CC BY
15
А. А. Шайхутдинова, кандидат технических наук, ст. преподаватель кафедры «Производственный менеджмент», ФГБОУ ВПО Оренбургский государственный институт менеджмента e-mail: Varvarushka@yandex.ru
О. Н. Немерешина, кандидат биологических наук, доцент кафедры «Биохимия», ФГБОУ ВПО Оренбургский государственный медицинская академия e-mail: olga.nemerech@rambler.ru
ИССЛЕДОВАНИЕ СОДЕРЖАНИЯ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ В ТКАНЯХ POLYGONUMAVICULAREL. НА ТЕРРИТОРИЯХ, ПРИЛЕГАЮЩИХ К ТЕПЛОЭЛЕКТРОСТАНЦИЯМ
Статья посвящена проблеме химического загрязнения природной среды тяжелыми металлами на территориях, прилегающих к стационарным источникам выброса загрязняющих веществ. Проведена оценка качества территорий по коэффициенту транслокации.
Ключевые слова: коэффициент транслокации, фитотоксиканты, антиоксиданты.
Объекты промышленного производства - наиболее существенный стационарный источник загрязнения окружающей среды, на его долю приходится более 80% объема вредных веществ, поступающих в атмосферный воздух от всех учтенных на территории Российской Федерации. Стационарные источники обладают способностью распространять загрязняющие вещества на большие территории, так как их выбросы происходят, как правило, на большой высоте [4, 7].
Техногенное давление на природные комплексы приводит к необратимым изменениям, следовательно, необходимо учитывать возможность природы к усвоению и рассеиванию продуктов техногенеза.
К числу наиболее опасных загрязнителей относятся тяжелые металлы. На усвоение и поглощение химических элементов растениями влияют природные и антропогенные факторы. К природным факторам относятся: уровень инсоляции, колебания температуры, количество выпадающих осадков. В засушливые годы некоторые растения аккумулируют железо, во влажные - марганец, медь, цинк, молибден. На поступление тяжелых металлов в растения оказывают влияние химический состав почв, кислотно-основные и окислительновосстановительные условия, физические свойства, уровень микробиологической активности. Степень влияния общего химического состава почвы обусловливается совместным влиянием элементов [3,
4, 7].
Тяжелые металлы являются протоплазматиче-скими ядами, токсичность которых возрастает по мере увеличения атомной массы и проявляется по-разному. Многие металлы при токсичных уровнях концентраций ингибируют деятельность фермен-
тов (медь, ртуть). Некоторые тяжелые металлы образуют хелатоподобные комплексы с обычными метаболитами, нарушая нормальный обмен веществ (железо). Такие металлы, как кадмий, медь, железо (II), взаимодействуют с клеточными мембранами, изменяя их проницаемость и другие свойства. Некоторые тяжелые металлы конкурируют с необходимыми растениям элементами, нарушая их функциональные роли [1, 3, 5, 7].
Анализ золы различных частей растений показывает, что наибольшее количество тяжелых металлов содержится в корнях, затем в стеблях и листьях, наконец, в семенах, клубнях, корнеплодах, т.е. растение обладает определенной защитной системой по отношению к токсикантам [1, 7].
Как известно, тяжелые металлы относятся к группам микро- и ультрамикроэлементов [5], а употребление терминов «тяжелые металлы» и «микроэлементы» связано с их концентрацией в живых организмах и окружающей среде. В настоящее время важная роль микроэлементов в физиологических процессах организма растений не вызывает сомнений. Например, биогенность меди, цинка, молибдена, кобальта, марганца, никеля и некоторых других микроэлементов давно изучается с точки зрения физиологии и биохимии растений и животных [6]. Причем величины нормального содержания элементов в живых организмах сильно варьируют в зависимости от видовой принадлежности, а также от взятых для исследования органов и тканей. Поэтому при оценке результатов экологического мониторинга тяжелых металлов нами было определено их количественное содержание в надземных органах растений и почве.
В качестве модельного объекта нами был выбран горец птичий или спорыш Polygonum
ау^Ыаге L. (семейство Polygonaceae Juss.) - однолетнее стелющееся травянистое растение высотой 15-50 см, распространившееся космополитно в северном полушарии. В Волго-Уральском регионе встречается повсеместно на лугах и пашнях, вдоль дорог и по выгонам, на приречных песках, отмелях, возле жилищ и обычно образует густые куртины. Горец птичий - известное лекарственное растение, применяемое в России и за рубежом. В официальной и народной медицине его используют в качестве противовоспалительного средства, способствующего отхождению конкрементов, а также при камнях в почках и мочевом пузыре [2]. Горец птичий - ценное кормовое растение для домашней птицы и скота. При зарастании техногенно нарушенных территорий данный вид обычно выступает в роли пионерной растительности, как анемохор с развитой корневой системой. Тем не менее, адаптационные механизмы этого растения к различным видам техногенных загрязнителей, в том числе и повышенным концентрациям тяжелых металлов в почве, до сих пор не выявлены. В то же время микроэлементный состав надземной части горца птичьего интересен с позиции оценки качества лекарственного растительного сырья, заготовки кормов, а также возможностей использования его для фиторемедиации (комплекс методов очистки вод, грунтов и атмосферного воздуха с использованием зеленых растений).
Воздействие выбросов промышленных предприятий является важным фактором, определяющим жизненность растений. Поэтому целью нашего исследования является проведение сравнительного анализа содержания микроэлементов в растительном сырье, собранном на территориях крупных промышленных предприятий Южного Урала (Кумертауская ТЭЦ).
Кумертауская ТЭЦ является единственной электростанцией ОАО «Башкирская генерирующая компания», которая наряду с освоением сжигания природного и попутного газа, продуктов переработки нефти сохранила технологию сжигания бурых углей и предназначена для тепло- и электроснабжения предприятий и жилищно-коммунального сектора г. Кумертау. ТЭЦ расположена в районе Южно-Уральского буроугольного бассейна на северо-восточной окраине г. Кумертау Республики Башкортостан. ТЭЦ выбрасывает в атмосферный
воздух 38 наименований загрязняющих веществ, из них приоритетной примесью по массе выброса является зола бурого угля, на ее долю приходится 64,5 %. Согласно списку П - 4.2 СанПиН 2.2.1/2.1.1 1200-03 категория опасности предприятия принята равной 2 с размером санитарно-защитной зоны 500 м. Исследования летучей золы бурого угля Ку-мертауской ТЭЦ показали, что в ее составе присутствуют тяжелые металлы: цинк, свинец, медь, хром, кобальт, никель, марганец.
Растительное сырье Polygonum aviculare L. собиралось в период цветения (конец июня - начало июля) 2009 года по 20 экземпляров с участка на границе санитарно-защитной зоны Кумертау-ской ТЭЦ. Фоновой территорией принята зона, расположенная на расстоянии 150 км от исследуемого предприятия, близ с. Кананикольское Зила-ирского района. Определение элементного состава проводилось методов атомно-абсорбционной спектроскопии на базе испытательной лаборатории ФГУЗ «Центр гигиены и эпидемиологии в Оренбургской области».
Элементный анализ растительного сырья, собранного на территории Кумертауской ТЭЦ, позволил выявить некоторые особенности накопления тяжелых металлов в надземной части горца птичьего.
Коэффициенты транслокации в системе почва-растение для меди на территории Кумертауской ТЭЦ составляют 71,8 / 41,5 (табл. 1). Следовательно, медь демонстрирует явление биоконцентрации, что обусловлено особенностями метаболизма горца птичьего. Известно, что медь входит в состав полифенолоксидазы - активатора в биогенезе фенольных соединений [5, 6]. Недостаток меди отрицательно отражается на продуцировании фенольных соединений, а также пигментов, антоцианов, некоторых витаминов, ауксинов, белков. Сапонинсодержащие и алкалоидоносные растения также отличаются повышенным содержанием меди [6]. Медьсодержащие синего цвета белки — пласто-цианины - принимают участие в процессе фотосинтеза, являясь естественными антиоксидантами. Темно-зеленый фермент окисления жирных кислот в растениях - дегидратаза бутирил-КоА и аскорбатоксидаза - содержат в активном центре ионы меди.
Проведенный анализ показал, что горец птичий, собранный на экологически благополучной
Таблица 1
Содержание тяжелых металлов в надземной части горца птичьего (мг/кг)
Точка сбора сырья Объект Cu Co Zn Cr Mn Ni Pb
Kумертауская ТЭЦ растение 71,8 0,89 24,9 5,08 43,8 0,48 0,48
почва 41,5 17,8 48,9 4б,05 412,9 55,48 27,8
Фоновая территория растение 41,1 0,55 1б,б 1,18 19,5 0,45 0,05
почва 29,3 3,50 12,8 35, 01 40,5 21,43 11,8
территории, отличается высокими коэффициентами транслокации в отношении кобальта - 0,55/ 3,5. В техногенной зоне коэффициенты транслокации составляют 0,89 / 17,8. Содержание кобальта в надземной части горца птичьего в экологически чистой и техногенной зонах различается незначительно, что полностью согласуется с литературными данными о способности большинства растений накапливать большие количества данного элемента и при этом вырабатывать механизм устойчивости к загрязнению почв этим металлом [6, 8]. Кобальт в растениях активирует ферменты симбиотической фиксации азота, следовательно, активно участвует в биосинтезе аминокислот, процессах фосфорилирования и биосинтезе алкалоидов [8, 9]. Кобальт входит в состав органического комплекса витамина В12 и ряд других соединений, способных связываться с кислородом. Поскольку кобальт накапливается в генеративных органах, имеются предположения о стимулировании им процесса оплодотворения [6].
В результате проведенных исследований установлено, что физиологический барьер при усвоении цинка из почв у горца птичьего несколько ниже, чем для более фитотоксичных элементов, т.к. коэффициенты транслокации на территории Ку-мертаусой ТЭЦ составляют 24,9 / 48,9. В экологически благополучном экотопе отмечается биоконцентрация этого микроэлемента в надземной части горца птичьего, о чем свидетельствуют высокие коэффициенты транслокации равные 16,6 / 12,8. Цинк принимает активное участие в физиологических процессах растений, так как входит в состав активного центра целого ряда энзимов, в том числе и участвующих в биосинтезе полифенольных соединений. По некоторым данным, цинк повышает устойчивость растений к засухе и гипертермии [6]. Критическая концентрация цинка в растениях составляет 300 мг/кг. Подвижность и биодоступность цинка повышается в кислых легких почвах.
Коэффициенты транслокации для хрома в горце птичьем, произрастающем на техногенных участках, составили в наших исследованиях 4,23 / 65,7, что указывает на существование физиологического барьера, препятствующего избыточному накоплению хрома в надземной части исследуемого растения. Несмотря на то, что соединения хрома являются постоянными компонентами почв и живых организмов, его физиологическая роль в растениях изучена недостаточно [6, 9]. Участие хрома в фотосинтезе позволяет предположить и его влияние на продуцирование биологически активных веществ. В ряде исследований отмечено, что у флавоноидо-содержащих растений повышенные концентрации хрома характерны для органов богатых фла-воноидами [6].
Коэффициент транслокации марганца в надземной массе горца птичьего на территории Кумертау-
ской ТЭЦ составляет 43,8 / 412,9, в контрольной зоне -19,5 / 40,5. Величины коэффициентов транслокации указывают на существование физиологического барьера, препятствующего накоплению марганца в ассимилирующих и генеративных органах Polygonum aviculare L. до фитотоксичных концентраций. Он входит в состав многих металлофлавопротеидов, принимающих участие в окислительно-восстановительных процессах в клетках растений [6, 8]. Установлено участие марганца в процессе фотосинтеза, гликолиза, цикла трикарбоновых кислот [6]. Данный элемент активирует ферменты, участвующие в синтезе моносахаров, производных циклопентанопергидрофенан-трена, дубильных веществ, алкалоидов, витамина В2. Количественное содержание танидов корелли-рует с накоплением марганца в растениях. Его фитотоксичность увеличивается в кислой среде и он, по-видимому, является антагонистом меди.
Определение коэффициентов транслокации никеля в растениях горца птичьего техногенных и фоновых участков также указывает на существование физиологического барьера. Коэффициенты транслокации техногенных участков составляют 0,48/ 55,48 в г. Кумертау и 0,45 / 21,43 в контрольной зоне. Никель оказывает неспецифическое действие на целый ряд металлоферментных комплексов, участвуя во многих биохимических реакциях, в том числе и в синтезе биологически активных соединений. Никель активирует аргиназу, оксалоаце-татдекарбоксилазу, участвует в реакциях трансами-нирования, ускоряет окисление сульфгидридных групп в дисульфидные, в определенных условиях ингибирует фосфатазу. Выявлена роль никеля в стабилизации структуры рибосом [8]. Никель является стабилизирующим фактором для антициа-новых пигментов и его значительные количества отмечаются в цветках флавоноидосодержащих растений [6].
Основными фитотоксикантами среди анализируемых нами тяжелых металлов считается свинец [5, 9]. Он не относится к разряду биогенных, но отличается повышенной токсичностью и быстрыми темпами накопления в окружающей среде. Свинец для растений менее токсичен, чем для человека и животных. Его соединения малорастворимы, что до некоторой степени должно ограничивать его биодоступность. Для исследуемого вида растения характерны выраженные коэффициенты транслокации свинца в системе почва-растение равные
0,48 / 27,8, что свидетельствует о наличии физиологического барьера, препятствующего проникновению этого элемента к ассимилирующим и генеративным органам растения.
Таким образом, характер накопления тяжелых металлов в надземной части растений горца птичьего показывает неодинаковый уровень физиологического барьера для эссенциальных и ток-
сичных микроэлементов, хотя подобное деление является во многом условным. Результаты исследования надземной части горца птичьего техногенных зон позволили распределить коэффициенты транслокации 9-ти исследуемых элементов в ряд по убыванию (среднее значение):
Си > Zn > Со > Мп > Сг > № > РЬ.
На фоновой территории коэффициенты транслокации располагаются в ряд по убыванию следующим образом:
Си > Со > Zn > Сг > Мп > № > РЬ.
Для большинства высокотоксичных элементов характерен более выраженный физиологический
барьер, препятствующий их поступлению к ассимилирующим и генеративным органам растений.
Таким образом, на основании результатов проведенного исследования, можно утверждать, что горец птичий способен регулировать поток загрязняющих веществ, что позволяет ему активно противостоять избыточному поступлению тяжелых металлов и избирательно накапливать эссенци-альные микроэлементы, необходимые для работы ферментов. При этом следует учитывать, что накопленные в наземной части тяжелые металлы способны мигрировать по пищевым цепям, т.к. горец птичий используется в качестве корма домашним животным, а также как лекарственное противовоспалительное средство.
Литература
1. Гарицкая, М. Ю. Оценка экологического благополучия территории по состоянию растительных биогеоценозов : дис. ... канд. биол. наук : 03.00.16 / М. Ю. Гарицкая. - Оренбург : ОГМА, 2004. - 184 с.
2. Гусев, Н. Ф. Лекарственные растения Оренбуржья (ресурсы, выращивание и использование) / Н. Ф. Гусев. - Оренбург : Издательский центр ОГАУ, 2007. - 132 с.
3. Луканин, В. Н. Промышленно-транспортная экология : учебник для вузов / В. Н. Луканин. - М. : Высшая школа, 2003. - 273 с.
4. Протасов, В. Ф. Экология, здоровье и охрана окружающей среды в России : учеб. и справочное пособие / В. Ф. Протасов. - М. : Финансы и статистика, 2000. - 672 с.
5. Тарасова, Т. Ф. Комплексная оценка степени загрязнения растений придорожной территории улиц промышленного города / Т. Ф. Тарасова, М. Ю. Гарицкая, О. В. Чаловская // Вестник ОГУ. - 2002. - № 3. - С. 15-20.
6. Тарасова, Т. Ф. Химия окружающей среды : учеб. пособие / Т. Ф. Тарасова, М. Ю. Гарицкая, О. В. Малыхина. - Оренбург : Изд-во ОГУ, 2001. - 41 с.
7. Шайхутдинова, А. А. Скрининговая оценка содержания тяжелых металлов в горце птичьем /
A. А. Шайхутдинова // Вавиловские чтения - 2009 : материалы Международной научно-практической конференции. - Саратов : ООО Изд-во «КУБиК», 2009. - С. 175-176.
8. Buszewski, B. Monitoring of Selected Heavy Metals Uptake by Plants and Soils in the Area of Torun /
B. Buszewski, A. Jastrzqsbska, T Kowalkowski, A. Gorna-Binkul // Poland Polish Journal of Environmental Studies. - Vol. 9. - No. 6 (2000). - P. 511-515.
9. Schtitzendtibel, А. Plant responses to abiotic stresses: heavy metal and induced oxidative stress and protection by mycorrhization / Andres Schtitzendtibel and Andrea Polle // Oxford Journals, Life Sciences, Journal of Experimental Botany. - Vol. 53. - Issue 372. - December 2. - 2001. - P. 1351-1365.
