Исследование влияния соединений тяжелых металлов на формирование проростков ячменя Текст научной статьи по специальности «Промышленные биотехнологии»

УДК 581.5

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ СОЕДИНЕНИЙ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ НА ФОРМИРОВАНИЕ ПРОРОСТКОВ ЯЧМЕНЯ

© А.В. Можаров, С.Е. Синютина, М.А. Зайченко

Ключевые слова: экологические факторы; тяжелые металлы; ячмень; морфофизиологические параметры; активность ПФО.

Изучено влияние ряда тяжелых металлов на формирование проростков ячменя. Исследованы морфофизиологические и субклеточные параметры потенциального тест-объекта. Найдены параметры, дающие наибольший отклик в данных условиях. Рассмотрена ферментативная активность, соответствующая условиям проведения эксперимента.

В современном мире техногенное загрязнение стало одним из наиболее значимых экологических факторов, определяющих новые условия существования и эволюции всей биоты, включая человека. Процессы естественного развития экосистем и изменения в их функционировании под влиянием антропогенных воздействий во многом определяются не только силой воздействия или временными характеристиками, но и, в первую очередь, природой действующих факторов. Активное отношение растительного организма к воздействию неблагоприятных факторов проявляется в его адаптивных возможностях. Однако адаптационные механизмы имеют предел: так, большинство видов растений весьма чувствительны к избытку микроэлементов. Установить токсические концентрации для конкретного растения в естественных условиях его произрастания весьма сложно. Видимые симптомы токсичности могут проявиться уже в том случае, когда в растениях происходят необратимые физиологобиохимические изменения. К тому же в тканях культурных растений может накопиться такое количество токсичных элементов, что оно будет опасно для здоровья человека, употребляющего данное растение в пищу. Основными техногенными источниками поступления тяжелых металлов в окружающую среду являются выбросы промышленных предприятий черной и цветной металлургии, металлообрабатывающей, горнодобывающей промышленности, тепловой энергетики, а также автомобильный транспорт. Многочисленными исследованиями установлено, что влияние металлов весьма разнообразно и зависит от их содержания в окружающей среде и степени нуждаемости в них микроорганизмов, растений, животных и человека. Фитотоксичное действие тяжелых металлов проявляется, как правило, при высоком уровне техногенного загрязнения ими почв и во многом зависит от свойств и особенностей поведения конкретного металла [1].

В связи с этим возникает необходимость разрабатывать новые методы индикации превышения концентраций тяжелых металлов в природных средах, причём разрабатываемые методы должны по возможности давать быстрый отклик на изменения в окружающей

среде. Решением этого вопроса стало введение биологического мониторинга, дающего интегральную оценку последствий для представителей живой природы действия комплекса загрязняющих веществ.

Данная работа является продолжением проводимых ранее исследований в этом направлении [2-4]. Целью работы является изучение влияния ионов кобальта и свинца в различных концентрациях на процесс формирования проростков ячменя (сорт Белогородец), являющихся тест-объектом.

Антропогенное загрязнение среды приводит к изменению биохимических характеристик организмов. Одним из ранних ответов на стрессовое воздействие является образование активных форм кислорода (АФК) [5]. Это приводит к необратимой деструкции клеточных мембран и других структур клетки. Поэтому одним из механизмов адаптации растений к напряженности окружающей среды является изменение активности (или содержания) ряда ферментативных и неферментативных компонентов антиоксидантной защиты и ПФО. Более высокая активность ПФО способствует обезвреживанию антропогенных загрязнителей, позволяет сохранить окислительный обмен на определенном стабильном уровне и приводит к увеличению адаптационных возможностей растительного организма [6]. Поэтому перспективным направлением можно считать оценку активности ферментативных систем тест-объектов.

Для достижения цели данной работы были поставлены следующие задачи:

- исследовать влияние ионов кобальта и свинца в концентрациях 1, 5, 10 и 50 ПДК в почве на морфофизиологические параметры тест-объекта;

- исследовать влияние ионов кобальта и свинца в концентрациях 1, 5, 10 и 50 ПДК на изменение активности ферментов тест-объекта;

- оценить возможность применения в качестве потенциального тест-объекта проростков ячменя.

Для достижения этих задач на основе сходных методик, используемых при биологических исследованиях, была разработана и апробирована методика исследования влияния различных концентраций тяжелых

металлов на морфофизиологические параметры растительных тест-объектов [4]. В ходе эксперимента ежесуточно проводился контроль числа проросших зерен, числа и длины проростков корней, длины листового проростка, а также прироста биомассы.

Активность фермента полифенолоксидазы (ПФО) определяли спектрофотометрически в кинетическом режиме (спектрофотометр СФ-2000) при длине волны 420 нм по методике [7], фиксируя значения скорости реакции окисления ферментом пирокатехина за 30 с (V, мин-1).

Влияние ионов кобальта в разных концентрациях. Анализ данных, полученных при изучении влияния ионов кобальта на контролируемые параметры тест-объектов, выявил следующее. Наиболее показательными являются такие параметры, как длина листового проростка и первичного корня (рис. 1, 2). Установлена явная концентрационная зависимость. Выявлено, что концентрации свыше 5 ПДК оказывают подавляющее действие на увеличение длины листового проростка, тогда как концентрации в 1 ПДК, наоборот, обладают стимулирующим действием. Также наблюдаются более замедленные темпы увеличения длины первичных корней в экспериментальных группах по сравнению с кон-

трольной при всех концентрациях, кроме 1 ПДК (1 ПДК оказывает стимулирующее воздействие).

При расмотрении влияния ионов кобальта на остальные параметры (прирост биомассы, процент проросших семян и семян с первичным корнем) зависимость от концентрации вводимого в среду соединения найти не удалось. Однако установлено, что проростки, находящиеся под воздействием полютанта, имеют меньший процент проросших семян и меньший процент семян с первичным корем и прирост биомассы, чем образцы контроля.

Влияние ионов свинца в разных концентрациях. На основании данных, полученных при изучении влияния солей свинца, можно сделать следующие выводы. Наиболее показательными являются такие параметры, как длина проростка и первичного корня (рис. 3, 4). Так, при анализе влияния различных концентраций соединений свинца на длину листового проростков с первого по третий день проведения эксперимента наблюдается равномерное увеличение длины проростков. В конце эксперимента разница возрастает, и проростки, находящиеся в загрязненной среде, имеют меньшую длину, чем образцы контроля. При этом максимальное значение наблюдается при 1 ПДК, а минимальное -при 50 ПДК. Также при исследовании влияния различных концентраций ионов свинца на длину первичного

Рис. 1. Влияние концентрации соединения кобальта на длину проростков

Рис. 2. Влияние концентрации соединения кобальта на протяженность первичного корня 350

День1

Рис. 3. Влияние концентрации соединения свинца на длину проростков

Деньї

Рис. 4. Влияние концентрации солей свинца на протяженность первичного корня

Рис. 5. Изменение активности ПФО во времени

корня установлено, что в первые два дня эксперимента происходит практически равномерное увеличение длины первичных корней при всех значениях ПДК. Тогда как на третий день эксперимента наблюдается заметное расхождение длин первичного корня в контрольной и экспериментальных группах. При этом максимальное значение наблюдается при 1 ПДК, а минимальное -при 50 ПДК.

В остальных случаях (процент проросших семян, процент семян с превичным корнем, прирост биомассы) четкой зависимости от концентрации вводимого в среду соединения не наблюдается. Однако было установлено, что проростки, находящиеся под воздействием ионов свинца, имеют более замедленные темпы прироста биомассы по сравнению с образцами контроля.

Изменение активности ПФО. Отмечено увеличение активности фермента ПФО в первые 3-4 дня после прорастания семян (рис. 5). Однозначных результатов по динамике ферментативной активности в более поздние сроки установить не удалось.

Наиболее показательными являются результаты определения активности ПФО на 3 день после прорастания семян (рис. 6).

Введение солей кобальта и свинца уже в концентрации 1 ПДК вызывает увеличение активности ПФО в анализируемых проростках. В присутствии ионов свинца рост активности фермента коррелирует с увеличением содержания солей свинца. Подобная зависимость наблюдается в присутствии солей кобальта (1 и 5 ПДК). Однако при высоких концентрациях солей кобальта (10 и 50 ПДК) активность фермента снижается, что, возможно, связано с неспецифическим ингибированием фермента. Тем не менее, и в этих условиях активность фермента выше, чем в контрольном опыте.

ВЫВОДЫ

1. Установлено, что наиболее показательными параметрами являются длина листового проростка и длина первичного корня.

соль кобальта соль свинца

Рис. 6. Влияние концентрации солей кобальта и свинца на активность ПФО на 3-й день после прорастания семян

2. Выявлена явная зависимость указанных выше параметров от концентрации вводимых в среду соединений.

3. В присутствии солей кобальта и свинца наблюдается увеличение активности фермента полифенолок-сидазы.

ЛИТЕРАТУРА

1. Экология / под ред. В. В. Денисова. М.: ИКЦ «МарТ», 2006. 768 с.

2. Поздняков А.П., Завершинский А.Н., Емельянов А.В., Можа-ров А.В., Рязанов А.В. Влияние концентрации ряда тяжелых металлов на параметры тест-объекта // Проблемы экологии в современном мире: материалы 5 Всероссийской интернет-конференции (с международным участием). Тамбов, 2008.

3. Поздняков А.П., Можаров А.В., Завершинский А.Н., Емельянов А.В., Рязанов А.В. Разработка методологии интегрированной оценки загрязненности окружающей среды соединениями тяжелых металлов на основании оценки параметров тест-объектов // Сборник научных трудов института естествознания. 2008. Вып. 1.

4. Можаров А.В. Изучение параметров тест-объектов при использовании методов биотестирования // Вестник Тамбовского университета. Серия Естественные и технические науки. Тамбов, 2011. Т. 16. Вып. 2. С. 624-627.

5. Inzu D., Montague M. Oxidative Stress in Plants // Curr. Opin. Biotechnol. 1995. V. 6. P. 153-158.

6. Половникова М.Г., Воскресенская О.Л. Активность компонентов антиоксидазной защиты и полифенолоксидазы у газонных растений в онтогенезе в условиях городской среды // Физиология растений. 2008. Т. 55. С. 777-785.

7. Чупахина Г.Н. Физиологические и биохимические методы анализа растений. Калининград, 2000. 59 с.

Поступила в редакцию 16 ноября 2011 г.

Mozharov A.V., Sinyutina S.E., Zaichenko M.A. INVESTIGATION OF EFFECT OF HEAVY METAL COMPOUNDS ON FORMATION OF BARLEY SEEDLINGS

The influence of some heavy metals on the formation of barley seedlings was studied. Morphological and subcellular parameters of the potential test-object were investigated. The parameters that give the greatest response in these conditions were founded. The enzymatic activity corresponding to the experimental conditions was considered.

Key words: environmental factors; heavy metals; barley; morphological parameters; PPO activity.