Содержание к диссертации
Введение
1. Обзор литературы 10
1.1. Анатомо-морфологические и физиологические особенности водных растений в связи с условиями обитания 10
1.2. Функционирование растений в условиях антропогенного воздействия на водные экосистемы 15
1.2.1. Современное состояние качества природных вод 15
1.2.2. Экологические факторы, влияющие на структурно-функциональные показатели водных растений 18
1.2.3. Загрязнение водной среды тяжелыми металлами, их токсическое действие и механизмы защиты растений 24
1.2.4. Аккумулятивная способность водных макрофитов и эколого физиологические аспекты их использования 34
1.3. Система антиоксидантной защиты растений как один из путей формирования неспецифической устойчивости 40
1.3.1. Активные формы кислорода и окислительный стресс 40
1.3.2. Характеристика антиоксидантной системы 43
2. Объекты и методы исследований 55
2.1. Природно-климатические условия района исследований и характеристика водных объектов 55
2.2. Характеристика исследованных макрофитов 59
2.3. Содержание и методы исследований 62
3. Результаты исследований и их обсуждение 66
3.1 Химический состав изученных видов макрофитов при различных уровнях антропогенного воздействия 66
3.1.1. Накопление в листьях макрофитов тяжелых металлов в зависимости от их содержания в воде 67
3.1.2. Содержание в макрофитах зольных элементов и азота 75
3.1.3. Содержание в листьях макрофитов органических веществ .80
3.2. Характеристика структурно-функциональных показателей фотосинтетического аппарата макрофитов при загрязнении среды обитания 86
3.2.1. Показатели мезоструктуры фотосинтетического аппарата 87
3.2.2. Содержание фотосинтетических пигментов 91
3.3. Антиоксидантныи статус исследованных видов растений при разных уровнях антропогенного воздействия 95
3.3.1. Уровень перекисного окисления липидов и активность ферментов антиоксидантной защиты 95
3.3.2. Содержание низкомолекулярных компонентов антиоксидантной системы 101
3.3.3. Результаты дискриминантного анализа макрофитов с разной аккумулятивной способностью по отношению к ТМ 106
Заключение и выводы 109
Библиографический список использованной литературы 113
- Анатомо-морфологические и физиологические особенности водных растений в связи с условиями обитания
- Характеристика антиоксидантной системы
- Накопление в листьях макрофитов тяжелых металлов в зависимости от их содержания в воде
- Содержание низкомолекулярных компонентов антиоксидантной системы
Введение к работе
Актуальность темы. С каждым годом возрастает влияние антропогенной деятельности на биосферу. Водные экосистемы являются весьма чувствительным к антропогенному воздействию компонентом природной среды. Поэтому все большую актуальность приобретает изучение механизмов устойчивости гидробионтов, в том числе и макрофитов, к загрязнению водных объектов. Способность растений поглощать из водной среды биогенные вещества, а также токсичные элементы, включая тяжелые металлы (ТМ), активно обсуждается в работах многих исследователей (Кадукин и др., 1982; Золотухина и др., 1990; Микрякова, 1990, 1994, 2002; Попов, Браяловская, 2000; Третьякова, Папина, 2004; Леонова, 2004 и др.). Изучению физио лого-биохимических адаптации водных макрофитов к неблагоприятным условиям среды посвящены исследования О.А. Капитоновой, О.А. Розенцвет, О.А. Сачковой, Г.Ф. Некрасовой и других авторов.
Работы по изучению структурно-функциональных показателей макрофитов при загрязнении водной среды, как правило, проводятся в модельных условиях на ограниченном числе видов, с использованием конкретного поллютанта, в роли которого выступает какой-либо токсичный металл или широко распространенный органический загрязнитель. Однако сведения об исследованиях, направленных на выявление механизмов устойчивости, которые формируются непосредственно в природных местообитаниях макрофитов в условиях антропогенного воздействия, весьма немногочисленны.
Изучение адаптационных возможностей растений в условиях повышенных антропогенных нагрузок на водные экосистемы представляет теоретический интерес и имеет большое практическое значение, поскольку является научной основой для биомониторинга загрязненных водных объектов, их фиторемедиации, а также повышения устойчивости гидроценозов в целом и поддержания их биологического разнообразия.
Цель и задачи исследований. Цель диссертационной работы - исследование структурно-функциональных показателей высших водных растений из местообитаний с разным уровнем антропогенного воздействия для оценки адаптационных возможностей макрофитов и выявления механизмов устойчивости к загрязнению водной среды.
Задачи исследований:
Выявить особенности химического состава высших водных растений (содержание в листьях минеральных веществ, органических кислот, общего азота и фосфора, растворимых белков и др.) в условиях повышенных антропогенных нагрузок на водные экосистемы.
Дать оценку аккумулятивной способности макрофитов из местообитаний с разным уровнем антропогенного воздействия по отношению к тяжелым металлам (медь, цинк, никель, железо, марганец).
Провести комплексное исследование структурно-функциональных параметров
фотосинтетического аппарата растений при загрязнении водной среды.
Оценить параметры мезоструктуры у разных видов водных макрофитов в связи с их способностью накапливать ТМ.
Изучить антиоксидантный статус у исследованных видов растений с различной аккумулятивной способностью.
Выявить основные структурно-функциональные показатели водных растений, обусловливающие их адаптационные возможности и устойчивость к загрязнению водной среды.
Научная новизна работы
Впервые проведено комплексное исследование структурно-функциональных показателей водных макрофитов из природных местообитаний с различным уровнем антропогенного воздействия. При проведении исследований внимание было сконцентрировано на физиолого-биохимических механизмах адаптации, проявляющихся преимущественно на клеточном уровне, у разных видов высших водных растений.
Установлено, что загрязнение водной среды приводит к увеличению содержания растворимых белков и фотосинтетических пигментов, а также повышению активности каталазы в листьях изученных водных растений.
Впервые была проведена комплексная оценка структурно-функциональных показателей фотосинтетического аппарата макрофитов, обитающих в условиях многокомпонентного загрязнения окружающей среды, на основе которой обнаружено достоверное увеличение размеров клеток мезофилла и установлена взаимосвязь между их размерами и аккумулятивной способностью растений.
Впервые установлено, что виды макрофитов с максимальной способностью аккумулировать тяжелые металлы отличались повышенным содержанием в листьях низкомолекулярных антиоксидантов (аскорбат, глутатион и пролин), что предопределяет их повышенную устойчивость к условиям антропогенного загрязнения водной среды.
Теоретическая и практическая значимость работы. Результаты диссертационной работы существенно дополняют и расширяют имеющиеся в литературе сведения об адаптационных механизмах, возникающих у растений на фоне действия различных природных и антропогенных факторов и реализуемых непосредственно в естественной среде обитания.
Изучение структурно-функциональных показателей макрофитов в условиях загрязнения водной среды представляет и практический интерес. При существенном росте антропогенных нагрузок на современные водные экосистемы весьма актуальным является выявление тех видов растений, которые обладают повышенными адаптационными возможностями. Исследования в данном направлении обеспечивают научную основу для более эффективного использования высших растений в целях биологического мониторинга и фиторемедиации загрязненных водных объектов. Материалы диссертационной работы использовались при разработке учебно-методического комплекса дисциплины «Растение и стресс», а также могут быть использованы в учебном процессе при чтении курсов лекций по экологической физиологии растений.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы были представлены на международных конференциях: «Биоиндикация в мониторинге пресноводных экосистем», «Экологические и гидрометеорологические проблемы больших городов и промышленных зон» (Санкт-Петербург, 2006), «Современная физиология растений: от молекул до экосистем» (Сыктывкар, 2007), «Физико-химические основы структурно-функциональной организации растений» (Екатеринбург, 2008), «Проблемы биоэкологии и пути их решения» (Саранск, 2008), «Физико-химические механизмы адаптации растений к антропогенному загрязнению в условиях Крайнего Севера» (Апатиты, 2009); «Гидроботаника 2010» (Борок, 2010); на ежегодном съезде «Общества экспериментальной биологии» (Чешская республика, Прага, 2010); на всероссийских научно-практических конференциях: «Экологические проблемы промышленных регионов» (Екатеринбург, 2006; 2008), «Эколого-биологические проблемы Сибири и сопредельных территорий» (Нижневартовск, 2009), «Биологические системы: устойчивость, принципы и механизмы функционирования» (Нижний Тагил, 2010); на IX Международном симпозиуме-выставке «Чистая вода России-2007» (Екатеринбург, 2007), на 7-ом Международном конгрессе «Вода: экология и технология» (Москва, 2006), на Центральном Европейском конгрессе "Eurobiotech 2010" (Польша, Краков, 2010), на 1-ом Уральском международном экологическом конгрессе «Экологическая безопасность горнопромышленных регионов» (Екатеринбург, 2007); на конференциях молодых ученых (Екатеринбург, 2006, 2007, 2008, 2010; Борок 2007).
Публикации. По материалам исследований опубликовано 26 работ, в том числе 3 -в изданиях, рекомендованных ВАК.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 3-х глав, заключения, выводов и списка использованных источников. Изложена на 135 страницах машинописного текста, содержит 12 таблиц и 13 рисунков. Библиографический список включает 237 работ, в том числе 98 иностранных.
Благодарности. Выражаю искреннюю благодарность научному руководителю Г.Г. Борисовой за огромную помощь в проведении исследований и аналитическом осмыслении материала, а также всем преподавателям и сотрудникам кафедры физиологии и биохимии растений УрГУ.
Анатомо-морфологические и физиологические особенности водных растений в связи с условиями обитания
У растений в процессе эволюции выработались многообразные черты приспособленности к условиям существования. Все сухопутные растения, в зависимости от их приуроченности к определенным условиям увлажненности, делят на три группы, включающие гигрофитов, мезофитов и ксерофитов.
Растения, для которых вода является не просто экологическим фактором, а средой обитания, относятся к особой группе водных растений. Высшие водные растения представляют собой вторичноводные растения, в связи с чем у них имеется ряд анатомических и морфологических особенностей, которые и позволили выделить их в отдельную группу растений.
Водная флора очень разнообразна: она представлена растениями, полностью погруженными в воду, растениями с плавающими листьями, с поднимающимся над водой частями побегов и т.д.
Существуют разнообразные классификации водных растений: например, по степени связи с грунтом их подразделяют на укореняющиеся и неукореняющиеся; по образу жизни - на погруженные, плавающие на поверхности воды, гетерофильные, воздушно-водные (Доброхотова и др., 1983).
Наибольшее распространение получила классификация Е. Варминга, который предложил выделять 3 группы водных растений по расположению ассимиляционного аппарата (Кокин, 1982):
-гидатофиты или гидрофиты настоящие — растения, полностью погруженные в воду (только у некоторых из них цветы поднимаются над водой); - плейстофиты - растения, листья которых расположены на поверхности воды;
- гелофиты - воздушно-водные растения, поднимающиеся более или менее высоко над водой, по существу это переходная форма между водными и сухопутными растениями.
Согласно одной из классификаций, предложенной И.М. Распоповым (1985), выделяются следующие группы:
1. Настоящие водные растения, постоянно растущие в воде, или гидрофиты, включающие 3 подгруппы:
- гидатофиты, погруженные растения - истинно водные растения, жизненный цикл которых проходит под водой;
- плейстогидрофиты, плавающие растения;
- гидрогигрофиты, воздушно-водные растения, с побегами, часть которых находится в водной среде, а часть возвышается над водой.
2. Наземные растения влажных, переувлажненных и периодически затапливаемых местообитаний с высокой влажностью воздуха, или гигрофиты, включающие 3 подгруппы:
- эугигрофиты - наземные околоводные растения, приспособленные к обитанию в береговой полосе водоемов, характерные для средних и низких уровней береговой зоны затопления;
- гигрогелофиты - наземные болотные растения, приспособленные к обитанию в сильно переувлажненных и даже обводненных местообитаниях;
-тигромезофиты — наземные растения достаточно широкой экологической амплитуды по отношению к воздушному увлажнению, занимающие высокие уровни береговой зоны затопления (Распопов, 1985).
В.Г. Папченков (1985) строит свою классификацию, исходя из морфологических и биологических особенностей вида с учетом различной приспособленности к водной среде. Его первоначальная классификация (Папченков, 1985) позднее была исправлена и дополнена. Современная классификация построена на оценке степени связи растений с водной и воздушной средами и грунтом, в ней автор выделяет (Папченков, 2006): Группа экотипов. Настоящие водные растения. Экотип I. Гидрофиты, или настоящие водные растения. Экогруппа 1. Макроводоросли и водные мхи. Экогруппа 2. Гидрофиты, свободно плавающие в толще воды. Экогруппа 3. Погруженные укореняющиеся гидрофиты. Экогруппа 4. Укореняющиеся гидрофиты с плавающими на воде листьями. Экогруппа 5. Гидрофиты, свободно плавающие на поверхности воды. Группа экотипов. Прибрежно-водные растения. Экотип II. Гелофиты или воздушно-водные растения. Экогруппа 6. Низкотравные гелофиты. Экогруппа 7. Высокотравные гелофиты. Экотип III. Гигрогелофиты.
Группа экотипов. Заходящие в воду береговые (околоводные) растения. Экотип IV. Гигрофиты. Экотип V. Гигромезо- и мезотиты.
Водная среда существенно отличается от воздушной. В ней формируются особые световой и температурный режимы, для нее характерны другой газовый и минеральный состав, иная плотность. Представляется целесообразным рассмотреть некоторые особенности воды как среды обитания водных растений.
Газовый режим водной среды отличается от среды сухопутных растений. Каждый литр воды содержит не более 20-50 см3 воздуха, в том числе кислорода - 6-8 см3, углекислого газа - 0,3 см3. Кроме того, скорость диффузии углекислоты в воде в 1000 раз медленнее, чем в воздухе (Лархер, 1978). Иными словами, водные растения испытывают недостаток в кислороде и углекислом газе.
Источниками углерода для погруженных в воду растений являются С02, С03 2" и НСОз" (Мережко, Шиян, 1974). Тепловой режим воды ровнее, чем атмосферы. Весной и по утрам вода прогревается позже, чем суша, а осенью и по вечерам - остывает медленнее. Световой режим в водных экосистемах характеризуется более слабым освещением, чем на суше, и измененным качеством света. Глубже других в воду поступают синие лучи, красные - поглощаются верхними слоями воды. День, даже на небольшой глубине, короче, чем на суше. Таким образом, резкое уменьшение освещенности с глубиной является лимитирующим фактором распространения водных растений на значительные глубины.
Вода намного плотнее воздуха, и она как бы поддерживает органы растений. Однако движение воды, в связи с ее большой плотностью, значительно сильнее сказывается на растениях, чем движение воздуха. Наконец, растения, окруженные водой или погруженные в нее, не испытывают никакого иссушающего действия.
Своеобразие условий водной среды способствовало появлению у настоящих водных растений (гидрофитов) ряда характерных морфологических, физиологических и биохимических особенностей. Анализ литературных данных (Нагалевский, Николаевский, 1981; Кокин, 1982; Лукина, Смирнова, 1988; Горышина, 1989), посвященных экологии, биологии и физиологии высших водных растений, позволяет выделить следующие характерные черты:
- своеобразная структура осевых органов - проводящие и механические ткани сосредоточены ближе к центру стебля, кора развивается очень интенсивно, что обеспечивает гибкость органов, ткани крупноклеточные и рыхлые, хорошо развита система проветривания -аэренхима, в то время как слабо развиваются механические и проводящие ткани, а из последних - ксилема;
- своеобразная морфология и внутреннее строение листа — увеличение поверхности листьев при сохранении небольшого объема, что достигается расчленением листовых пластинок, уменьшением их толщины (при высокой толщине образуются крупные межклетники и воздухоносные полости). У погруженных листьев тип строениям мезофилла гомогенный, клетки не дифференцированы на палисадные и губчатые (у надводных и плавающих такая дифференцировка представлена). Клетки эпидермиса часто имеют хлоропласты, кутикула тонкая, устьиц нет или они недоразвиты. Слабо развиты проводящие и механические ткани, но сильно развита вентиляционная система.
Особый вклад в изучение физиологии и биохимии высших водных растений внесли исследования, проведенные на кафедре физиологии и биохимии растений УрГУ под руководством Г.Ф. Некрасовой и В.И. Пьянкова. В результате их многолетней научной работы были получены уникальные данные об особенностях формирования1 фотосинтетического аппарата в онтогенезе листа водных растений и выделены структурные и физиолого-биохимические особенности высших водных растений, различающихся по степени контакта с водной средой (Некрасова и др., 1998, 2003; Ронжина, Пьянков, 2001).
Показано, например, что у надводных и плавающих листьев хорошо выражены гелиоморфные черты (развитая палисадная ткань, плотная упаковка клеток, количество хлоропластов в клетках и единице площади увеличено). При этом отмечается, что погруженные листья отличаются от надводных и плавающих низкой интенсивностью» потенциального фотосинтеза и малой активностью РБФ-карбоксилазы и ФЕП-карбоксилазы (Некрасова и др., 2003). Сравнение структурно-функциональных параметров фотосинтетического аппарата листа водных растений показало, что в ряду надводные —» плавающие — погруженные происходит уменьшение количества клеток мезофилла и числа хлоропластов на единицу площади листа. При этом отмечено, что погруженные листья характеризуются более крупными клетками и хлоропластами (Ронжина, Пьянков, 2001).
Характеристика антиоксидантной системы
В клетках живых организмов, в том числе и растительных, существует динамическое равновесие между образованием активных форм кислорода и их ликвидацией, которая осуществляется с помощью многокомпонентной системы антиоксидантной защиты (Бурлакова, Храпова, 1985). Восприятие клеткой внешнего сигнала о «неблагополучии» запускает сигнальные системы, ведущие к экспрессии генов, продукты которых необходимы для репарации повреждений, восстановления гомеостаза и акклимации к новым условиям. Как уже говорилось ранее, АФК в сигнальных системах играют большую роль при стрессе. Есть данные, что индукция антиоксидантной защиты может быть вызвана генерацией 02 и/или Нг02 в апопласте (Vranova et al., 2002).
Антиоксидантная система универсальна для всех живых организмов и включает в себя высоко- и низкомолекулярные компоненты. Система защиты от окислительного стресса у растений представлена:
1. антиоксиданти ыми ферментами: каталазой, пероксидазами, супероксиддисмутазой, глутатионредуктазой;
2. низкомолекулярными антиоксидантами: аскорбиновой кислотой, низкомолекулярными SH-соединениями, флавоноидами, витаминами А, Е, К, убихиноном;
3. макромолекулярными неферментативными компонентами: белком переносчиком железа - трансферрином и др.
Механизм действия этих компонентов различен. Одни избавляют клетку от свободных радикалов, восстанавливая их до стабильных неактивных продуктов (играя роль «мусорщиков»), другие же имеют сродство к какому-то определенному свободнорадикальному продукту («ловушки» синглетного кислорода, гидроксил-радикала и т.д.) и, наконец, имеются антиоксиданты, обрывающие цепи. К числу последних относятся фенолы, легко отдающие свои электроны, превращая радикал, с которым они прореагировали, в молекулярный продукт, а сами при этом превращаются в слабый феноксил-радикал, не способный участвовать в цепной реакции.
Одним из ключевых компонентов системы защиты клеток и тканей от окислительной деструкции является фермент супероксиддисмутаза (СОД, ЕС .. 45 1.15.1.1). Детальные1 исследования: биохимии? данного? фермента, показали,. что СОД обязательно присутствует у всех і аэробных организмов; она также найдена, у некоторых анаэробных бактерий. Характерной особенностью .- фермента в - клетках растений, является наличие всех! трех изоформ, локализованных в различных ее; компартментах которые . содержат; в; активных центрах- ионы , Gu-Zm (цитозоль, хлоропласты, митохондрии, пероксисомы, апопласт); Fe (хлоропласты)1- или; Міг (митохондрии)-(Giannopolitis et ,аГ;, 1977): Потребность клеток растений в: изоформах СОД, имеющих различные характеристики,, очевидно, объясняется-необходимостью более эффективной: защиты от разрушительного действия ;. окислительного;стрессам(Бараненко 2006;/Ерач,.Стороженко, 2007):,
Установлено, что супероксиддисмутаза? катализирует реакцию? восстановления . супероксид радикала до пероксида водорода- (McCord Fridovich, 1969).. Механизме действиям СОД заключается; влоследовательнош восстановлении! т окислениш супероксидными: ;ан ион-радикал ами металла активного центраї фермента; (Scandalios 1993). СОД; катализирует реакцию: превращения двух анион-радикалов в пероксид: водорода (ЬКОг) и молекулярный кислород (реакция дисмутации супероксидных радикалові
Ирий действииі неблагоприятных факторов: среды в клетках растений: увеличивается образование активных форм; кислорода, прш; этом; активность СОД изменяется; согласно .литературным: данным, разнонаправлено:. В одних случаях отмечено ее увеличение, в других — снижение; что1 в; свою очередь. зависит от напряженности действия стрессора (интенсивности, и длительности), а также восприимчивости растительного организма, стадии онтогенеза и др. (Курганова,и др., 1999; Gupta et аГ.,. 1993;.Lee:et аЦ 2001; Kumar, Khan, 2004).
. Многочисленные исследования активности СОД в условиях повышенных концентраций тяжелых металлов показали, что характер ее изменений зависит как от природы металлами длительности воздействия, так и от видовой принадлежности растительного организма (Демидчик и др., 2001; Балахнина и др., 2005; Деви, Прасад, 2005; Ху и др., 2007 и др.).
Увеличение активности фермента может быть обусловлено активацией его латентных форм и (или) синтезом новых молекул. Так, например одновременное увеличение активности СОД и количества соответствующих белков отмечено при солевом стрессе в хлоропластах гороха (Gomez et al., 2003), что свидетельствует об увеличении синтеза фермента в условиях действия стрессового фактора.
Пероксид водорода, накопление которого в избыточном количестве также представляет опасность для клетки, разлагается ферментом каталазой. Это один из самых активных катализаторов в природе, обладающих рекордными скоростями работы. Каталаза (ЕС 1.11.16) широко, распространена в тканях живых организмов, обнаружена почти у всех аэробов и у некоторых факультативных анаэробов. Это двухкомпонентный Fe-порфириновый фермент, состоящий из белка и соединенной с ним активной группы. В настоящее время в тканях растений обнаружено до 5 изоферментов различных каталаз, в зависимости от типа ткани, (фотосинтетическая, эмбриональная, проводящая), где происходит экспрессия (Willenkens et al., 1995). Сущность каталитического действия каталазы состоит в разложении перекиси водорода с выделением молекулярного кислорода. Реакция с участием каталазы требует двух молекул перекиси, из которых одна действует как донор, а другая - как акцептор электронов.
В отличие от пер оксид аз, которые функционируют только при относительно низком уровне пероксида, каталаза способна эффективно работать при его высокой концентрации. Фермент очень чувствителен к свету, не требует энергии для активации (Hertwig et al., 1992). Каталаза преимущественно находится в пероксисомах, в цитоплазме - в незначительных концентрациях. Известно, что 0{ радикал ингибирует фермент каталазу, что является подтверждением существующего синергизма в деятельности СОД и каталазы (Kono, Fridovich, 1982). К факторам, понижающим каталазную активность, относят также недостаток фолиевой кислоты, рибофлавина, витамина А. Снижать активность каталазы могут также цианиды, азиды, сульфиды (способны блокировать железо в гематиновой группе), нитраты, фосфаты, сульфаты, многие кислоты. Снижение активности каталазы также наблюдается при избытке метионина, тирозина, цистина, меди, цинка (Мирошниченко, 1992).
Среди ферментов, также осуществляющих функцию», детоксикации, следует выделить пероксидазы. Обладая широкой субстратной специфичностью, они способны катализировать реакции окисления различных органических соединений. К пероксидазам (ЕС 1.11.17) относятся: НАДН-пероксидаза, НАДФН-пероксидаза, глутатион-пероксидаза, гваякол-пероксидаза, аскорбат-пероксидаза и др. Эти ферменты способны восстанавливать пероксид водорода до воды, окисляя при этом различные соединения.
Пероксидаза является двухкомпонентным ферментом - гемпротеином, содержащим в простетической-группе железопорфирин. В основе механизма действия пероксидазы лежит ее способность вступать во взаимодействие с перекисью водорода с образованием промежуточных комплексов, которые обладают различными спектральными характеристиками. Этот фермент в разных изоформах присутствует практически во всех клеточных компартментах, включая и клеточную стенку (Андреева, 1988; Газарян и др., 2006).
Источником активного кислорода при каталитическом действии пероксидазы могут, наряду с пероксидом водорода, служить и органические пероксиды (Угарова и др., 1981; Рогожин, 2004). Наиболее распространенными субстратами пероксидазы являются полифенолы в свободном состоянии или в форме различных сложных соединений (гликозиды, дубильные вещества) и ароматические амины.
В ряду пероксидаз особое место занимает фермент глутатион-пероксидаза - это самое распространенное сульфгидрильное соединение в клетках. Функцией этого; фермента; является поддержание активного?. состояния многих ферментов, самопроизвольное: окисление которых приводит к образованию дисульфидной труппы: глутатион восстанавливает сульфгидрильные формы. Согласно, литературным данным; пероксидаза и каталаза обеспечивают: нормальный?, ход окислительных процессов при; различных неблагоприятных воздействиях на растение, в. том числе и при; действиш тяжелых металлов. (Холодова и др., 2000;:Балахнина; и др;, 2005; Деви, Прасад,.2005;Шиидр;, 2005).
Однако; в; ряде случаев при. окислительном: стрессе ферментативная антиоксидантная, защита может быть недостаточно» эффективной; причиной; этого служит быстрая инактивация; конститутивного: пула- ферментов: свободными- радикалами; В" этих условиях повышается- значение низкомолекулярных антйоксидантов; К ним относятся; различные по структуре- и; химическим свойствам соединения; способные взаимодействовать, с активными . формами кислорода. Помимо этого, они-являются; еще и биологически важными . соединениями для: клеточного метаболизма,; играя роль кофакторовряда ферментов (Кения и др., 1993)
Накопление в листьях макрофитов тяжелых металлов в зависимости от их содержания в воде
Как было отмечено: ранее, наисследованнойтерриториисреди; веществ, загрязняющих природные воды широкої распространены», тяжелые металлы, особенно:такие, как железо медь, цинк, марганец; никель (Государственный:. доклад... ,2009);
Среднее содержание; тяжелых» металлов в поверхностных водах,, пробы которых отбирали из исследованных водных объектов? параллельно с отбором растительного материала, приведено; в табл; Т. Все водные объекты Свердловской области, относятся: к водоемам,, и водотокам рыбохозяйственного» назначения; поэтому сравнение, качественного состава воды» осуществлялось, со: значениями предельно. допустимых концентраций (ПДК) вредных веществ именно; для таких врдныхюбъектов.
Исследованные водные объекты характеризуются повышенным фоновым содержанием тяжелых металлов; что обусловлено распространением полиметаллических руд в пределах их бассейнов. Однако;. многие водные объекты испытывают на себе воздействие: предприятий горнодобывающей промышленности, в результате чего? концентрации металлов значительно превышают как фоновые значения;... так и ГТДК для водных объектов рыбохозяйственного; назначения. Следует отметить,.что. со сточными водами предприятий а также диффузным- путем; в, данные водные объекты поступают и другие поллютанты, такие как азот аммонийный и нитратный, фенольные соединения, нефтепродукты и т.п.
При сопоставлении водных объектов с различной антропогенной нагрузкой за «условно чистые» принимали оз. Икбулат, реки Сысерть, Северушка и Решетка, так как они подвергаются наименьшей антропогенной нагрузке.
К настоящему времени как в отечественной, так и в зарубежной литературе накоплено достаточно много данных об аккумулятивной способности высших водных растений по отношению к тяжелым металлам (Кадукин и др., 1982; Золотухина и др., 1990; Попов и др., 2000; Микрякова, 2002; Васюков, 2003; Леонова, 2004; Третьякова и др., 2004; Nakada et al., 1979; Manny et al., 1991 и др.). Исследования такого рода проводятся как в естественных местообитаниях макрофитов-, так и в условиях модельного эксперимента. Показано, что избыток тяжелых металлов в среде обитания, как правило, приводит к повышенному их накоплению растительными организмами.
В результате проведенных исследований установлено, что содержание одного и того же металла в биомассе разных водных растений варьировалось значительно: в отдельных случаях оно различалось не только в несколько, но и в десятки раз, в зависимости от видовой принадлежности растения и содержания металла в водной среде. Так, например, полученные нами данные по элодее {Elodea canadensis) из местообитаний, различающихся уровнем антропогенного загрязнения, показали существенные различия в накоплении меди, никеля, цинка, железа и марганца в листьях изученного макрофита. Содержание меди возрастало в 28, цинка - в 3, железа - в 2.8 раза в наиболее загрязненных местообитаниях, по сравнению с менее загрязненными (рис. 2а). При сравнении концентраций исследованных металлов в ряске горбатой {Lemna gibba) из водных объектов с низким и высоким уровнем загрязнения сохранялись те же тенденции, однако по меди они были не так отчетливо выражены, тогда как по цинку наблюдалось 4-х кратное различие, а по никелю - даже 9-ти кратное (рис. 2 б).
В работах Т.Ф. Микряковой также отмечено, что в зависимости от степени загрязнения водного объекта некоторые виды растений интенсивно накапливали металлы. Указано, например, что в листьях рдеста гребенчатого в загрязненном местообитании содержание цинка увеличивалось в 14 раз. Заметно возрастали концентрации и других металлов (Микрякова, 2002).
Таким образом, литературные данные и представленные результаты показывают, что избыток тяжелых металлов в среде обитания, как правило, приводит к повышенному их накоплению растительными организмами.
Однако следует отметить, что величина и характер накопления у разных видов водных растений имеет свою специфику.
В целях настоящего исследования для каждого вида растений определяли коэффициент биологического накопления (КБН). Анализ содержания ТМ в листьях высших водных растений и их концентраций в водных объектах позволил представить коэффициенты биологического накопления металлов для изученных растений в следующий восходящий ряд: Ni Cu Fe Zn Mn.
По имеющимся в литературе данным (Власов, Гигевич, 2002), свободноплавающие и погруженные гидрофиты накапливают в своих тканях значительно большее количество металлов, чем воздушно-водные растения. Это объясняется тем, что у растений, не имеющих связи с грунтом, вещества в ткани поступают из воды. В связи со значительной поверхностью соприкосновения- листьев с водой именно гидрофиты характеризуются наибольшей поглотительной способностью, что обусловливает высокую эффективность их использования для фиторемедиации водных объектов при значительном уровне загрязнения водной среды.
При сопоставлении интенсивности накопления металлов в растениях изученных видов установлено, что максимальной1 аккумулятивной способностью по отношению к меди, цинку, железу и марганцу отличался шелковник волосолистный {Batrachium trichophyllum), а по отношению к никелю - роголистник погруженный {Ceratophyllum demersurri). Высокой накопительной способностью отличалась ряска горбатая {Lemna gibba). Этот вид широко распространен в водотоках и водоемах Свердловской области, причем обитает даже в отстойниках промышленных предприятий. Для ряски характерна высокая накопительная способность по отношению к цинку и марганцу (табл. 2).
Наименьшим же содержанием в растительных тканях тяжелых металлов характеризовались такие виды как стрелолист обыкновенный (Sagittaria sagittifolia) и рдест альпийский {Potamogeton alpinns).
Содержание низкомолекулярных компонентов антиоксидантной системы
Известно, что при окислительном стрессе ферментативная антиоксидантная система может быть недостаточно эффективной; причиной чему служит быстрая инактивация конститутивного пула ферментов. свободными радикалами. В этих условиях повышается значение низкомолекулярных антиоксидантов.
Проведенное сопоставление содержания в исследованных макрофитах низкомолекулярных антиоксидантов (аскорбат, глутатион, пролин, флавоноиды) не выявило однозначной зависимости между их количеством и уровнем загрязненности водной среды. Вместе с тем, оказалось, что максимальными значениями по всем этим показателям отличались те виды макрофитов, для которых характерна и максимальная аккумулятивная способность по отношению к тяжелым металлам. Из изученных растений наибольшее содержание аскорбиновой кислоты было характерно для Lemna gibba и Ceratophyllum demersum (рис. 10).
В листьях Ceratophyllum demersum, например, наблюдалось шестикратное, а для Lemna gibba отмечено четырехкратное превышение этого показателя, по сравнению со средним значением для изученной группы видов. В листьях Ceratophyllum demersum было зафиксировано также максимальное количество глутатиона. Наибольшим накоплением пролина отличалась Lemna gibba. В листьях Elodea canadensis, Batrachium trichophyllum и Ceratophyllum demersum также обнаружено повышенное его количество.
На рисунке представлены значения, усредненные для растений одного вида из разных местообитаний, и их стандартные ошибки
Известно, что в системе антиоксидантной защиты клетки, помимо ферментов и водорастворимых антиоксидантов, важную роль играют и гидрофобные антиоксиданты, такие, например, как каротиноиды. В условиях стресса возрастает значение протекторной функции каротиноидов как соединений, способных защитить клетки и ткани растительного организма от негативного действия окислительного стресса.
Однако литературные данные свидетельствуют о неоднозначном характере изменения содержания каротиноидов у растений, испытывающих значительную антропогенную нагрузку (Шалыго и др., 1999; Кулагин, 2003; Удиванкин, 2006; Максимова, 2007; Кулагин, Юсупов, 2008; Макурина и др., 2009).
Результаты наших исследований показали, что в среднем у изученных нами макрофитов в пробах растений из более загрязненных водотоков содержание каротиноидов увеличивалось в 1.8 раза. Более значительное (двукратное) повышение данного параметра отмечено в листецах Lemna gibba (рис. 11).
Полученные данные свидетельствуют о том, что в условиях повышенных антропогенных нагрузок на водные объекты каротиноиды водных растений выполняют функцию дополнительных пигментов и защитных компонентов, тем самым обеспечивается устойчивость фотосинтетического аппарата при стрессе.
В настоящее время не вызывает сомнений тот факт, что флавоноиды, представляющие собой наиболее распространенную группу фенольных соединений, играют в растительной клетке значимую роль в адаптации растений к различным стрессовым воздействиям. Накопление флавоноидов является механизмом защиты от обширного окислительного повреждения фотосинтетического аппарата в неблагоприятных условиях. Например, индукция биосинтеза фенольных соединений была показана в опытах на растениях пшеницы, подвергнутых высоким концентрациям никеля, сходные данные получены на рисе (Michalak, 2006). Значительное повышение концентрации флавоноидов может свидетельствовать о радиационном загрязнении среды (Храмова, 2006). Опыты с проростками Arabidopsis thaliana показали, что мутантные линии, растения с поврежденным геном биосинтеза флавоноидов, при действии тяжелых металлов были более подвержены токсическому воздействию. При добавлении в среду выращивания экзогенных флавоноидов (кверцетина) обнаружено снижение токсичности в случае с проростками дикого типа, все эти факты, по мнению авторов, указывают на участие флавоноидов в устойчивости растений к действию тяжелых металлов.
Результаты исследований содержания флавоноидов у макрофитов показали отсутствие зависимости накопления этих вторичных метаболитов в листьях исследованных растений от степени загрязнения водной среды. Для данной группы растений этот показатель в среднем составил 91.0 мг/г сухой массы. Отмечено, что максимальными и минимальными значениями этого параметра отличались виды с противоположными «стратегиями накопления». Из изученных растений наибольшее содержание в листьях флавоноидов было характерно для Ceratophyllum demersum. В листьях Batrachium trichophylliim также обнаружено повышенное их количество (по сравнению со средними у разных видов значениями). В листьях Potamogeton alpinus, характеризующегося низкой накопительной способностью, напротив, содержание флавоноидов было минимальным (табл. 12).
Таким образом, на основании полученных данных можно заключить, что растения из водных объектов, испытывающих повышенные антропогенные нагрузки, по сравнению с растениями из менее загрязненных местообитаний отличаются большей активностью каталазы и содержанием каротиноидов, что позволяет сделать вывод об участии данных соединений в адаптации водных растений к загрязнению среды обитания. В листьях макрофитов, отличающихся максимальной аккумуляцией тяжелых металлов, обнаружено высокое (по сравнению с другими видами) содержание таких компонентов системы антиоксидантной защиты, как аскорбат, глутатион, пролин, что является подтверждением их повышенной устойчивости к стрессорам химической природы.
