CC BY
140
ВЕСТНИК ПЕРМСКОГО УНИВЕРСИТЕТА
2011 БИОЛОГИЯ Вып. 3-4
ПОЧВОВЕДЕНИЕ
УДК 631.41:504.75
БИОИНДИКАЦИЯ ПОЧВ ПРИ ВЫСОКОМ УРОВНЕ ЗАГРЯЗНЕННОСТИ В УСЛОВИЯХ МОДЕЛЬНОГО ОПЫТА
О. З. Еремченко, О. А. Четина, Е. В. Лузина, К. И. Сыромятников
Пермский государственный национальный исследовательский университет, 614990, Пермь, ул. Букирева, 15; [email protected]; (342)2396412
Пониженная способность почв и техногенных поверхностных образований г. Перми к выполнению экологических функций связана со щелочностью, засоленностью и загрязнением тяжелыми металлами. В неблагоприятных условиях происходит накопление активных форм кислорода (АФК) растениями, в результате чего развивается окислительный стресс. Накопление АФК приводит к различным функциональным нарушениям. В связи с этим система антиокси-дантной защиты имеет особое значение в процессе адаптации растений к неблагоприятным факторам среды.
Ключевые слова: техногенное загрязнение почв; тяжелые металлы; биохимическая активность почв; окислительный стресс; активные формы кислорода; каротиноиды.
Введение
Важнейшей биологической функцией почвы в городской среде является создание условий для обитания растений и микроорганизмов. Пониженная способность почв и техногенных поверхностных образований г. Перми к выполнению экологических функций связана со щелочностью, засоленностью и загрязнением тяжелыми металлами. В селитебных районах г. Перми окультуривание почв выражается преимущественно в создании на поверхности органогенного слоя из низинного торфа мощностью около 10 см (Москвина, 2004).
При оценке биологических свойств почв рекомендуются чувствительные тесты фитоиндикации и биохимической активности почв. По степени устойчивости к загрязнению тяжелыми металлами зафиксирован следующий ряд биологических свойств: активность каталазы > активность инвер-тазы > активность уреазы = активность фосфатазы > скорость разложения мочевины > целлюлозоли-тическая способность > интенсивность накопления свободных аминокислот > фитотоксичность > численность микроскопических грибов > численность актиномицетов > численность бактерий > численность спорообразующих бактерий (Колесников, Казеев, Вальков, 2001).
Объекты и методы
В опытах исследована реакция тест-культуры и биохимической активности модельной «почвы» на высокий уровень химического загрязнения. «Почва» создана путем смешивания низинного торфа и суглинка в соотношении 2:1. В почву внесены хлористый натрий из расчета 0,5 и 1% от веса почвы, нитрат свинца из расчета 1000 мг/кг почвы, сульфат кадмия из расчета 500 мг/кг почвы, карбонат натрия из расчета 1 и 2 мг-экв/100 г почвы.
Тест-культурой являлся клоповник посевной, или кресс-салат (Lepidium sativum) - быстрорастущее съедобное однолетнее или двулетнее травянистое растение, вид рода Клоповник (Lepidium) семейства Капустные, или Крестоцветные (Brassica-ceae). На 14-й день после посева (состояние технической спелости) у исследуемых растений определяли биомассу, каротиноиды - методом спектрофо-тометрии при X = 662, 644 и 440,5 нм и генерацию супероксидного анион радикала спектрофотометрически при X = 540 нм.
После уборки кресс-салата определяли интенсивность дыхания по количеству углекислого газа, выделяемого почвой в течение 24 ч. при температуре 28°С и влажности 60% от полной влагоемкости адсорбционным методом (Шарков, 1984); активность каталазы, уреазы и фосфатазы - по Ф.Х. Ха-зиеву (1976).
© Еремченко О.З., Четина О.А., Лузина Е.В., Сыромятников К.И., 2011
56
Результаты и их обсуждение
Техногенное загрязнение почв является одним из экологических факторов, оказывающих неблагоприятное влияние на процессы жизнедеятельности растительных организмов. В неблагоприятных условиях происходит накопление активных форм кислорода (АФК), в результате чего развивается окислительный стресс (Радюкина и др., 2009; Mitt-ler, 2002). К АФК относят синглетный кислород, супероксид анион радикал, гидроперекисный радикал, пероксид водорода, гидроксильный радикал, озон. Стресс-индуцированное накопление АФК приводит к различным функциональным нарушениям. В связи с этим система антиоксидант-ной защиты имеет особое значение в процессе адаптации растений к неблагоприятным факторам среды (Bartels, Sunkar, 2005; Blokhina, Virolainen, Fagerstedt, 2003).
Антиоксидантная система включает низкомолекулярные соединения: аскорбиновая кислота, глутатион, убихинон, флавоноиды, каротиноиды и другие, а также высокомолекулярные антиоксиданты: супероксиддисмутаза (СОД), каталаза, пе-роксидаза, альбумины и другие (Кения, Лукаш, Гуськов, 1993).
Каротиноиды наиболее эффективны в тушении избыточной энергии триплетных хлорофиллов и синглетного кислорода. Воспринимая энергию возбуждения, они рассеивают ее в виде тепла, предотвращая тем самым возможность образования синглетного кислорода. Не менее важным в защите клеточных структур представляются реакции взаимодействия каротиноидов с органическими радикалами жирных кислот. В последнее время было также установлено, что каротиноиды могут защищать растение от окислительного стресса, изменяя физические свойства фотосинтетических мембран при участии ксантофиллового цикла (Кузнецов, Дмитриева, 2005).
Результаты исследований показали, что на 14-й день после посева биомасса растений при действии соды и соли свинца практически не отличалась от контрольной, а под действием NaCl 0.5% наблюдалось снижение биомассы в 1,5 раза по сравнению с контролем. Наибольшее угнетение растений наблюдалось при действии 1%-ной NaCl и соли кадмия, где биомасса почти в 20 раз ниже контрольной (рис. 1).
Загрязнение кадмием очень опасно, так как он накапливается в растениях больше нормы даже при слабом загрязнении почвы (Овчаренко и др., 1998). При избытке кадмия скручиваются листья, недоразвиваются корни, жилки и черешки становятся красноватыми; тормозятся процессы фотосинтеза (подавляется образование антоциана и других пигментов), транспирации, фиксации CO2; изменяется проницаемость мембран. У неадаптивных растений под влиянием высоких концентраций тяжелых металлов развиваются уродливые и угнетенные фор-
мы, не дающие семян или образующие невсхожие семена (Кабата-Пендиас и др., 1989).
Рис. 1. Биомасса растений кресс-салата на 14-й день после посева при разных факторах городской среды
Вследствие проникновения ионов солей в клетку изменяется ее гомеостаз, что является сигналом о неблагоприятных условиях и передается в ядерную ДНК. Резкое ингибирование биосинтеза белка и нуклеиновых кислот приводит к ослаблению синтетических процессов, в результате происходит торможение роста и развития растений (Обручева, 2001).
При воздействии соли РЬ количество кароти-ноидов было на уровне контрольного варианта. Во всех остальных условиях загрязнения содержание каротиноидов в растениях меньше, чем в контроле (рис. 2).
Э
'I “ р=5 та iJ-j
га S ^1 ZJ О
Zi W
Рис. 2. Содержание каротиноидов в надземной части кресс-салата под влиянием факторов городской среды
Кроме того, была выявлена отрицательная зависимость между содержанием каротиноидов и супероксидного анион-радикала в надземных органах кресс-салата (рис. 3), что может говорить об угнетении тест-культуры при действии изучаемых факторов. По-видимому, экстремальные факторы городской среды угнетающе действуют на слабоустойчивую тест-культуру, адаптационная система растения не срабатывает.
Известно, что биохимическая активность почв связана с выделением в среду биологически активных веществ растениями и микроорганизмами, поэтому в неблагоприятных для этих организмов
58
О. З. Еремченко, О. А. Четина, Е. В. Лузина, К. И. Сыромятников
условиях отмечается снижение показателей ферментативной активности. В модельных условиях наибольшая биохимическая активность характерна для почвы на контрольном варианте и варианте с содой, в последнем случае это связано с нейтрализацией кислой «почвы». Достоверное угнетение ферментативной активности, а именно каталазной и фосфатазной, прослеживается в почве на вариантах засоления хлоридами натрия (1%) и загрязнения кадмием (500 мг/кг почвы). При этом засоление снижает активность каталазы на 26%, а фос-фатазы на 39% по сравнению с контролем; а загрязненная кадмием почва имеет данные показатели ниже на 11 и 50% соответственно. Все исследуемые факторы высокого уровня интенсивности не оказали существенного воздействия на активность уреазы в почве (таблица).
„ 0.3
3 0,25
5 ОД
Э - ОД 5
0 иО
в г
1 I од
І 0,05 Е
I 0
6
£ О ОД 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8
Г енерация супер оксидно го анион-радикал а, ед. опт, плотности/
1 г сырой массы/1 мин.
Рис. 3. Зависимость содержания каротиноидов от генерации супероксидного анион-радикала в надземной части кресс-салата в условиях окислительного стресса
Биохимическая активность «городской почвы» в модельных условиях
Вариант Активность ферментов Дыхание, мг СО2- 100 г •24 ч
каталаза, мл О2^1г •1мин фосфатаза, мг Р2Ог 100 Мч. уреаза, мг N-NH3-100 г • 1ч.
Контроль 5.6 0.28 3.09 58.9
№С1 1% * со 4. 0.17* 2.91 30.0*
РЬ 1000 мг/кг почвы 5.8 0.29 3.33 42.0
Cd 500 мг/кг почвы 5.0* 0.14* 3.50 33.7*
^2СОз 2 мг-экв/100 г почвы 6.0 0.30 3.36 47.7
Примечание. * - достоверные различия с контролем.
Чувствительным к воздействию изучаемых факторов оказалось дыхание - интегральный показатель биохимической активности почвы. На выделение углекислого газа достоверно повлияли хлорид натрия (снижение на 49%) и соль кадмия (снижение на 43%).
'* • • R=0,80
— .
її •
у=0,23-0,17х
Заключение
При биотестировании городской почвы следует выбирать наиболее информативные показатели. По степени чувствительности к изучаемым факторам городской среды установлен следующий ряд биологических свойств: фитотоксичность > интенсивность дыхания => активность фосфатазы > активность каталазы > активность уреазы. Исследуемая тест-культура - кресс-салат перспективна в плане оценки биологических свойств почв г. Перми.
Работа выполнена при поддержке ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры России» № 2009-1.1-201-018.
Библиографический список
Кабата-Пендиас А. и др. Микроэлементы в почвах и растениях. М.: Изд-во Мир, 1989. С. 93-366. Кения М.В., Лукаш А.И., Гуськов Е.Н. Роль низкомолекулярных антиоксидантов при окислительном стрессе // Успехи совр. биол. 1993. Т. 113, вып. 4. С. 456-470.
Колесников С.И., Казеев К.Ш., Вальков В.Ф. Био-экологические принципы мониторинга и нормирования загрязнения почв. Ростов н/Д.: Изд-во ЦВВР, 2001.
Кузнецов В.В., Дмитриева Г.А. Физиология растений: учебник. М.: Высш. шк., 2005. 736 с. Москвина Н.В. Почвы и техногенные поверхностные образования многоэтажных жилых районов городов Прикамья: автореф. дис. ... канд. биол. наук. Пермь, 2004.
Обручева Н.В. Роль растяжения клеток в пластичности роста корня // Актуальные вопросы экологической физиологии растений в XXI веке: тез. докл. Междунар. конф. Сыктывкар, 2001. С. 91-92.
Овчаренко М.М. и др. Факторы почвенного плодородия и загрязнения продукции тяжелыми металлами // Химия в сельском хозяйстве, 1998. № 3. С. 31-34.
Радюкина Н.Л. и др. Гомеостаз полиаминов и ан-тиоксидантные системы корней и листьев Plan-tago major при солевом стрессе // Физиол. раст. 2009. Т. 56, № 3. С. 359-368.
Bartels D., Sunkar R. Drought and salt Tolerance in Plants // Plant Sci. 2005. Vol. 24. P. 23-58. Blokhina O., Virolainen E., Fagerstedt K.V. Antioxidants, Oxidative Damage and Oxygen Deprivation Stress: A Review // Ann. Bot. 2003. Vol. 91. P. 179194.
Mittler R. Oxidative Stress, Antioxidants, and Stress Tolerance // Trends Plant Sci. 2002. Vol. 7. P. 405-410.
Поступила в редакцию 25.08.2011
Bioindication of soils at high level of impurity in the conditions of modeling experience
O. Z. Eremchenko, doctor of biology, professor O. A. Chetina, candidate of biology, senior lecturer E. V. Lusina, student K. I. Syromyatnikov, student
Perm State University. 15, Bukirev str., Perm, Russia,614990; [email protected]; (342)2396412
The lowered ability of soils and technogenic superficial formations of Perm to performance of ecological functions is connected with alkalinity, salinity and pollution by heavy metals. In adverse conditions there is an accumulation of active forms of oxygen (AFO) by plants therefore the oxidizing stress develops. Accumulation of AFO leads to various functional infringements. In this connection the system antioxidant protection has special value in the course of adaptation of plants to adverse factors of environment.
Key words: technogenic pollution of soils; heavy metals; biochemical activity of soils; oxidizing stress; active forms of oxygen; carotenoids.
Еремченко Ольга Зиновьевна, доктор биологических наук, профессор, зав. кафедрой Четина Оксана Александровна, кандидат биологических наук, старший преподаватель Лузина Екатерина Викторовна, студент Сыромятников Константин Игоревич, студент
ФГБОУВПО «Пермский государственный национальный исследовательский университет»
