Содержание к диссертации
Введение
Глава 1.Обзор литературы .10
1.1.Тяжелые металлы в окружающей среде и их роль в растениях .10
1.1.1. Характеристика тяжелых металлов .10
1.1.2. Роль тяжелых металлов в жизнедеятельности растений .11
1.1.3. Поступление тяжелых металлов в растения .14
1.1.4. Аккумуляция и распределение тяжелых металлов в органах растений 17
1.1.5. Фитотоксичность тяжелых металлов на растения .19
1.1.6. Тяжелые металлы как микроэлементы и токсиканты 20
1.2. Окислительный стресс и механизмы устойчивости растений к тяжелым металлам 31
1.2.1. Понятие об окислительном стрессе и активных формах кислорода 31
1.2.2. Системы антиоксидантной защиты у растений .34
1.2.3. Механизмы устойчивости к тяжелым металлам 42
Глава 2.Районы, объекты и методы исследования .47
2.1. Физико-географическая характеристика Свердловской области 47
2.2. Физико-географическая и экологическая характеристика города Нижний Тагил .48
2.3. Характеристика объектов исследования .58
2.4. Методология исследования .59
2.5. Отбор почвенных и растительных проб .59
2.6. Методы исследования 60
Глава 3. Результаты исследований и их обсуждение .67
3.1. Специфика накопления тяжелых металлов в почвах и растениях 67
3.1.1. Содержание тяжелых металлов в почве 67
3.1.2. Содержание тяжелых металлов в подземных органах 68
3.1.3. Содержание тяжелых металлов в надземных органах .80
3.2 Антиоксидантный статус растений из разных по уровню химического загрязнения местообитаний 93
3.3 Характеристика структурно-функциональных показателей фотосинтетического аппарата растений 133
3.3.1. Показатели мезоструктуры фотосинтетического аппарата 133
3.3.2 Содержание фотосинтетических пигментов 151
Заключение .160
Выводы .162
Список использованной литературы .164
- Поступление тяжелых металлов в растения
- Механизмы устойчивости к тяжелым металлам
- Физико-географическая и экологическая характеристика города Нижний Тагил
- Антиоксидантный статус растений из разных по уровню химического загрязнения местообитаний
Введение к работе
Актуальность темы
Рост промышленности привел к избыточному содержанию тяжелых
металлов (ТМ) в природных средах и компонентах биоты. В связи с этим, особое внимание уделяется изучению накопления ТМ в живых организмах, обитающих на техногенно нарушенных территориях. Важным при этом является исследование механизмов адаптации, в том числе физиолого-биохимических, позволяющих организмам, популяциям и сообществам длительное время существовать в условиях химического загрязнения среды. В экосистемах растениям принадлежит особая роль продуцентов и средообразующих факторов. Изучение адаптаций растений к ТМ актуально не только в плане понимания их выживания в загрязненных местообитаниях, но и с точки зрения выявления перспективных для фиторемедиации и рекультивации видов. Подобного рода исследования проводятся, преимущественно, в лабораторных экспериментах на ограниченном числе модельных видов. Изучение таких механизмов у растений из природных местообитаний, подверженных техногенному загрязнению почвы ТМ, немногочисленны (Холодова и др., 2005; Деви, Прасад, 2005; Савинов и др., 2007; Шушарин, Журавская, 2007; Фазлиева и др., 2012).
Исходя из этого, цель работы – характеристика структурно-функциональных показателей травянистых растений техногенно нарушенных территорий с целью выявления физиолого-биохимических путей устойчивости к тяжелым металлам и оценки их адаптационных возможностей.
Задачи исследования:
-
Оценить аккумулятивную способность Tussilago farfara L., Plantago major L., Taraxacum officinale Wigg., Melilotus albus M., Trifolium medium L.
-
Определить уровень токсического воздействия (Sn) на растения.
-
Выявить концентрации ТМ в органах растений, при которых происходит запуск защитных физиолого-биохимических механизмов (активация ферментов супероксиддисмутазы и гваяколовой пероксидазы, накопление пролина).
-
Изучить изменение параметров структурно-функциональной организации фотосинтетического аппарата растений в ответ на химическое загрязнение почвы тяжелыми металлами.
5. Оценить стрессовое воздействие избытка меди в среде (по интенсивности ПОЛ) и выявить способы антиоксидантной защиты у растений из природных местообитаний и их семенного потомства.
Новизна работы
-
Впервые установлены пороговые концентрации ТМ в подземных органах Tussilago farfara L., Plantago major L., Taraxacum officinale Wigg., Melilotus albus M., Trifolium medium L., при которых активизируются защитные механизмы, препятствующие избыточному накоплению поллютантов в побегах.
-
Впервые показано, что семенное потомство P. major и T. officinale из фоновых и техногенно нарушенных территорий, выращенное в условиях выровненного почвенного экофона, при провоцирующем действии избытка меди обнаруживает те же биохимические механизмы защиты, что и у родительских форм.
Теоретическая и практическая значимость исследования
Результаты диссертационной работы расширяют знания об аккумулятивных способностях растений, произрастающих на техногенно нарушенных территориях, дополняют имеющиеся в литературе сведения о механизмах адаптации растений из естественных местообитаний и выращенных в лабораторных условиях к ТМ, вносят вклад в понимание механизмов детоксикации ТМ в растениях. Полученные сведения могут быть использованы для целей биомониторинга и фиторемедиации загрязненных почв.
Результаты исследования могут быть использованы в учебных дисциплинах «Экологическая физиология растений», «Экологическая токсикология», «Региональная экология» читаемых для студентов, обучающихся по направлениям подготовки «Биология», «Экология и природопользование», «Естественнонаучное образование».
Основные положения, выносимые на защиту
-
В условиях многоэлементного загрязнения почв тяжелыми металлами общей закономерностью является увеличение содержания токсикантов в растениях при увеличении их содержания в природной среде. При достижении определенных (предельных) концентраций у растений включаются барьерные механизмы, в результате действия которых увеличение содержания тяжелых металлов в подземных органах не сопровождается их пропорциональным ростом в побегах.
-
Растения, произрастающие в местообитаниях с высоким уровнем химического загрязнения, обладают лучшей способностью к активации компонентов антиоксидантной защиты по сравнению с растениями из менее
загрязненных биотопов, в частности, имеют более высокую активность супероксиддисмутазы.
3. Семенное потомство растений P. major и T. officinale из загрязненных местообитаний, выращенное в условиях выровненного почвенного экофона, лучше адаптируется к избытку меди в среде в сравнении с потомством растений из фоновых зон.
Апробация работы
Основные результаты диссертационного исследования были представлены на Международных и Всероссийских конференциях и симпозиумах: «Эволюционная и популяционная экология» (Екатеринбург, 2009); «Устойчивость организмов к неблагоприятным факторам внешней среды» (Иркутск, 2009); «Актуальные проблемы биологии и экологии» (Сыктывкар, 2010); «Растение и стресс» (Москва, 2010); «Биология будущего: традиции и инновации» (Екатеринбург, 2010); «Экология мегаполисов: фундаментальные основы и инновационные технологии» (Москва, 2011); «Биологические системы: устойчивость, принципы и механизмы функционирования» (Нижний Тагил, 2012); «Биология будущего: традиции и новации» (Екатеринбург, 2012); на VII Съезде «Физиология растений – фундаментальная основа экологии и инновационных биотехнологий» (Нижний Новгород, 2011).
Публикации
По материалам исследований опубликовано 20 работ, в том числе три статьи в изданиях, рекомендуемых ВАК.
Структура и объем работы
Поступление тяжелых металлов в растения
Растения способны поглощать из окружающей среды в больших или меньших количествах практически все химические элементы. Существуют два основных пути поступления тяжелых металлов в растения: корневой и фолиарный (через листья) (Кабата-Пендиас, Пендиас, 1989). В лист токсиканты попадают как при непосредственном опрыскивании растении разными химикатами, так и путем поглощения газообразных токсикантов из воздуха. В корни они проникают вместе с водой и питательными веществами почвы. Корни, как правило, поглощают химические соединения менее избирательно, чем листья. По своей физиологии процессы поглощения токсичных соединений листьями и корнями растений существенно различаются (Квеситадзе и др., 2005).
Корневое поглощение
Основное поступление тяжелых металлов в растения осуществляется через корневые системы. Этот процесс может быть пассивным (неметаболическим) и активным (метаболическим). Скорость поглощения тяжелых металлов корнями положительно коррелирует с их доступными подвижными формами (Кабата-Пендиас, Пендиас, 1989, Башмаков, Лукаткин, 2009).
Пассивное поглощение тяжелых металлов происходит путем диффузии ионов из почвенного раствора через эндодерму в стелу корня. При этом различают (Алексеев, 1987; Кабата-Пендиас, Пендиас, 1989, Башмаков, Лукаткин, 2009) простую диффузию через мембранные каналы по градиенту концентрации и обменную диффузию.
Активное поглощение тяжелых металлов происходит против градиента концентрации, и для него необходима энергия. При обычных концентрациях в почвенном растворе поглощение тяжелых металлов контролируется метаболическими процессами внутри самих корней (Кабата-Пендиас, Пендиас, 1989).
Корневые системы растений проявляют большую активность в переводе микроэлементов, связанных с различными компонентами почв, в подвижное состояние. В поглощении микроэлементов корнями выделяют несколько процессов:
катионный обмен с компонентами клеточных стенок;
перенос внутри клеток хелатообразующими веществами или другими носителями;
действие ризосферы.
Особенно важную роль в доступности некоторых микроэлементов могут играть изменения рН окружающей корни среды.
Поступление тяжелых металлов в растения корневым путем может регулироваться механизмами, которые уменьшают их концентрацию на наружной поверхности мембраны клеток корня, в результате чего меньшее количество металлов попадает в клетку (Титов и др., 2007).
Многие исследователи указывают на преимущественное накопление тяжелых металлов в корнях растений. Основная роль в металлоаккумуляции принадлежит тканям коры корней. Связывание тяжелых металлов корнями растений выводит их из активной биогеохимической миграции и является одним из факторов накопления металлов гумусовым горизонтом почв, где концентрируется основная масса тонких корней (Елпатьевский, 1993).
Фолиарное поглощение
Биодоступность тяжелых металлов, поступающих из воздушных источников через листья (фолиарное поглощение), может являться значительным фактором, определяющим уровень стресса. Это имеет и практическое значение при внекорневой подкормке, особенно такими элементами, как Fe, Mn, Zn и Cu.
Считается, что фолиарное поглощение состоит из двух фаз: 1. неметаболического проникновения через кутикулу, которое в целом рассматривается как главный путь поступления;
2. метаболических процессов, которыми объясняется накопление элементов (Kannan, 1980).
Доля внекорневого поступления тяжелых металлов в растения зависит от концентрации металла в воздухе и осадках, от анатомо-морфологических особенностей листьев растений и других факторов (Титов и др., 2007).
Микроэлементы, поглощенные листьями, могут переноситься в другие растительные ткани, включая и корни, где некоторые элементы могут находиться в избытке. Скорость движения микроэлементов в тканях сильно изменяется в зависимости от органа растения, его возраста и природы элемента.
Часть микроэлементов, «захваченная» листьями, может быть вымыта дождевой водой (Козаренко, Козаренко, 1996). Различия эффективности вымывания разных микроэлементов могут быть сопоставлены с их функциями или метаболическими связями. Например, легко происходящее удаление Pb при смывании заставляет предполагать, что этот элемент присутствует в основном в виде осадка на поверхности листьев. Напротив, малая доля Cu, Zn и Cd, которая может быть смыта, указывает на значительное проникновение этих металлов в листья (Кабата-Пендиас, Пендиас, 1989).
Перемещение тяжелых металлов в растении Перенос ионов в тканях и органах растений включает несколько процессов: 1) апопластный транспорт; 2) движение в ксилеме; 3) движение во флоэме; 4) хранение, накопление и переход в неподвижное состояние (Башмаков, Лукаткин, 2009). Хелатообразующие лиганды наиболее важны для переноса катионов в растениях. Однако на подвижность металлов в растительных тканях влияют и многие другие факторы: рН, окислительно-восстановительные условия, конкуренция между катионами, гидролиз, полимеризация, образование нерастворимых солей (например, фосфатов, оксалатов и другие) (Титов и др., 2007).
Химические формы микроэлементов в выделениях флоэмы различны для разных элементов. Например, Zn почти целиком связан с органическими веществами, тогда как Mn связан в комплексы только отчасти.
Характер распределения и накопления микроэлементов заметно варьирует для разных элементов, у разных видов растений и в разные сезоны. Так, например, у ярового ячменя в фазе интенсивного роста содержание Fe и Mn относительно низкие, а Cu и Zn очень высокие. В то время как первые два элемента накапливаются главным образом в старых листьях и листовых влагалищах, Cu и Zn распределены, по-видимому, более равномерно по всему растению. Накопление и иммобилизация микроэлементов в корнях – относительно обычное явление, особенно при достаточном их поступлении (Алексеев, 1987; Кабата-Пендиас, Пендиас, 1989).
В целом поступление тяжелых металлов в растения – это сложный и комплексный процесс, зависящий от многих факторов: почвенных, экологических, биологических. Возможность поглощения металлов двумя путями повышает их содержание в растениях, усиливая тем самым опасность загрязнения, как для самого растения, так и для других живых организмов, включая человека (Титов и др., 2007).
Механизмы устойчивости к тяжелым металлам
Устойчивость растений к тяжелым металлам принято рассматривать, как способность переносить их действие в повышенных токсических концентрациях (Титов и др., 2007).
Анализ большого количества работ (Алексеева-Попова и др., 1983; Барсукова, 1997; Гуральчук, 1994; Феник и др., 1995; Hаll, 2002; Prasad, 1995; Кулагин, Шагиева, 2005; Башмаков, Лукаткин, 2009) показывает, что в ответ на возрастание уровня тяжелых металлов в окружающей среде в растениях реализуется несколько различных программ, направленных на их адаптацию и выживание.
Устойчивость растений к тяжелым металлам обеспечивается молекулярными и физиологическими механизмами, которые могут быть специфичными как для какого-либо одного вида растений, так и для целой таксономической группы того или иного уровня (Гуральчук, 1994; Феник и др., 1995; Барсукова, 1997; Серегин, Иванов, 2001; Чиркова, 2002; Krupa, 1988; Zenk, 1996; Clemens, 2001; Hall, 2002; Kosobrukhov et al., 2004). По мнению многих исследователей, при стрессовых воздействиях все механизмы защиты направлены на:
1. Предотвращение поступления избыточных количеств металла;
2. Обезвреживание, инактивацию, иммобилизацию поглощенных тяжелых металлов.
Предотвращение проникновения тяжелых металлов в клетку достигается несколькими способами.
Часть избыточных ионов тяжелых металлов растение способно перевести в менее активное состояние еще до проникновения их в корни, хелатировать с помощью корневых выделений (Черных и др., 2001). Растения выделяют во внешнюю среду различные металлхелатирующие вещества: органические кислоты, сахара, аминокислоты, пептиды, фенолы и т. д. Осаждение тяжелых металлов может происходить на поверхности корня, например у растений, устойчивых к свинцу и меди (Битюцкий, 1999).
Механизмы, связанные с ограничением накопления металла, могут быть обусловлены задержкой поглощения либо осаждением на поверхности корней.
Таким образом, молекулярные и физиологические механизмы, предотвращающие накопление ионов тяжелых металлов в клетке весьма разнообразны:
иммобилизация ионов в клеточной стенке, что позволяет снизить их проникновение из почвенного раствора в цитоплазму (Taylor, 1987; Серегин, Иванов, 1997; Ernst et al., 2000; Ramos et al., 2002);
ограничение транспорта тяжелых металлов через плазмалемму, которая полностью блокирует поступление токсичных ионов клетку или снижает уровень их пассивного трансмембранного транспорта (Taylor, 1987; Hall, 2002); активное выведение тяжелых металлов из клетки -альтернативная стратегия снижения внутриклеточного уровня тяжелых металлов плазматической мембраной (Hartley-Whitaker et al.,2001);
выделение из клеток корней хелаторов тяжелых металлов, таких как органические кислоты, аминокислоты, пептиды, фенолы и другие, что приводит к связыванию тяжелых металлов и уменьшению их концентрации на наружной поверхности клеток корня, и снижает, соответственно, их поглощение растениями (Hall, 2002).
Однако при высоких уровнях загрязнения тяжелыми металлами механизмы, ограничивающие их поступление в растения, оказываются недостаточными, в результате металлы накапливаются в клетках и тканях. В этом случае включаются внутриклеточные механизмы устойчивости. Данные механизмы включают собственно детоксикацию ионов тяжелых металлов; различные механизмы, позволяющие клетке нормально функционировать в присутствии тяжелых металлов и механизмы репарации нарушений метаболизма, направленные на восстановление повреждений в клетке (Титов и др., 2007).
Важным механизмом детоксикации тяжелых металлов в цитоплазме является их хелатирование - образование хелатов (комплексных соединений органических веществ с металлами) с последующим выводом образовавшихся комплексов в вакуоль (Евсеева и др., 2003).
В 80-х годах стала активно изучаться способность растений синтезировать специфические низкомолекулярные белки - металлотионеины (МТ) и фитохелатины, способные связывать тяжелые металлы через SH-группы (Grill et al., 1987; Rauser, 1995; Cobbett, 2000; Серегин, 2001; Stolt et al., 2003 и др.).
Металлсвязывающие белки синтезируются в норме в незначительном количестве. Их содержание в клетке резко возрастает при действии металлов и снижается в случае уменьшения их концентрации в среде. Синтез металлотионеинов и фитохелатинов индуцируется ионами различных тяжелых металлов, что свидетельствует о неспецифичности этого механизма детоксикации. В частности, индуктором образования металлсвязывающих белков могут выступать Сd, Zn, Cu, Hg, Au, Ag, Co, Ni, Pb (Серегин, 1999; Stolt et al., 2003).
Важную роль в детоксикации ионов тяжелых металлов у растений играет глутатион – низкомолекулярный пептид с высоким содержанием серы, который способен образовывать стабильные комплексы с ртутью и серебром (Титов и др., 2007). Кроме того, глутатион как один из наиболее эффективных низкомолекулярных антиоксидантов защищает растения от повреждающего действия кадмия (Pietrini et al., 2003). Глутатион может служить одним из первых антиоксидантов в системе защиты клеток от ионов тяжелых металлов в период, предшествующий синтезу металлсвязывающих белков (Саванина и др., 2003).
Важную роль в хелатировании двухвалентных металлов – Zn, Cu, Cd, Pb, Be и депонировании свободного железа, предотвращающем клеточные повреждения от токсического действия свободных радикалов, играют железосодержащие белки ферритины (Скугорева и др., 2008).
Еще одним механизмом защиты клетки от токсического действия тяжелых металлов может выступать синтез белков теплового шока (БТШ), образование которых индуцируется у ряда видов растений. Некоторые из этих белков, как полагают, действуют, поддерживая метаболизм клетки, другие защищают компоненты от вредных воздействий, укрепляя стенку клетки, чтобы усилить защитный барьер (Кулаева, 1997). Таким образом, растения располагают достаточно большим арсеналом специфических и неспецифических систем и механизмов защиты и детоксикации тяжелых металлов. Благодаря им, в клетках и тканях растений происходят те или иные изменения, направленные, в конечном счете, на поддержание клеточного гомеостаза и повышение металлоустойчивости, что позволяет более устойчивым формам произрастать в условиях повышенного содержания тяжелых металлов в окружающей среде. Однако ни один из указанных механизмов защиты не является универсальным. Они взаимно дополняют друг друга в зависимости от вида растения, условий его выращивания, типа металла, который находится в избытке.
Физико-географическая и экологическая характеристика города Нижний Тагил
Большая часть исследования проведена на территории одного из крупных промышленных регионов Среднего Урала – города Нижний Тагил в период с 2007 по 2011 гг.
Площадь современного города составляет 298 кв. км. При движении с востока на запад в рельефе города четко прослеживаются три части – восточная, центральная и западная. Сложный рельеф территории города определяет его климатические особенности Нижнего Тагила (Климат…, 1984).
На температурный режим в городе существенное влияние оказывают водные объекты, жилые строения, а также «горячие» производства, находящиеся в городе. Среднемесячная температура летних месяцев варьирует от 15,0 до 17,4 С, достигает в отдельные годы +38?С. Температура воздуха зимой опускается до –40 С (Климат…, 1984). В городе выпадает в среднем 400–500 мм осадков в год с максимумом в летние месяцы до 86 мм. Зимой максимум осадков приходится на январь– февраль. Устойчивый снежный покров образуется в среднем в первой декаде ноября, а его разрушение приходится на первую декаду апреля. Таким образом, снег лежит в среднем 150–170 дней в году, при средней его высоте в 36 см. Максимальная влажность в более дождливую осень (78%) и почти такая же зимой, минимальная влажность приходится на весну (65%) (Климат…, 1984).
В течение всего года преобладают ветры юго-западного направления, поступающие с Русской равнины. Слабые ветры скоростью от 0 до 5 м/с наиболее вероятны в период с апреля по сентябрь. Кроме того, в течение года наблюдается в среднем 5 дней с сильным ветром, продолжительность ветров составляет от 12 до 24 ч (Климат…, 1984).
Рельеф территории формирует гидрографическую сеть, а в сочетании с климатом определяет гидрографические ее характеристики. Все гидрологические объекты города и пригорода относятся к бассейну р. Тагил, которая в свою очередь является притоком р. Туры Обь-Иртышского речного бассейна (Скупкин, 2011).
Распространены почвы дерново-подзолистые и серые лесные, обедненные органическими и минеральными веществами. На характер почв большое влияние оказывает рельеф, состав горных пород, мощность рыхлых отложений и другие причины. В результате антропогенной деятельности значительная часть естественного почвенного покрова преобразована в техноземы.
Экологическая характеристика города Нижний Тагил является крупным индустриальным центром, важной особенностью которого является расположение на сравнительно небольшой территории огромного количества промышленных предприятий. В городе сосредоточено около 50 промышленных предприятий, крупнейшими из которых являются ОАО «Нижнетагильский металлургический комбинат» (НТМК), ОАО «Научно-производственная корпорация «Уралвагонзавод» им. Ф.Э. Дзержинского» (УВЗ), ОАО «Высокогорский горно-обогатительный комбинат» (ВГОК), Химический завод «Планта», Уралхимпласт, Котельно-радиаторный завод (КРЗ).
На сегодняшний день в городе насчитывается 6 крупных карьеров, 3 шахты – «Магнетитовая» у Высокогорского карьера, «Эксплуатационная», у Лебяжинского, «Естюнинская», разрабатывающая Естюнинское месторождение железной руды на севере города. Площадь земель, занятых горными отводами составляет 30 % от площади города. Такая концентрация горнодобывающих, металлургических, химических и машиностроительных предприятий в городе привела к тому, что Нижний Тагил входит в число городов России с наибольшим уровнем загрязнения атмосферного воздуха, индекс загрязнения, атмосферы которых выше 14 ПДК. В число приоритетных загрязнителей входят оксиды азота и углерода, сероводород, фенол, формальдегид, ароматические углеводороды, тяжелые металлы (Государственный доклад…, 1997; 2005). Атмосфера, почвенный покров, водные объекты испытывают чрезмерное влияние техногенного загрязнения.
По данным отчетов 2-ТП (воздух), в 2010 г. (отчитались 204 предприятия) от стационарных источников было выброшено в атмосферу 114,4 тыс. т загрязняющих веществ, что составляет 9,6 % отсуммарного выброса по Свердловской области (Государственный доклад..., 2011). Значение комплексного индекса (ИЗА – комплексный индекс загрязнения атмосферы по пяти приоритетным веществам, определяющим состояние загрязнения атмосферы в городе (определяется как сумма единичных индексов загрязнения пяти приоритетных загрязнителей, приведенных к вредности диоксида серы) составляло 16,4 и определялось среднегодовыми концентрациями формальдегида (67 %), бенз(а)пирена (18 %), аммиака (6 %), взвешенных веществ (5 %), оксида углерода (4 %). В 2011 г. значение комплексного индекса загрязнения атмосферного воздуха в городе снизилось до пограничного значения и составило 13,9. Основной вклад в значение комплексного индекса загрязнения атмосферного воздуха в этот год вносит формальдегид (61 %), бенз(а)пирен– 22 %, аммиак – 7 %, взвешенные вещества – 5 %, оксид углерода – 5 %. Кроме того в 2011 г. в атмосферном воздухе города Нижний Тагил были зафиксированы превышения максимальных разовых ПДК осида углерода, сероводорода, фенола (Государственный доклад..., 2012).
Основной вклад в суммарный выброс загрязняющих веществ от стационарных источников принадлежит предприятиям по производству чугуна, ферросплавов, стали, горячекатаного проката и холоднокатаного листового (плоского) проката – 56,9 %, по добыче металлических руд – 28,2 %, производству машин и оборудования – 6,0 %.
Ниже перечислены предприятия – основные источники выбросов загрязняющих веществ в атмосферный воздух (в % от суммарного выброса по городу):
Антиоксидантный статус растений из разных по уровню химического загрязнения местообитаний
Одной из причин нарушения физиологических процессов у растений при действии неблагоприятных факторов является интенсивная генерация в клетках активных форм кислорода (АФК). В норме АФК всегда присутствуют в клетках живых организмов, они генерируются во всех ее компартментах. Однако в стрессовых условиях содержание АФК в клетках начинает быстро увеличиваться и развивается окислительный стресс. Одним из возможных компонентов быстрой реакции на стресс является активация перекисного окисления липидов (ПОЛ).
Интенсивность перекисного окисления липидов
Процессы ПОЛ характеризуют биомембраны, которые одними из первых испытывают воздействие стрессирующих факторов (Чиркова, 2000). Предполагается, что оценивая интенсивность пероксидации мембранных липидов можно контролировать первичные процессы адаптации растений к комплексу экологических факторов (Савинов и др., 2007).
Результаты наших исследований показывают усиление ПОЛ в листьях растений при увеличении уровня загрязнения местообитаний тяжелыми металлами (рис. 10).
Наименьшее содержание ТБК-реагирующих продуктов в листьях характерно для растений из фоновых биотопов, максимальное – из импактного участка. Для растений из буферной зоны преимущественно характерны промежуточные значения ПОЛ. Все это согласуется с уровнями токсической нагрузки на почвах в изученных местообитаниях. Наиболее сильное окисление липидов наблюдали в листьях T. medium (независимо от местообитания). Количество ТБК-реагирующих продуктов у растений из буферной зоны и импактного участка возрастало в 1,5–2 раза по сравнению с фоновыми участками. Аналогичный эффект увеличения ПОЛ в зависимости от уровня техногенного воздействия был показан в листьях T. officinale (Савинов и др., 2007), в листьях макрофитов, обитающих в водных объектах с различным уровнем техногенного воздействия, где повышенное содержание ТБК-реагирующих продуктов было у видов, обитающих в водных объектах с высоким уровнем химического загрязнения (Чукина, Борисова, 2010).
В отличие от других изученных видов растений у M. albus не выявлена тенденция к увеличению концентрации ТБК-реагирующих продуктов при увеличении содержания тяжелых металлов в почвах, за исключением импактном участка (рис. 10). Вероятно, это обусловлено высоким содержанием у бобовых белков и других веществ, позволяющих в значительной степени нейтрализовать токсическое действие тяжелых металлов, что было отмечено и у других авторов (Klapheck et al., 1995; Савинов и др., 2007).
Зависимость интенсивности перекисного окисления липидов от суммарной токсической нагрузки проанализировано методом линейной регрессии (рис. 11).
Мы сопоставили интенсивность ПОЛ с содержанием меди в листьях растений у растений T. farfara, M. albus и T. medium обнаруженна положительная корреляция между этими параметрами (рис. 12). У T. officinale колебания интенсивности ПОЛ в листьях являются незначительными. У растений P. major и T. officinale не выявлено тенденции увеличения интенсивности перекисного окисления липидов при увеличении содержания меди в листьях (рис.12).
Таким образом, исследование уровня ТБК-реагирующих продуктов в листьях изучаемых видов растений из местообитаний с разной антропогенной нагрузкой показало в большинстве случаев прямую зависимость уровня ПОЛ от степени загрязнения и содержания токсиканта в листьях.
Перекисное окисление липидов в клетке регулируется многоуровневой антиоксидантной системой защиты, которая представлена ферментами-антиоксидантами, важнейшими из которых являются супероксиддисмутаза (СОД), каталаза, пероксидаза и другие, а также низкомолекулярными компонентами.
Активность супероксиддисмутазы
Супероксиддисмутаза действует на первом рубеже защиты от АФК, нейтрализуя супероксид-анион-радикал с образованием перекиси водорода, и является важнейшим ферментом антиоксидантной защиты растений.
Нами было обнаружено, что активность СОД у изученных видов растений изменялась неоднозначно, но в целом зависела от степени антропогенного воздействия. Так, активность СОД у растений из фоновых участков, листья которых характеризовались низким содержанием тяжелых металлов, была ниже у всех видов (рис. 13).
