Содержание к диссертации
Введение
1 ВЛИЯНИЕ ФОСФОРОРГАНИЧЕСКИХ КСЕНОБИОТИКОВ НА ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТЬ РАСТЕНИЙ (обзор литературы) 9
1.1 Фосфорорганические ксенобиотики 9
1.2 Физиологические аспекты влияния фосфорорганических ксенобиотиков на биологические объекты 21
1.2.1 Биомедиаторы растений - наличие и физиологическое значение 28
1.2.1.1 Холинэргическая система регуляции физиологических процессов растений 30
1.2.2 Действие метилфосфоновой кислоты на физиологические процессы в растениях 36
1.3 Пигменты фотосинтеза 40
1.3.1 Пигменты фотосинтетического аппарата пшеницы 44
1.4 Использование закономерностей деления, растяжения и дифференциации клеток растений в качестве чувствительных биотестов 48
1.5 Морфогенетический анализ растений для оценки состояния агроэкосистемы 50
2. ОБЪЕКТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ, МЕТОДИКА И УСЛОВИЯ ПРОВЕДЕНИЯ ОПЫТОВ 53
2.1 Определение влияния фосфорорганических ксенобиотиков на рост и развитие корней пшеницы 57
2.1.1 Определение влияния вещества типа Vx на рост и развитие проростков пшеницы 57
2.1.2 Определение влияния карбофоса на рост и развитие корней пшеницы 58
2.1.3 Определение действия зомана на рост и развитие проростков кукурузы 58
2.2. Определение влияния фосфорорганических ксенобиотиков на со держание пигментов фотосинтеза 59
2.2.1 Определение влияния вещества типа Vx и зомана на содержание пигментов фотосинтеза 59
2.2.2 Определение влияния карбофоса на содержание пигментов фотосинтеза 60
2.3 Описание методики определения влияния на карбофоса на морфологию растений и структуру урожая 61
3. ВЛИЯНИЕ ФОСФОРГАНИЧЕСКИХ КСЕНОБИОТИКОВ НА РОСТ И РАЗВИТИЕ ПРОРОСТКОВ ПШЕНИЦЫ И КУКУРУЗЫ 63
3.1 Влияние вещества типа Vx на рост и развитие проростков пшеницы 63
3.2 Влияние карбофоса на рост и развитие проростков пшеницы 65
3.3 Влияние зомана на рост и развитие проростков кукурузы 68
4. ВЛИЯНИЕ ФОСФОРОРГАНИЧЕСКИХ КСЕНОБИОТИКОВ НА СОДЕРЖАНИЕ ПИГМЕНТОВ ФОТОСИНТЕЗА 73
4.1. Влияние вещества типа на содержание пигментов фотосинтеза 73
4.2 Влияние зомана на содержание пигментов фотосинтеза 79
4. 3 Влияние карбофоса на содержание пигментов фотосинтеза 84
5. ВЛИЯНИЕ ФОСФОРГАНИЧЕСКОГО КСЕНОБИОТИКА КАРБОФОСА НА МОРФОЛОГИЮ РАСТЕНИЙ И СТРУКТУРУ УРОЖАЯ
ВЫВОДЫ 113
ЛИТЕРАТУРА 115
- Фосфорорганические ксенобиотики
- Влияние вещества типа Vx на рост и развитие проростков пшеницы
- Влияние вещества типа на содержание пигментов фотосинтеза
Введение к работе
Актуальность темы. Одной из серьезных экологических проблем является загрязнение окружающей среды веществами абиогенного происхождения – ксенобиотиками, к числу которых относятся фосфорорганические отравляющие вещества (зарин, зоман, вещество типа Vx), широко применяемые пестициды и др. Уничтожение химического оружия на специально предназначенных объектах предполагает разработку и реализацию комплекса мероприятий по обеспечению безопасных условий труда и охраны окружающей среды. К числу таких мероприятий относится оценка влияния отдельных фосфорорганических ксенобиотиков на различные биологические объекты.
Недостаточное внимание со стороны исследователей до настоящего времени уделялось оценке влияния фосфорорганических ксенобиотиков на растительные организмы. Существующие на сегодня сведения имеются в отношении влияния ксенобиотиков на отдельные морфофизиологические и биохимические параметры растений, активность отдельных ферментов, преимущественно дикорастущих видов. В то же время известно, что основными уязвимыми звеньями формирования биомассы растений являются фотосинтез, рост и развитие растений (Мокроносов, 1983).
В последние годы заметно возросла активность исследователей в изучении экологических эффектов малых доз химических соединений. Стало известно, что высокотоксичные вещества могут оказывать серьезное влияние на организм животных и человека в подпороговых дозах, не способных вызывать сиюминутные эффекты. Полагают, что в результате воздействия сверхмалых доз веществ развивается состояние, обозначаемое в настоящее время как повышенная чувствительность к множеству химических веществ — «множественная химическая чувствительность.
Экологический мониторинг в зонах хранения и уничтожения химоружия предполагает в комплексе других мероприятий увеличение числа чувствительных тест-объектов на фосфорорганические ксенобиотики и специфические компоненты их деструкции в дополнение к существующим биотестам – микрорганизмам, некоторым беспозвоночным животным (инфузории, дафнии), микроводорослям (Иванов, Быстрова, 1993). Учитывая, что объекты по уничтожению химического оружия нередко располагаются в районах интенсивного сельскохозяйственного использования, то целесообразно проводить такие исследования на культурных злаковых растениях, в том числе наиважнейших из них – пшенице и кукурузе. В то же время в зерновке пшеницы зародыш проростка наиболее развит по сравнению с другими группами растений, включая злаковые виды. Каждая из структур, имеющаяся в зародыше зерновки, различается по степени дифференциации клеток, тканей и норме реакции на стресс, что позволяет оценивать действие какого-либо экзогенного фактора сразу по нескольким параметрам (Степанов, 2001).
Цель и задачи исследования. Целью работы являлось определение эколого-физиологических аспектов влияния фосфорорганических ксенобиотиков на культурные злаковые растения – пшеницу и кукурузу. Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
1. Изучить влияние фосфорорганических ксенобиотиков Vx и зомана на рост и развитие проростков пшеницы и кукурузы.
2. Установить действие фосфорорганического ксенобиотика карбофоса на рост и развитие проростков пшеницы.
3. Определить влияние Vx и зомана на содержание пигментов фотосинтеза в листьях пшеницы.
4. Выявить действие карбофоса на содержание пигментов фотосинтеза в листьях разных метамеров побега пшеницы.
5. Исследовать влияние карбофоса на морфологию растений и структуру урожая пшеницы.
Научная новизна работы. В работе впервые показана различная реакция на низкие концентрации Vx и карбофоса cо стороны колеоптиля, главного зародышевого корня, верхней и нижней пары корней пшеницы. Установлено, что низкие концентрации зомана влияют на рост и развитие главного зародышевого корня кукурузы. Выявлено уменьшение содержания пигментов фотосинтеза в листьях пшеницы при наличии в воде Vx или зомана в предельно допустимой концентрации или меньше. Определена метамерная специфичность в содержании пигментов фотосинтеза в пластинках листьев пшеницы на воздействие карбофосом в начале развития проростков растений. Установлено, что действие фосфорорганического ксенобиотика карбофоса в начале развития проростков проявляется в онтогенезе пшеницы в изменении морфологии растений и структуры урожая.
Теоретическое и практическое значение. Представленные в работе данные вносят вклад в решение вопросов, связанных с действием подпороговых концентраций фосфорорганических отравляющих веществ (Vx и зомана) и их миметика (карбофоса) на процессы деления, растяжения и дифференциации клеток корня пшеницы и кукурузы, содержание пигментов фотосинтеза в пластинках листьев пшеницы. Полученные в результате работы сведения расширяют представления о физиологии устойчивости важнейшей сельскохозяйственной культуры – пшеницы, морфологических аспектах адаптации растений к сверхмалым концентрациям фосфорорганических ксенобиотиков.
Апробация работы. Основные положения диссертации доложены на итоговых научных конференциях студентов и аспирантов биологического факультета Саратовского государственного университета им. Н.Г. Чернышевского (апрель 2004, апрель 2006), VII Международной конференции по морфологии растений, посвященной памяти И.Г. и Т.И. Серебряковых (г. Москва, сентябрь 2004), научных конференциях Саратовского военного института радиационной, химической и биологической защиты (Саратов, 2005).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 работ.
Объем и структура диссертации. Диссертационная работа изложена на 136 страницах машинописного текста и состоит из введения, 5 глав, заключения и выводов. Работа содержит 55 рисунков и 2 таблицы. Список цитированной литературы включает 236 источников, из них 77 иностранных авторов.
Фосфорорганические ксенобиотики
Интенсивная деятельность человека на современном этапе развития привела к появлению в биосфере большого количества веществ, ранее находившихся в земляных недрах, а также многих химических соединений, выведенных из природных источников или впервые синтезированных. Большая часть известных соединений появилась впервые только в XX веке (Бар-бье,1978; Груздев, 1987; Майстренко и др., 1996).
Современный масштаб воздействия чужеродных соединений (ксенобиотиков) на живые организмы огромен. Этот факт находит свое отражение в бурном развитии новой области биологии - ксенобиологии, изучающей пути поступления, превращения чужеродных соединений и характер вызываемых ими биологических реакций (Майер-Боде, 1972; Тарчевский, 1993; Dushenkov etal., 1996; Прасад, 2003).
Классификация ксенобиотиков основывается на различных принципах в зависимости от поставленных целей и задач. Например, ксенобиотики можно классифицировать по их химической природе (ароматические соединения, биогенные амины, антибиотики и т.д.), практической значимости (фармакологические препараты, гербициды, ростовые вещества и т.п.), типу биологической активности (мембранотропные, нейротропные вещества, ингибиторы биосинтеза), их токсическому действию и т.д. (Тинсли,1982; Меер-сон, 1986; Эйхмер, 1993).
Нормативные показатели, характеризующие меру возможного воздействия ксенобиотиков на природу, устанавливают на основе специальных исследований или в результате экспертных оценок. Исключить попадание вредных веществ в окружающую среду в силу экономических и технологических причин невозможно, поэтому приходиться вводить нормы предельно допустимых концентраций (ПДК) вредных веществ (Лесников, 1979; Беспамятное, Кротов, 1985).
ПДК устанавливаются на основе экспериментов с опытными животными, что требует достаточно длительного времени. На первом этапе установления ПДК определяются основные токсикометрические характеристики исследуемых веществ, установленные в результате экспериментов нормативы считаются временно допустимыми концентрациями. На втором этапе эти исследования продолжаются и носят проверочный характер, а на третьем -осуществляются клинико-статистические исследования работающих в течение трех лет для проверки правильности полученных в экспериментах на животных значений. Только после второго этапа полученные нормативы могут быть утверждены в качестве ПДК. В качестве критерия оценки степени токсичности некоторых ксенобиотиков чаще всего используется показатель LD5o, который выражается концентрацией вещества в среде обитания, вызывающей гибель 50% живых организмов (Лесников , 1979; Беспамятнов, Кротов, 1985).
К ксенобиотикам относят и фосфорорганические соединения - метил-фосфонаты, которые входят в состав фосфорсодержащих отравляющих веществ (зарин, зоман, Vx газы), являющихся наиболее токсичным классом химического оружия (Франке и др., 1973; Александров, Емельянов, 1990).
В соответствии с Конвенцией о запрещении разработки, производства, накопления химического оружия (ХО) и его уничтожении, ратифицированной Россией в 1997 г., была представлена концепция его уничтожения, предусматривающая разработку и использование экологически безопасных технологий, создание целой системы объектов и установление сроков их эксплуатации с обязательным обеспечением как безопасности обслуживающего персонала, так и социально-экономических гарантий для населения в местах строительства таких терминалов (Куценко и др., 1994; Концепция, 1994). Первый российский объект по уничтожению ХО был построен в окрестностях пгт. Горный Саратовской области (Шляхтин и др., 2005а).
Россия обладает самыми крупными запасами отравляющих веществ (ОВ) в мире. Их общее количество до начала уничтожения составляло около 40 тыс.т., из них фосфорорганических ОВ - 32,5 тыс.т. (Россия: 21 век.., 2003).
Экологические аспекты уничтожения химического оружия (УХО) в настоящее время активно обсуждаются в печати, в том числе система обеспечения экологической безопасности на объектах по УХО (Шляхтин и др., 1993, 1995, 2004; Ашихмина и др., 2001; Захаров, 2002). В частности, безопасность функционирования объекта по УХО, расположенного в пгт. Горном Саратовской области, обеспечивается: системой государственного контроля и управления процессом экологической безопасности; применением современных безопасных технологий уничтожения ОВ; современной системой противопожарной защиты и охраны объекта; системой локального оповещения; системой средств индивидуальной и коллективной защиты; системой технического мониторинга; системой медицинского мониторинга; системой экологического мониторинга (Шляхтин и др., 2005а, б).
Мониторинг (от латинского monitor - предупреждающий, предостерегающий) - комплексная система наблюдений, оценки и прогноза изменения состояния окружающей среды под влиянием антропогенных факторов (Герасимов, 1975). Этот термин появился перед проведением Стокгольмской конференции ООН по окружающей среде (июнь, 1972) в дополнение к понятию «контроль». Большой вклад в разработку теории мониторинга внесли И.П. Герасимов, Ю.А. Израэль, В.Д. Федоров и др. (Майстренко и др., 1996).
Влияние вещества типа Vx на рост и развитие проростков пшеницы
Под влиянием Vx значительно изменялась длина корневых волосков, достигая 25% при концентрации Vx 2-10 мг/мл. Ещё более существенно проявлялось влияние Vx на инициацию, число образующихся корневых во-лосков. При некоторых концентрациях Vx их число составляло 18% (2-10 мг/мл), 4% (2-Ю- мг/мл) от контрольных растений (рис. 2). Высокая чувствительность корневых волосков к действию различных экзогенных факторов неоднократно отмечалась в литературе (Cormack, 1935; Унтилова, 1961).
Влияние Vx возможно также определяется его действием на компоненты холинэргической системы регуляции гомеостаза растения. Показано (Рощина,1991; Степанов,2001), что с момента прорастания зерновки между частями проростка пшеницы устанавливается различие в активности холинэстеразы, которая может изменяться по мере его роста и развития.
Не исключено, что активность холинэстеразы разных зародышевых корней, разных зон главного зародышевого корня - деления, элонгации и дифференциации - также может быть различной. Ранее показано (Рощина, Мухин, 1986; Momonoki, 1992) различие в активности холинэстеразы разных тканей проростков кукурузы.
Таким образом, проведенные исследования показали правомочность использования проростков пшеницы в качестве биотеста на фосфорорганиче-ские ксенобиотики. В частности, показано, что влияние Vx на проростки пшеницы проявляется при концентрациях Vx значительно ниже ГТДК, утвержденной Главным государственным санитарным врачом РФ в гигиеническом нормативе ГН 2.1.5.2036-05 от 12.12.2005 года в качестве дополнения 1 к ГН 2.1.5.1373-03.
Влияние вещества типа на содержание пигментов фотосинтеза
В настоящее время наблюдается интерес со стороны военных ведомств зарубежных стран к изучению пигментов растений с целью разработки биосенсоров, эффективно используемых в борьбе с терроризмом. В частности, некоторые работы в этом направлении финансируется Министерством обороны США (Пентагон). Гранты на эти исследования поступают от федерального агентства, называемого Рабочей группой по технической поддержке (Technical Support Working Group - TSWG), которое будет также финансировать проекты для Министерства внутренней безопасности и Управления перспективного планирования оборонных научно-исследовательских работ (Defense Advanced Research Projects Agency DARPA) (Vassilev, 1987). На наличие в воздухе незначительного содержания ФОВ предполагается создание чувствительных био-тест систем, содержащих пигменты фотосинтеза,. На начальном этапе в качестве модельного растения используется растение ара-бидопсис - Arabidopsis thaliana (Wen, Schnable, 1994; Galway et al., 1999).
Как показали наши исследования, на пшенице при поливе растений водными растворами, содержащими Vx разной концентрации, отмечается уменьшение содержания хлорофиллов а и Ь, каротиноидов у мягкой пшеницы, представленной сортом Саратовская 36 /рис.11-14/.
В частности, по сравнению с контрольными растениями, содержание хлорофилла а в пластике первого листа Саратовской 36 составляло: 1 вариант опыта - 0,41 мг/г сырого веса (74,8% от контроля), 2 - 0,425 мг/ г сырого веса (77,5% от контроля), 3 вариант опыта - 0,299 мг/ г сырого веса (54,6% от контроля) (рис.11). Несколько меньше снижалось содержание хлорофилла Ь у Саратовской 36 в 1 и 3 опытных вариантах - соответственно - 83,4% и 62% от контроля (рис.12). В итоге, суммарное содержание хлорофиллов а и в опытных вариантах достигало: 1 вариант опыта - 0,601 мг/ г сырого веса (77,3%) от контроля), 2 - 0,592 мг/г сырого веса (76,2% от контроля), 3 вариант опыта - 0,441 мг/ г сырого веса или 56,8% от контроля (рис.13).
