелых металлов корнями 14
1.3.2. Атмосферное поступление тяжелых металлов 15
1.3.3. Синергизм и антагонизм в действии тяжелых металлов 17
1.4. Влияние тяжелых металлов на жизнедеятельность растений 19
1.4.1. Основные признаки повреждения растений 19
1.4.2. Действие тяжелых металлов на клеточные структуры и метаболизм растений 21
1.5. Механизмы металлоустойчивости растений 27
1.5.1. Механизмы, предотвращающие проникновение тяжелых металлов в клетку 27
1.5.2. Внутриклеточные механизмы металлоустойчивости 30
1.5.3. Механизмы металлоустойчивости, функционирующие на уровне тканей, органов и целого организма 34
1.6. Роль древесных растений в биоконсервации и ограничении распространения тяжелых металлов 35
Глава 2. Объекты и методы исследований 39
2.1. Краткая характеристика объектов исследования и мест их произрастания.. 39
2.2. Методы исследований 41
Глава 3. Содержание тяжелых металлов в различных органах и тканях лиственных древесных растений ...45
3.1. Сравнительная оценка накопления тяжелых металлов листьями древесных растений в городских условиях 45
3.2. Исследование содержания тяжелых металлов в различных органах и тканях березы 51
3.3. Сравнительная оценка накопления тяжелых металлов в органах березы в «условно чистых» и городских условиях 67
3.4. Содержание тяжелых металлов в листьях березы в летний и осенний периоды 74
Глава 4 . Влияние кадмия на некоторые физиолого-биохимические показатели березы 82
4.1. Всхожесть семян 84
4.2. Рост и развитие апикальной меристемы побегов в условиях in vitro 89
4.2.1. Поглощение макро- и микроэлементов 89
4.2.2. Рост и развитие листьев 93
4.2.3. Корнеобразование у побегов 98
4.3. Деятельность фотосинтетического аппарата 101
4.4. Жирнокислотный состав отдельных фракций липидов 107
Заключение 131
Выводы 134
Список литературы 137
- Тяжелые металлы: общая характеристика
- Краткая характеристика объектов исследования и мест их произрастания..
- Сравнительная оценка накопления тяжелых металлов листьями древесных растений в городских условиях
- Всхожесть семян
Введение к работе
Актуальность темы. Быстрое развитие промышленности во второй половине XX века повлекло за собой ощутимое загрязнение окружающей среды и резкое ухудшение экологической ситуации в различных регионах планеты. Среди многочисленных загрязнителей наиболее токсичными, после пестицидов, считаются тяжелые металлы. Именно поэтому исследования многих ученых в последние десятилетия направлены на изучение влияния тяжелых металлов на растения и животных (Черненькова, 1986, 2002; Clemens, 2001; Memon et al., 2001; Hall, 2002; Немова, 2005; Казнина и др., 2006а, б; Титов и др., 2007; Головко и др., 2008 и др.). Благодаря этому было установлено, что, хотя многие тяжелые металлы не являются необходимыми для жизнедеятельности растений, они могут ими активно поглощаться и долго сохранять токсические свойства, оказывая тем самым длительное отрицательное действие и последействие на организм.
Необходимо отметить, что влиянию тяжелых металлов на рост и развитие растений посвящено довольно большое число работ (Гармаш, 1985; Ильин и др., 1985; Godbold, 1991; Гуральчук, 1994; Vassilev, Yordanov, 1997; Das et al., 1997; Лянгузова, 1999; Гончарук, Калашникова, 2000; Ali et al., 1999a, b, 2000; Титов и др., 2002; Dong et al., 2005; Казнина и др., 2005, 2006a, б и др.), однако, в большинстве своем такого рода исследования проводились на травянистых растениях, имеющих сельскохозяйственное значение. Древесные растения изучены в этом плане гораздо хуже. В частности, практически отсутствуют работы экспериментального характера, направленные на изучение действия конкретных металлов на важнейшие физиолого-биохимические показатели лиственных древесных растений. Имеющиеся в этом отношении работы финских (Utriainen et al, 1997; Кор-ponen et al., 2001) и шведских (Gussarsson, 1994a, b, 1995) исследователей,
изучавших металлоустойчивость березы (устойчивость к меди, цинку и кадмию), носят единичный характер.
Вместе с тем, такого рода данные имеют не только большой научный, но и практический интерес, который связан с возможностью восстановления лесов на значительных по площади территориях, загрязненных тяжелыми металлами (Amiro, Courtin, 1981). Более того, некоторые исследователи (Kopponen et al., 2001; Eltrop et al., 1991; Franiel et al., 2005, 2008) считают, что для этих целей целесообразно использовать именно березу. Хотя при этом остается открытым вопрос об особенностях реакции растений данного рода на действие тяжелых металлов, особенно на ранних этапах их онтогенеза.
Цель и задачи исследования. Целью нашей работы явилось изучение влияния тяжелых металлов на некоторые физиолого-биохимические показатели растений рода Betula L.
Для достижения указанной цели были поставлены следующие задачи:
провести оценку содержания тяжелых металлов в листьях березы и ряда других древесных растений (липа, рябина, тополь), наиболее часто используемых для озеленения северных городов;
изучить характер накопления и распределения тяжелых металлов в тканях и органах берез, растущих как в городских, так и природных условиях;
оценить влияние тяжелых металлов (на примере кадмия) на всхожесть и прорастание семян березы;
исследовать морфогенез меристемы березы в культуре in vitro в присутствии тяжелых металлов (на примере кадмия);
изучить влияние тяжелых металлов (на примере кадмия) на характер изменения некоторых физиолого-биохимических показателей березы на ранних этапах ее онтогенеза.
Научная новизна работы. Проведена сравнительная оценка уровня аккумуляции тяжелых металлов в листьях березы и ряда других древесных растений (липа, рябина, тополь), наиболее часто используемых для озеленения северных городов. Показано, что для березы характерно повышенное накопление кадмия, концентрация которого в листьях и пасоке часто превышает нижний уровень допустимого для жизнедеятельности воздействия. Изучено влияние различных концентраций кадмия (Ю-6, Ю-5, 10"4 и 10_3М) на всхожесть семян, рост и развитие апикальной меристемы, а также ряд физиолого-биохимических показателей побегов березы, полученных in vitro. Впервые установлено, что с повышением в питательной среде концентрации кадмия до Ю^Мв побегах березы резко снижается доля диеновых и триеновых (за счет уменьшения линолевой и линоленовой) жирных кислот на фоне увеличения моноеновых, что особенно отчетливо проявляется во фракции гликолипидов. Изменения, выявленные в глико-липидах, рассматриваются как один из показателей негативного влияния кадмия на структуру и функции мембран хлоропластов и, соответственно, на фотосинтез побегов березы.
Практическая значимость работы. Полученные в работе данные по содержанию тяжелых металлов и их распределению в тканях и органах березы можно использовать при проведении мониторинга за состоянием окружающей среды. Результаты экспериментальных исследований дополняют существующие в литературе сведения о влиянии различных концентраций кадмия на физиолого-биохимические показатели древесных растений, а также о механизмах, регулирующих эти процессы. Основные результаты работы могут быть использованы при проведении селекционно-генетических исследований, направленных на повышение металлоустойчи-вости древесных растений, а также в учебном процессе при чтении лекционных курсов по общей экологии, физиологии растений, ботанике, а также
ряда спецкурсов (экологическая ботаника, экологическая физиология растений, экологическая биохимия, экология древесных растений и т.д.).
Апробация работы. Основные результаты исследований докладывались или представлялись на молодежных научных конференциях и школах «Седьмая Санкт-Петербургская Ассамблея молодых ученых и специалистов» (Санкт-Петербург, 2002), «Школа экологической геологии и рационального недропользования» (Санкт-Петербург, 2006), «Экология-2007» (Архангельск, 2007), «Biodiversity in the changing environment of Northen Europe» (Petrozavodsk, 2007); на Всероссийской конференции «Фундаментальные и прикладные проблемы ботаники в начале XXI века» (Петрозаводск, 2008); на международных конференциях и совещаниях: «Проблемы сохранения биоразнообразия в наземных и морских экосистемах Севера» (Апатиты, 2001), «Проблемы физиологии растений Севера» (Петрозаводск, 2004), «Антропогенная трансформация таежных экосистем Европы: экологические, ресурсные и хозяйственные аспекты» (Петрозаводск, 2004), «Структурно-функциональные особенности биосистем Севера (особи, популяции, сообщества)» (Петрозаводск, 2005), «Изучение флоры Восточной Европы: достижения и перспективы» (Санкт-Петербург, 2005), «Наука о лесе: история, современное состояние и перспективы развития» (Гомель, 2005), «Северная Европа в XXI веке: природа, культура, экономика» (Петрозаводск, 2006), «Устойчивость экосистем и проблема сохранения биоразнообразия на Севере» (Кировск, 2006), «Современные экологические проблемы Севера» (Апатиты, 2006), «Tree Biotechnology» (Washington, USA, 2001; Azores, Portugal, 2007), «Современная физиология растений: от молекул до экосистем» (Сыктывкар, 2007), «Propagation of Ornamental Plants» (Sofia, Bulgaria, 2007), «Физико-химические основы структурно-функциональной организации растений» (Екатеринбург, 2008).
Публикации. Основное содержание диссертационной работы и ее результатов отражено в 23 научных работах, включая 2 статьи в рецензируемых журналах.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 4-х глав, заключения, выводов и списка литературы, включающего 364 наименования. Работа изложена на 174 страницах, содержит 35 рисунков и 9 таблиц.
Благодарности. Автор искренне благодарит научного руководителя чл.-корр. РАН, д.б.н., профессора А.Ф. Титова за всестороннюю и неоценимую помощь в период проведения исследований и работы над диссертацией, а также сотрудников лаборатории физиологии и цитологии древесных растений и аналитической лаборатории Института леса КарНЦ РАН за помощь в проведении химических анализов и сотрудников лаборатории экологической физиологии растений Института биологии Кар НЦ РАН к.б.н. А.В. Таланова, к.б.н. В.В. Таланову, к.б.н. Н.М. Казнину за техническую помощь и ценные советы по организации работ с тяжелыми металлами. Особая благодарность маме и мужу, поддержка и внимание, которых способствовала выполнению данной работы.
Тяжелые металлы: общая характеристика
Тяжелые металлы входят в группу основных типов загрязняющих веществ. В силу высокой токсичности они представляют собой опасность для биоты даже при незначительном увеличении концентрации в организме или среде обитания. Кроме того, они не подвергаются биодеградации и практически не выводятся из системы: почва-растения-животные-человек (Антипов, 1979; Гудериан, 1979; Ковда и др., 1979; Ярмишко, 1997; Добровольский, 1980; Виноградов, 1985; Захарова Л.Л., 1985; Алексеева-Попова, 1990; Черненькова, 2002).
Термин «тяжелые металлы» применяется к металлам, имеющим плот-ность, превышающую 5 г/см (в отдельных справочниках - 8 г/см ), и атомную массу свыше 40 ат. ед. (Пинский, Орешкин, 1991; Гуральчук, 1994; Будников, 1998; Кузнецов, Дмитриева, 2006; Титов и др., 2007 и др.), т.е. металлы, у которых есть d-электроны (Кукушкин, 1998). Среди них -кобальт (Со), никель (Ni), медь (Си), свинец (РЬ), цинк (Zn), кадмий (Cd), ртуть (Hg), мышьяк (As), серебро (Ag), ванадий (W), железо (Fe), золото (Аи) и многие другие, общей численностью свыше 40 элементов. Все они являются естественной составляющей геохимического фона Земли. Вследствие активной антропогенной деятельности поступление тяжелых металлов в окружающую среду в последние годы существенно возросло, что, в свою очередь, привело к увеличению их содержания в воздухе, воде, почве и тканях живых организмов (Тяжелые металлы..., 2003).
Отметим, что появление в литературе термина «тяжелые металлы» было связано, главным образом, с проявлением токсичности и опасности некоторых из них для живых организмов. Однако в группу «тяжелых» вошли и микроэлементы, жизненная необходимость и широкий спектр био логического действия которых неопровержимо доказаны (Чернавина, 1970; Алексеев, 1987; Краснокутская и др., 1990; Сает и др., 1990; Ильин, 1991; Кадмий: экологические..., 1994; Тяжелые..., 1994; Снакин, 2000). С давних пор в небольших количествах микроэлементы используются в сельском хозяйстве, так как необходимы для роста и развития растений (Школьник, 1950, 1974; Кокин, 1951; Тойкка и др., 1973; Курдюмов, 1999).
Различия в терминологии в основном связаны с концентрацией металлов, фиксируемой в природной среде. С одной стороны, она может быть избыточной и даже токсичной, тогда металл называют «тяжелым», с другой стороны, при нормальной (фоновой) концентрации или недостатке его относят к микроэлементам (Алексеев, 1987; Ильин, 1991; Майстренко и др., 1996; Ильин, Сысо, 2001). Микроэлементы влияют на направленность действия ферментов и их активность (Протасова, 1998), часто выступают в качестве активаторов биохимических процессов (Реймерс, 1990), являясь компонентами простетических групп ферментов (Fe, Мп, Си) ИЛИ кофакторами химических реакций (Либберт, 1976), в то время как тяжелые металлы относятся к категории неспецифических загрязняющих веществ, составляя группу техногенных элементов. Следовательно, понятие «микроэлементы» является более широким и отражает в своем определении преимущественно биологический аспект. По сравнению с ними понятие «тяжелые металлы» является более узким и, прежде всего, используется при оценке экологической ситуации. Специалистами по охране окружающей среды среди тяжелых металлов выделена приоритетная группа, включающая кадмий, медь, мышьяк, никель, ртуть, свинец, цинк и хром как наиболее опасные для здоровья человека и животных. Из них ртуть, свинец и кадмий наиболее токсичны (Будников, 1998). 1.2. Источники поступления тяжелых металлов в биосферу
Существует два основных источника поступления тяжелых металлов в окружающую среду: природный и техногенный. Природные источники Из природных источников тяжелых металлов в биосфере наибольшее значение имеют: выветривание горных пород и минералов, эрозия почв, вулканическая деятельность, лесные пожары и т.д. (Барсукова, 1997; Титов и др., 2007; Головко и др., 2008 и др.). Характерной чертой распределения тяжелых металлов в природных средах является весьма значительная вариабельность значений их концентрации. Находясь преимущественно в рассеянном состоянии, металлы могут образовывать естественные аккумуляции, где их концентрация в сотни раз превышает средний уровень. Например, естественный уровень содержания тяжелых металлов в почвах зависит от их концентрации в материнских породах.
Техногенные источники Мощный поток тяжелых металлов в окружающую среду обеспечивает антропогенный фактор (Добровольский, 1980; Алексеев, 1987; Зимаков, Захарова, 1990), обусловленный прежде всего развитием металлургических, угледобывающих и энергетических мощностей (Hutchinson, Whitby, 1974; Nriagu, Pacyna, 1988; Ягодин, 1990; Ильин, 1991; Барахтенова, 1993), продуктами сжигания топлива и различных отходов (Lagerwerff, Specht, 1970; Никифорова, 1981; Берзиня, 1980), использованием сточных вод (Bingham et al., 1975; Гармаш ГЛ., Гармаш Н.Ю., 1989; Okamota et al., 1990; Chang et al., 1990), а также систематическим применением больших доз удобрений (Минеев и др., 1981; Басманов и др., 1990; Ягодин и др., 1989). По данным Паттерсона (Patterson, 1971), интенсивность вовлечения в биохимический круговорот соединений тяжелых металлов из техногенных источников в среднем в 100 раз выше, чем из природных. Например, вклад техногенного свинца составляет 94-97% (остальное - природные источники), кадмия - 84-89%, меди - 56-87%, никеля - 66-75% и т.д.
Только в воздух, по оценкам экспертов, ежегодно выбрасывается от 9 до 16 млрд. т газов и пыли (The cost and benefits..., 1981). Общий выброс от стационарных источников на территории Российской Федерации, согласно имеющимся данным (Государственный доклад о состоянии окружающей среды, 2000, 2003, 2007), составляет более 30 млн. т/год, из них твердых веществ - около 15 млн. т, остальное — газообразные вещества. Выбросы от одного автотранспорта на территории Российской Федерации ежегодно составляют более 15 млн. т. Среди всех химических загрязнений тяжелые металлы занимают особое место, т. к. способны оказывать острое токсическое воздействие. Кроме того, они не подвергаются биодеградации.
Тем не менее, не все тяжелые металлы представляют одинаковую опасность для биоты. В литературе неоднократно приводились ряды тяжелых металлов по степени их токсичности для растений (Wood, 1974; Kitagi-shi, 1981). В табл. 1 дано распределение основных металлов по степени токсичности согласно ГОСТу 17.4.1.02-83 (цит.: по А.Т. Черненькова, 2002).
Краткая характеристика объектов исследования и мест их произрастания..
Основными объектами исследований явились представители рода Betula L.: береза повислая Betula pendula Roth, береза пушистая В. pubescens Ehrh., а также карельская береза В. pendula var. carelica (Mercklin) Hamet-Ahti.
Береза имеет широкий ареал и произрастает в Европейской части России, Западной Сибири, Алтае, Кавказе, Западной Европе. Растет одиночно, группами или в виде чистых насаждений. Береза относится к одной из главных лесообразующих пород в условиях Фенноскандии (Ермаков, 1986; Ветчинникова, 2004, 2005). Она считается неприхотливой к лесорасти-тельным условиям породой, достаточно устойчивой к суровым условиям -на Севере и засушливым - на юге, где часто используется при создании защитных насаждений и на территории промышленных предприятий, поскольку хорошо растет при задымлении (Антипов, 1979). Отличается высокой пластичностью, способна расти на солонцеватых почвах, типичных и корковых солонцах, где содержание Na+ достигает 15%, Mg2+- 30-40% емкости катионного обмена, и легкорастворимые соли, в основном, сульфаты и бикарбонаты, находятся на глубине 30-80 см (Фрейберг, 1969). Представители рода Betula L. оправдывают себя для использования при защитном лесоразведении (Кулагин, Шагиева, 2005). Широко применяются они и для озеленения.
Для сравнительного изучения содержания тяжелых металлов в листьях наряду с березой, дополнительно изучали древесные породы, наиболее часто используемые в озеленении северных городов - тополь бальзамический Populus balsamifera L., липу сердцевидную Tilia cordata Mill, рябину обыкновенную Sorbus aucuparia L. Материалом для исследований были листья, почки, однолетние удлиненные побеги текущего года (ауксибласты), многолетние удлиненные побеги (не старше 2-3 лет), многолетние укороченные побеги (брахибласты). В отдельных случаях анализировали почву, корни, ксилемный сок, репродуктивные органы (мужские { $) и плодовые ($) сережки), кору, луб, древесину.
Лабораторные исследования выполнены на семенах и побегах, полученных из апикальной меристемы карельской березы в условиях in vitro и являющихся частью коллекции клонов, созданной нами в предыдущие годы. Первичные экспланты выращивали из гибридных семян, полученных в результате контролируемого опыления растений карельской березы с отчетливо выраженными признаками узорчатой древесины. Исходная мери-стематическая ткань перед началом эксперимента представляла собой сегменты побегов, состоявшие из стебля (длиной около 5 мм) и 1-2 листьев.
Сбор образцов для изучения фонового уровня, сезонной динамики и распределения тяжелых металлов в тканях и органах березы проводили в «условно чистых» насаждениях средней тайги, а также на урбанизированных территориях. К «условно чистым» регионам в южной части Республики Карелия, согласно исследованиям Н.Г. Федорец и др. (1998), относится заповедник «Кивач». За «условно чистую» нами также принята территория Ботанического сада ПетрГУ, расположенная в 10-ти км от г. Петрозаводска и отделенная от него акваторией Онежского озера. Однако при этом учитывалась возможность распространения на территории ботанического сада влияния выбросов с городской ТЭЦ и промышленных предприятий города. Для характеристики уровня накопления тяжелых металлов в тканях и органах березы на урбанизированной территории сбор образцов проводили в условиях городской среды г. Петрозаводска и г. Кондопога. Перед началом исследований в соответствии с «Государственным докладом...» (1993— 2003), были определены наиболее загрязненные участки в центральной части г. Петрозаводска - ул. Анохина, пр. Первомайский, парк, прилежа щий к Онежскому тракторному заводу, а в г. Кондопога - у Ледового Дворца и в районе Кондопожского ЦБК. Кроме того, часть образцов собирали на экспериментальных участках Института леса КарНЦ РАН, расположенных на территории Агробиологической станции Института биологии КарНЦ РАН, находящейся в «зеленой зоне» г. Петрозаводска.
Сбор образцов проводили в фазу полного развития листовой пластинки (июль) и в начале ее пожелтения (сентябрь). Ксилемный сок для исследований отбирали весной, до начала распускания листьев, а корни и почву - осенью. С целью термической фиксации растительный материал высушивали в термостате в течение 30 мин при 105 С.
Концентрацию тяжелых металлов (кадмия, свинца, никеля, меди, цинка, железа, марганца), а также кальция и магния определяли методом атомно-абсорбционной спектрофотометрии после мокрого озоления в концентрированной НЫОз на атомно-абсорбционном спектрофотометре АА-6800 «Shimadzu» (Япония).
При изучении влияния кадмия на всхожесть семян березы, а также на рост и развитие побегов из меристемной культуры использовали уксуснокислую соль кадмия (Cd2+) в концентрациях Ю-6, Ю-5, 10"4 и 10 3 Моль/л (М), которую вносили одноразово при закладке опытов. Диапазон концентрации металла варьировал от природной фоновой величины до критической для жизнедеятельности растений. Выбор солей, содержащих ацетат-ионы, обусловлен их наименьшей токсичностью для растений по сравнению с другими анионами (Кулешова, 1965; Царева, 1988; Калинин, 1989; Кагар-манов, 1995). В этом случае наблюдаемый токсический эффект определялся действием ионов кадмия. Об устойчивости тканей к действию кадмия судили по их способности к морфо- и органогенезу (рост стебля, образование и развитие листьев, формирование новых побегов и т.д.). Контролем служили побеги, полученные на питательной среде без внесения кадмия.
Проращивание семян осуществляли на специальной установке в чашках Петри по 100 шт в 3-кратной повторности. Всхожесть семян рассчитывали как процент проросших семян от их общего количества. Энергию прорастания семян березы определяли на 7 сут после начала проращивания. Анализ морфологических признаков проростков проводили визуально и путем измерения размеров побегов и корней.
Сравнительная оценка накопления тяжелых металлов листьями древесных растений в городских условиях
Как известно, токсичность тяжелых металлов тесно связана с их физико-химическими свойствами, величиной окислительно-восстановительного потенциала, сродством к различным химическим и функциональным группам и т.д. (Дмитриева и др., 2002). Им свойственна высокая биологическая активность, способность задерживаться в организме, распространенность и легкость переноса в окружающей среде (Немова, 2005). Определяющее действие на распределение и накопление металлов в листьях растений часто оказывает техногенный фактор (Черненькова, 2004; Захарова Л.А., 2005).
Работы, посвященные вопросам распространения и аккумуляции тяжелых металлов в окружающей среде, получили свое развитие лишь в последние десятилетия. В Карелии основное внимание было сосредоточено на изучении реакции травянистых растений на действие тяжелых металлов (Титов и др., 2002; Казнина и др., 2005, 2006а, б; Титов и др., 2007), а также на экологическую оценку состояния почв (Федорец, Медведева, 2005; Федорец и др., 2008).
Мы провели сравнительное изучение лиственных древесных растений, произрастающих в городских условиях, по накоплению в листьях тяжелых металлов. В исследования наряду с березой были включены древесные растения, наиболее часто используемые для озеленения северных городов: тополь бальзамический Populus balsamifera L., липа сердцевидная Tilia cordata Mill, рябина обыкновенная Sorbus aucuparia L. На основании полученных нами данных показано, что концентрация кадмия в листьях древесных растений (береза, липа, рябина и тополь), произрастающих в городских условиях, колеблется - от 0,01 до 0,54 мг/кг, свинца - от 0,5 до 5,4 мг/кг, никеля - от 0,01 до 1,9 мг/кг, меди от 10,1 до 35,2 мг/кг, цинка - от 25,6 до 85,4 мг/кг, железа - от 350 до 720 мг/кг, марганца - 103 до 652 мг/кг сухого вещества. В целом, эти значения не достигали критического уровня содержания тяжелых металлов, наблюдаемого у растений (Минеев, 1988; Кабата-Пендиас, Пендиас, 1989). Вместе с тем, были отмечены случаи превышения нижних пределов пороговой величины в отношении ряда тяжелых металлов в листьях отдельных особей березы.
Наиболее заметные различия между породами установлены по накоплению кадмия, свинца, никеля (рис. 2). Преобладающие концентрации этих металлов наблюдались в листьях березы. Показано, что содержание кадмия в листьях березы было в 2 раза выше по сравнению с тополем и почти в 7 раз - по сравнению с рябиной и липой. Концентрация свинца (рис. 2, Б) в листьях березы почти в 3-5 раз выше, а никеля - в 2 раза (рис. 3, А) по сравнению с другими изученными породами. По содержанию кадмия изученные растения распределялись следующим образом: береза тополь рябина липа; свинца: береза рябина липа тополь; никеля: береза тополь рябина липа. В листьях березы, кроме того, обнаружено преимущественное накопление марганца (650 мг/кг сухого вещества) (рис. З, Б), у других изученных видов его содержание было в 6 раз меньше и находилось в диапазоне 100-120 мг/кг сухого вещества. Общий ряд по содержанию марганца выглядел следующим образом: береза рябина тополь липа.
Иная картина наблюдалась нами при изучении характера накопления меди, цинка, железа в листьях древесных растений. В частности, преимущественное накопление меди (рис. 4, А) обнаружено в листьях рябины (35 мк/кг сухого вещества). У других изученных деревьев его количество в листьях было в 3 раза меньше. Содержание цинка (рис. 4, Б) преобладало в ), у березы его содержание было 56 мг/кг, липы - 40 мг/кг, в листьях рябины - 25,6 мг/кг. Общий ряд по содержанию цинка выглядел следующим образом: тополь береза липа рябина. Подобные данные получены Н.В. Прохоровой с соавт. (1998) в условиях лесостепного и степного Поволжья, где представители рода Тополь являются главными концентраторами цинка: максимальная концентрация цинка в листьях тополя черного составила 110,72 мг/кг сухого вещества. Наибольшая концентрация железа (около 720 мг/кг сухого вещества) (рис. 4, В) была обнаружена в листьях рябины. У других видов ее содержание было примерно на одном уровне и находилось в диапазоне 350-380 мг/кг сухого вещества.
Всхожесть семян
Одной из важных задач в решении вопросов лесовосстановления загрязненных тяжелыми металлами территорий является изучение роста и развития древесных растений на ранних этапах их онтогенеза. Для растений характерно наличие семян, которые вместе с семязачатком располагаются или открыто (голосеменные), или внутри плода (покрытосеменные). Кроме зародыша и кожуры, у всех семян имеется запас питательных веществ, что способствует выживанию проростков в неблагоприятных условиях и эволюционно обусловило мировое господство семенных растений в современной флоре (Черненькова, 2002). Установлено, что всхожесть семян растений в условиях избытка тяжелых металлов в среде зависит от токсичности металла, его концентрации, а также вида растения. Работы по изучению влияния тяжелых металлов на прорастание семян и рост сеянцев древесных растений немногочисленны (Лантратова, Буторина, 1963; Фуксман и др., 1998; Franiel, Wieski 2005; Franiel, Blocka, 2008). Нами проведено изучение влияния ионов кадмия на всхожесть семян березы повислой {Betula pendula Roth) и карельской березы (Betula pendula var. carelica (Merklin) Hamet-Ahti). Семена проращивали в растворах, содержащих ионы кадмия в концентрациях Ю-6, 10 5, Ю-4, 10_3М. В результате исследований установлено, что кадмий замедлял прорастание семян, причем с увеличением концентрации наблюдалось усиление его ингибирующего действия (рис. 14). Например, энергия прорастания
Влияние различных концентраций кадмия (10-6—10 3 М) на всхожесть семян карельской березы семян в контрольном варианте составила у карельской березы 55%, а у березы повислой - 40% (рис. 15). В вариантах с кадмием в концентрациях Ю М, 10 5М энергия прорастания достигала 50% у карельской березы и 35% - у березы повислой, а при использовании концентрации Ю М - 40% и 30%), соответственно. При применении кадмия в концентрации 10_3М часть семян (до 10%) проявила в первые 2 сут признаки набухания, но дальнейшее их развитие не происходило. Замечено (Atici et al., 2005), что ингибирующее действие тяжелых металлов (например, свинца) на прорастание семян выше по сравнению с микроэлементами (например , цинка).
Наряду с этим, опыты выявили небольшое стимулирующее действие кадмия в низких концентрациях (Ю-6, 10_5М) на рост побегов и корней у проростков (рис. 16, 17). Так, у березы повислой длина побега у проростков на 7-е сут проращивания при концентрации кадмия 10"5 М была на 26% выше, чем в контроле. Однако при возрастании концентрации кадмия до Ю-4 М, размер побегов у проростков карельской березы и березы повислой составил (по отношению к контролю) всего 51% и 57%, соответственно.
Подобные данные о наличии эффекта стимулирования малыми дозами тяжелых металлов некоторых параметров роста растений были получены также в опытах по проращиванию семян ячменя (Казнина, 2003), а также семян сосны и ели на почве разной загрязненности (Черненькова, Сизов, 1986).
Таким образом, влияние ионов кадмия на процессы прорастания и всхожесть семян березы носит негативный характер. Однако степень инги-бирования существенным образом зависит от концентрации металла: в диапазоне от Ю-6 до Ю М наблюдается лишь незначительное угнетение прорастания семян, а с повышением концентрации кадмия до 10_3 М семена березы набухают, но их дальнейшее развитие не происходит. Отмечено положительное влияние небольших концентраций кадмия на развитие проростков. Сопоставляя полученные результаты с данными по другим ж
Влияние кадмия на длину корней проростков березы видам растений, можно заключить, что семена березы характеризуются относительно высокой металлоустойчивостью. Рост и развитие апикальной меристемы побегов в условиях in vitro В настоящее время метод культуры клеток и тканей растений находит все более широкое применение в прикладных и фундаментальных исследованиях. Нами он был использован для проведения опытов по изучению влияния кадмия на физиолого-биохимические показатели березы на ранних этапах онтогенеза.
Вопрос о взаимодействии токсичных металлов и железа изучается в течение многих лет и до сих пор не получил однозначного ответа. Однако общепринято, что кадмий влияет на поглощение, транспорт и использование различных элементов, включая Са, Mg, Р и К и др. Проведенные исследования показали, что у карельской березы в условиях in vitro с увеличением концентрации кадмия в питательной среде (рис. 18, А) происходило его накопление в растущих побегах (рис. 18, Б). Это приводило к ингибированию процессов морфо- и органогенеза, степень которого зависела от концентрации металла.
Кроме того, кадмий стимулировал поглощение меристемой как микроэлементов - цинка, железа, марганца (рис. 19), так и макроэлементов -магния, кальция (рис. 20). Например, в небольших концентрациях кадмий задерживал поступление цинка (рис. 19, А), железа (рис. 19, Б) и магния (рис. 20, А), но не препятствовал поступлению кальция (рис. 20, Б) и особенно марганца (рис. 19, В). Подобные результаты ранее были получены в экспериментах, проведенных на травянистых растениях (Girling, Peterson, 1981; Ильина и др., 1979).
