Введение к работе
Актуальность проблемы. Гидрофиты, группа вторичноводных цветковых растений, в зависимости от степени контакта с водой подразделяются на воздушно-водные (гелофиты), плавающие (плейстофиты) и погруженные (гидатофиты) (Распопов, 1985). Водная среда по условиям обитания относительно постоянна. Однако в последние десятилетия ее стабильность нарушается антропогенными воздействиями, прежде всего, в виде различных поллютантов органического и неорганического происхождения. Среди них особое положение занимают ионы тяжелых металлов (ТМ). В небольших количествах они необходимы для нормальной жизнедеятельности высших водных растений. Такие металлы, как медь, цинк, никель, входят в состав многих ферментативных систем, обеспечивающих практически все основные функции организма (Улахович, 1997; Watt, Ludden, 1999). В то же время избыток ТМ подавляет рост и влияет на жизнеспособность гидрофитов, нарушая физиолого-биохимические процессы в клетках (Prasad et al., 2001; Mendelssohn et al., 2001).
Известно, что стрессовые условия вызывают образование повышенных количеств активных форм кислорода (АФК) и как следствие окислительное повреждение жизненно важных биополимеров и клеточных мембран (Мерзляк, 1999; Чиркова, 2002). Развитие окислительного стресса при действии ТМ и основные механизмы зашиты клеточного уровня изучены более детально у высших наземных растений (Gallego et al., 1996; Shah et al., 2001). Выявлены компоненты антиоксидантной системы, включающей каротиноиды, небелковые тиолы (глутатион), ферменты (супероксиддисмутаза, каталаза, глутатионредуктаза и др.) (Blokhina et al., 2003), а также SH-обогащенные белки, которые устраняют не только избыток ТМ, но и токсичные радикалы (Cobbett, 2001; Wong, 2004).
В литературе имеются сведения, что некоторые виды гидрофитов проявляют повышенную устойчивость к загрязнению среды ТМ (Ye et al., 1998; Hozhina et al., 2001; Микрякова, 2000; 2002). Однако реакции, обеспечивающие эту способность, до конца не выяснены. Защитные механизмы водных растений почти не исследованы. Изучение особенностей адаптивных механизмов у гидрофитов, прошедших длительный эволюционный путь приспособления к водной среде, представляется актуальным и может быть полезным не только в теоретическом плане, но и для практического использования в мониторинге и фиторемедиации.
Цель и задачи исследований. Цель работы - изучить накопление тяжелых металлов (Cu2+, Cd2+, Ni2+, Zn2+) в листьях высших водных растений, их токсическое действие на некоторые характеристики фотосинтезирующей системы и ответные про- и антиоксидантные реакции.
4 В связи с этим были поставлены следующие задачи:
-
Выявить особенности ответных реакций (поглотительную способность; содержание пигментов, интенсивность потенциального фотосинтеза; роль белков и небелковых фракций в детоксикации металлов) погруженных и плавающих гидрофитов на действие разных концентраций Cu2+, Cd2+H Ni2+.
-
Изучить влияние нарастающих концентраций Ni2+ на содержание пигментов, интенсивность фотосинтеза и дыхания, процессы перекисного окисления липидов и активность антиоксидантних ферментов в листьях Elodea canadensis Michx.
-
Определить роль белков в связывании Ni2+ и выявить возможность образования дополнительных Ni2+ -связывающих SH-белков и пептидов в листьях 1 canadensis.
-
Исследовать динамику накопления ТМ и развитие ответных реакций (содержание пигментов, шггенсивность фотосинтеза, перекисное окисление липидов, активность ферментов-антиоксидантов, синтез SH-соединений) у Е. canadensis при кратковременном действии высоких концентраций Ni2+, Zn2+ и Cu2+.
Научная новизна работы Впервые проведено комплексное исследование физиолого-биохимических процессов и основных механизмов защиты в клетках высших водных растений в ответ на токсическое действие Cu2+, Cd2+, Ni2t и Zn +. В сравнительном аспекте изучены аккумулятивная способность и реакция фотосинтезирующей системы погруженных и плавающих гидрофитов на действие опытных ионов. Впервые выявлено участие белковых и небелковых клеточных фракций в связывании ТМ у погруженных и плавающих гидрофитов. Показана роль растворимых и мембранно-связанных белков в детоксикации изученных металлов в зависимости от концентрации и времени воздействия. Получены приоритетные данные о синтезе в цитоплазме клеток Е. canadensis добавочных Ni +-связывающих SH-белков (9.5, 10, 15 кД) в присутствии повышенных концентраций никеля. Впервые изучена динамика формирования антиоксидантних реакций в листьях Е. canadensis в короткий интервал времени (0-24 часа) при действии высоких концентраций Ni2+, Zn2+ и Cu2+ (от 1.5 до 3 мг/л).
Теоретическая и практическая значимость работы Результаты диссертационной работы существенно расширяют представления о механизмах зашиты от действия Си +, Cd2t, Ni2+ и Zn2+ у высших водных растений. Изучение способности погруженных и плавающих гидрофитов накапливать отдельные элементы, а также выявление токсического действия ТМ и механизмов детоксикации представляют не только научный интерес, но и имеют большое практическое значение для решения задач мониторинга водных экосистем и
5 фиторемедиации. Перспективным в теоретическом плане и для практического использования представляется изучение видоспецифичных ответных реакций водных растений на действие ТМ. Неоднозначность этих реакций свидетельствует о разнообразии путей адаптации гидрофитов к одним и тем же условиям. Данные диссертационной работы могут быть использованы при чтении курсов лекций по физиологии, биохимии и экологии растений в ВУЗах на кафедрах соответствующего профиля.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы доложены и обсуждены на международных конференциях «Актуальные вопросы экологической физиологии растений в XXI веке» (Сыктывкар, 2001), «Биология внутренних вод: проблемы экологии и биоразнообразия» (Борок, 2002), «Современные проблемы водной токсикологии» (Борок, 2005); всероссийских школах-конференциях по водным растениям «Гидроботаника 2000» (Борок, 2000) и «Гидроботаника 2005» (Борок, 2005); VI Всероссийском популяционном семинаре (Нижний Тагил, 2004); научных и научно-практических конференциях «Б. П. Колесников — выдающийся отечественный лесовед и эколог: к 90-летию со дня рождения» (Екатеринбург, 1999), «Экологические проблемы промышленных регионов» (Екатеринбург, 2003), «Экология промышленного региона и экологическое образование» (Нижний Тагил, 2004); конференциях молодых ученых (Сыктывкар, 2000,2002; Санкт-Петербург, 2000; Екатеринбург, 2000, 2003, 2004, 2006).
Публикации: По материалам диссертации опубликовано 19 работ, в том числе 3 статьи в центральных российских научных журналах.
Структура и объем работы: Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, выводов, списка литературы и приложения. Работа изложена на {?% страницах машинописного текста, содержит 3 таблицы и 26 рисунков. Библиография представлена 182 работами, в числе которых 92 иностранных.
Похожие диссертации на Физиологические аспекты токсического действия Cu2+,Cd2+,Ni2+,Zn2+ на листья высших водных растений
