CC BY
19ИЗВЕСТИЯ ВЫСШИХ УЧЕБНЫХ ЗАВЕДЕНИЙ
Т 58 (6) ХИМИЯ И ХИМИЧЕСКАЯ ТЕХНОЛОГИЯ 2015
JI.H. Ольшанская, A.C. Халиева, О.В. Титоренко
ЛОКАЛИЗАЦИЯ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ (Pb, Ni) В ТКАНЯХ И ОРГАНАХ ФАСОЛИ И СОИ В ПРОЦЕССЕ ИХ ИЗВЛЕЧЕНИЯ ИЗ ПОЧВЫ БЕЗ ВОЗДЕЙСТВИЯ И ПРИ ДЕЙСТВИИ МАГНИТНОГО ПОЛЯ И УФ-ОБЛУЧЕНИЯ НА СЕМЕНА РАСТЕНИЙ
(Энгельсский технологический институт (филиал) Саратовского государственного технического университета им. Ю.А. Гагарина)
e-mail: ecosl23@mail.ru
Проведены гистохимические исследования по накоплению и распределению свинца и никеля в фитомассе фасоли и сои без предварительной обработки и при действии постоянного магнитного поля и УФ- облучения на семена растений. Показано, что локализация металлов происходит преимущественно в корнях растений, которые защищают стебли и листья от поллютантов. Физические поля оказали благоприятное воздействие на растения, повышая их жизнестойкость.
Ключевые слова: локализация, тяжелые металлы (Pb, Ni), фасоль, соя, магнитное поле, УФ-облучение
В последнее время, в связи с возрастающим загрязнением окружающей среды тяжелыми металлами, попадающими в биосферные комплексы от предприятий химической, машиностроительной отраслей промышленности, изучение реакций живых организмов, в том числе растений на указанные вещества является важной экологической проблемой. Развитие методов очистки почв от ионов тяжелых металлов с помощью растений также повышает интерес к выявлению механизмов взаимодействия растений с металлами.
При разработке мероприятий по охране природной среды от загрязнения техногенными выбросами необходимо учитывать поступление тяжелых металлов в растения из атмосферы через листовую поверхность, из почвы через корневую систему, а также влияющие на них факторы.
Важное место при исследовании влияния тяжелых металлов на растения занимает изучение процессов их поглощения и передвижения. Растения способны поглощать из окружающей среды в больших или меньших количествах практически все химические элементы. С позиции минерального питания, тяжелые металлы можно разделить на две группы [1-3]: 1) необходимые в незначительных концентрациях для метаболизма растений (Бе, Си, Ъ\\. Мп, Мо, N1), которые становятся токсичными, если их содержание превышает опреде-
ленный уровень; 2) металлы, не участвующие в метаболизме растений (РЬ, Сс1. Нд), которые токсичны даже в очень низких концентрациях.
В силу ряда биологических особенностей растения вынуждены поглощать большинство тяжелых металлов. Поэтому вопрос о локализации металлов в растительном организме имеет большое значение при изучении их токсического действия и механизмов устойчивости. Разные органы, ткани и даже различные клетки внутри одной ткани растения по-разному накапливают металлы; их распределение в целом организме может быть крайне неравномерным. В настоящее время разработаны простые в использовании гистохимические методы, которые позволяют оценить распределение, накопление и пути передвижения металлов в растениях [4-8]. В их основе лежит образование окрашенных комплексов исследуемого металла и подобранного к нему реагента в клетках и тканях растения. В сочетании с методами определения суммарного содержания металлов в органах растений гистохимические методы позволяют выстроить полную картину взаимодействия металла и растения. Кроме того, они могут служить хорошими экспресс-методами в полевых экологических исследованиях загрязнений окружающей среды.
Нами исследовано распределение свинца в тканях фасоли (РкаяеоШя т^апя) (рис. 1) и сои
(Glycine maxj (рис. 2) без воздействия на семена растений внешних физических полей, и после обработки их в ПМП (Н=2 кА/м) и УФ-облучения (/.=260 нм), а также распределение никеля в сое (рис. 3) без воздействия и при действии на семена растений УФ-облучения.
Приготовление модельных растворов, содержащих ионы тяжелых металлов (ИТМ), осуществляли путем растворения соответствующего количества соли (табл. 1) в 0,25 л воды. На основании литературных данных [9-12] были выбраны ПДК металлов в почве: 5, 10, 15 и 20 ПДК. Брали подвижную форму металлов в почве [13].
Таблица 1
Приготовление модельных растворов солей тяжелых металлов Table 1. Préparation of model solutions of heavy metals salts
В настоящем исследовании за систему отсчета количества ИТМ в почве была принята величина ПДК, а не количество элемента в мг/кг почвы [11-13]. Это сделано из соображения, что разные металлы содержатся в почве в различных несопоставимых, если их выражать в мг, количествах, различающихся на два порядка, и, кроме того, они обладают различной степенью токсичности. Такой подход позволил сопоставить силу воздействия различных ИТМ между собой.
Для изучения высших растений под воздействием внешних физических полей (ВФП: постоянного магнитного поля с напряженностью Н=2 кА/м и ультрафиолетового излучения с длиной волны /.=260 нм), производили предварительное облучение семян сои и фасоли в течение 1, 6 и 24 ч. В качестве источника ПМП использовали установку марки Б5-43, В качестве источника УФ-излучения выступала бактерицидная лампа марки СБПе 3x30 Вт, с постоянным УФ-В излучением длиной волны /.=260 нм. Облучаемые семена находились на расстоянии 1 м от источника света.
Облученные и предварительно пророщен-ные семена фасоли и сои высеивали на глубину 2-3 см. Пробы почв были отобраны из пахотного
горизонта - это средний суглинок, характерный для Саратовской области. Почва была предварительно очищена от корней, камней и других включений, просеяна через сито с размером ячеек 2 мм.
На 1 кг почвы вносили определенное количество ионов металлов (табл. 1) из солей, предварительно растворенных в 250 мл воды. Добавленные растворы поллютантов тщательно перемешивали с почвой. Повторные поливы производили через 1-2 дня, по мере высыхания почвы.
По истечении всего периода роста (28 дней) отбирали пробы растений (стеблевую часть и корень) и изучали изменения, произошедшие в них путем определения погибших клеток методом витального окрашивания. Живые клетки сильно ограничивают проницаемость внутрь органических веществ, и помещенные в раствор красителя они практически не окрашиваются. В мертвые клетки краска проникает свободно.
Для исследования изменений, происходящих с растениями, в работе использовали микроструктурный метод анализа. Срезы растений для определения свинца предварительно окрашивали дитизоном, для определения никеля - диметилгли-оксимом, эти красители легко проникают в мертвые ткани и клетки растения. Срезы накрывали покровным стеклом и анализировали на микроскопе «МИНИМЕД-502» при 100-кратном увеличении. Фотографии препаратов делали с помощью цифрового фотоаппарата. Масштаб определяли объект-микрометром отраженного света ОМО. Снимки обрабатывали на компьютере с использованием программы Gimp 2.8.
По окрашенной площади судили о распределении металла в фитомассе, процессах цито-плазмолиза или некроза растений.
Анализ полученных данных указывает на то, что активное накопление свинца наблюдается в корнях растений фасоли и сои (рис. 1 г-е и 2 в-е). Было отмечено окрашивание корневых волосков, ризодермы, паренхимы корня.
Следует отметить, что без воздействия ВФП (рис. 1г и 2 в, г) присутствие металла в растениях фасоли и сои было выражено особенно явно ~ 90% площади корня было окрашено и проявлялись признаки цитоплазмолиза и некроза растений. Воздействие УФ и ПМП (рис. 1д, е и рис. 2д, е) оказало щадящее действие, фитомасса растений была более «живой» (зеленовато-бурая, по сравнению с коричневой) и явных признаков цито-плазмолиза и некроза не наблюдалось.
В тканях стебля и листьях присутствие свинца (то есть витального окрашивания) отмерших клеток и фасоли (рис. 16, в) и сои (рис. 2а, б) практически не выявлено.
Соль для приготовления модельных раствора ПДК ИТМ в почве [13], мг/кг Сн, ИТМ ПДК/(мг/кг) Вносимое количество, солей, г/кг почвы
Pb(NC>3)2 Pb2+-6,0 5 / 30 0,0480
10 / 60 0,0960
15 / 90 0,1440
20 / 120 0,1920
NiSO4-7H2O Ni2+-4,0 5 / 20 0,0956
10 / 40 0,1913
15 / 60 0,2869
20 / 80 0,3826
Рис. 1. Микроструктура фасоли. Поперечный срез стебля фасоли: а-контроль; б- 5 ПДК РЬ +УФ (6 ч); в-15 ПДК РЬ без ВФВ;
поперечный срез корня фасоли: г- 10 ПДК РЬ без ВФВ; д - 5 ПДК РЬ+ УФ (6 ч)е - 15 ПДК РЬ + ПМП (6 ч) Fig. 1. Microstructure of bean. Cross section of bean stem: a - control; b — 5 MPC Pb + UV (6 h); с -15 MPC Pb without external physical factors (EPF). Cross section of the bean root: d - 10 MPC without EPF; e - 5 PMC Pb +UV (6 h); f- 15 MPC Pb + constant magnetic field CMF (6 h)
Рис. 2. Микроструктура сои. Поперечный срез стебля сои: а-15 ПДК РЬ без ВФП; 6-5 ПДК РЬ2+ + ПМП (24 ч); поперечный
срез корня сои: в- 10 ПДК РЬ без ВФП; г - 20 ПДК РЬ без ВФП; д - 10 ПДК РЬ + ПМП (6 ч); е - 15 ПДК РЬ + УФ (6 ч) Fig. 2. Microstructure of soybean. Cross section of soybean stem: a-15 MPC Pb without EPF; b —5 MPC Pb2+ + CMF (24 h). Cross section of " the soybean root: с - 10 MPC Pb without EPF; d - 20 PMC Pb without EPF; e - 10 MPC Pb + CMF (6 h); f- 15MPC Pb + UV (6 h)
Рис.3. Микроструктура сои. Поперечный срез стебля сои: а-15 ПДК №2+без УФ; 6-5 ПДК Ni2++ УФ (24 ч); в - 15 ПДК Ni2++ УФ (24 ч);поперечный срез корня сои: г- 10 ПДК №2+без УФ; д - 5 ПДК Ni2++ УФ (24 ч);е - 10 ПДК №2++ УФ (6 ч); ж - 10 ПДК
№2++ УФ (24 ч); з -15 ПДК Ni2++ УФ (6 ч) Fig. 3. Micro structure of soybean. Cross section of soybean stem: a -15 MPC Ni without UV; b - 5 MPC Ni + UV (24 h); с -15 MPC Ni2+ + UV (24 h);Cross section of the root of soybean: d - 10 MPC Ni without UV; e - 5 PMC Ni2+ +UV (24 h); f - 10 MPC Ni2+ + UV (6 h); g - 10
MPC Ni2+ + UV (24 h); h -15 MPC Ni2+ + UV (6 h)
Полученные результаты свидетельствуют о том, что локализация свинца происходит преимущественно в корне растения, ткани которого выполняют барьерную функцию (эндодерма), защищая стебли и листья, а также генеративные органы от поллютанта, что согласуется с литературными данными [4-6].
Воздействие ВФП (при одинаковых концентрациях ионов РЬ2+) привело к большей жизнеспособности растений и содержанию в них боль-
шего количества влаги (табл. 2), а, следовательно, и больше клеточного электролита, необходимого для эффективного протекания биохимических процессов в клетках и тканях растений. Определение влажности проводили в соответствии с ГОСТ 27548-97 [14].
Анализ данных по фиторемедиации никеля [7,8] растением сои указывает на то, что активное накопление никеля, также как и свинца, наблюдается преимущественно в корнях растения
(рис. 3 г-и). Было также отмечено окрашивание корневых волосков, ризодермы, паренхимы корня. Следует отметить, что без воздействия УФ (рис. Зг) присутствие металла в растениях сои даже при более низких концентрациях было более выражено по сравнению с растениями, подвергнутыми воздействию ультрафиолета при одинаковых концентрациях никеля (рис. 3 д, е). Была окрашена большая площадь корня и проявлялись признаки цитоплазмолиза и некроза растений.
Таблица 2
Влияние природы и концентрации ионов РЬ2+ и со-четанное воздействие ионов РЬ2+ и ПМП (УФ) на содержание влаги в растениях— фиторемедиантах Table 2. The influence of the nature and concentration of Pb2+ ions and the combined effect of Pb2+ ions and CMF
Примечание: К* - контроль без внесения в почву ИТМ и воздействия ВФП
Notes: С*— control without adding of heavy metal ions into soil and without effect of EPF
Воздействие УФ (рис. 3 д, е) оказало щадящее действие, фитомасса растений была бледно бурой, а не коричневой и признаков цитоплазмолиза и некроза не наблюдалось.
В тканях стебля присутствие никеля, в виде витального окрашивания отмерших клеток сои (рис. 3 а-в) практически не обнаружено.
Таким образом, локализация никеля также происходит преимущественно в корне растения, выполняющего барьерную функцию, и предотвращающего попадание поллютантов в стебли растения.
У растений, в связи с преимущественным накоплением Ni в корнях, рост корня ингибирует-ся сильнее, чем рост побега, поэтому «корневой» тест широко применяется для оценки токсичности тяжелых металлов и других токсикантов [15] используя параметр ЬС50 - концентрацию металла, вызывающую 50%-ное ингибирование роста корня. Используя LC50, металлы по убыванию их ток-
сического действия на рост корня проростков Lolium регеппе были расположены в следующем порядке [16]:
Cu>Ni>Mn>Pb>Cd>Zn>Al>Hg>Cr>Fe. Для других видов растений были получены иные ряды токсичности тяжелых металлов, что может быть связано с различной устойчивостью разных видов растений. Полученные ряды токсичности не отражают истинную токсичность самих металлов, так как для расчетов были использованы не молярные, а весовые концентрации.
ВЫВОДЫ
Проведенные исследования позволили установить, что локализация свинца и никеля происходит преимущественно в корнях растений, ткани которых выполняют барьерную функцию, защищая стебли и листья, а также генеративные органы от воздействия поллютантов. Установлено, что предварительная обработка семян фасоли и сои УФ-излучением (/.=290 нм) и в постоянном магнитном поле при напряженности 2 кА/м оказала благоприятное воздействие на растения в процессе извлечения металлов из почвы. При одинаковых условиях они были более жизнеспособны, в фитомассе содержалось большее количество влаги, а, следовательно, и большее количество клеточного электролита, необходимого для эффективного протекания биохимических процессов в клетках и тканях растений.
Работа поддержана Министерством образования и науки РФ в рамках проектной части государственного задания, № госсрегистрации 114112570078.
ЛИТЕРАТУРА
1. Чиркова Т. В. Физиологические основы устойчивости растений. С-Пб: Изд-во С-Пб. ун-та. 2002. 244 е.; Chirkova T.V. Physiological bases of plant tolerance. St. P. 2002. 244 p. (in Russian).
2. Бокова М.И., Ратникова A.H. // Химия в сельском хозяйстве. 1995. № 5. С. 56-58;
Bokova M.I., Ratnikova A.N. // Khimiya v selskom khozyaiystve. 1995. N 5. P. 56-58 (in Russian).
3. Иванов В.Б., Быстрова Е.И., Серегин И.В. // Физиология растений. 2003. Т. 50. С. 445-454;
Ivanov V.B., Bystrova E.I., Seregin I.V. // Fiziologiya ras-teniy. 2003. V. 50. P. 445-454 (in Russian).
4. Серегин И.В., Кожевникова А.Д. // Физиология растений. 2011. Т. 58. № 4. С. 617-623;
Seregin I.V., Kozhevnikova A.D. // Fiziologiya rasteniy. 2011. V. 58. N 4. P. 617-623 (in Russian).
5. Серегин И.В., Шпигун JI.K., Иванов В.Б. // Физиология растений. 2004. Т. 51. №4. С. 582 -591;
Seregin I.V., Shpigun L.K., Ivanov V.B. // Fiziologiya rasteniy. 2004. V. 51. N 4. P. 582-591 (in Russian).
6. Серегин И.В. // Физиология растений. 2001. Т. 48. № 4. С. 606 — 630;
Seregin I.V. // Fiziologiya rasteniy. 2001. V. 48. N 4. P. 606-630 (in Russian).
(UV) on the moisture content in plants
Растение К* ПДК Без РЬ2++ПМП, ч РЪ2++УФ, ч
ИТМ ВФП 1 6 24 1 6
5 85,0 85,3 82,3 92,6 99,1 95,1
Салат 91,4 10 87,5 92,8 79,6 93,5 92,6 95,2
15 86,1 90,2 82,5 93,6 98,8 96,0
20 83,3 86,5 80,0 76,0 96,6 94,9
5 81,3 82,8 84,1 84,1 88,2 86,1
Фасоль 88,4 10 82,5 90,5 82,5 88,1 86,9 85,9
15 81,2 94,7 81,6 76,1 85,8 84,9
20 78,2 85,2 83,7 87,5 79,4 79,9
5 76,1 80,3 80,5 89,3 83,5 87,5
Соя 86,7 10 80,0 75,4 72,8 82,4 85,4 84,7
15 81,0 75,0 78,3 72,2 86,0 89,7
20 77,6 72,8 80,4 77,4 79,2 79,3
7. Еремеева Ю.В., Ольшанская JI.H. Будущее машиностроения России: электронный сборник трудов Седьмой Всероссийской конференции молодых ученых и специалистов. М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана. 2014. 1 электрон, опт. диск (CD-ROM);
Eremeeva Yu.V., Olshanskaya L.N. Future of mechanical engineering of Russia. CD-ROM collection of VII All-Russia. Conference of young scientists and experts. M.: MGTU.2014 (in Russian).
8. Еремеева Ю.В., Ольшанская JI.H. // Будущее машиностроения России. Сб. трудов VII Всероссийск. конф. молодых ученых и специалистов. М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана. 2014. С. 249-251;
Eremeeva Yu.V., Olshanskaya L.N. // Future of mechanical engineering of Russia: Seventh All-Russian Conference of Young Scientists and Specialists. M.: Bauman Moscow State Technical University. 2014. P. 249-251 (in Russian).
9. Линдиман A.B. , Шведова JI.B., Тукумова H.B., Невский А.В. // Экология и пром-ть России. 2008. Сентябрь. С. 45-47;
Lindiman A.V., Shvedova L.V., Tukumova N.V., Nevsky A.V. // Ecologiya i promyshlennost Rossii. 2008. September. P. 45-47 (in Russian).
10. Смирнова H.B., Шведова Л.В., Невский A.B. // Экология и пром-ть России. 2005. Апрель. С. 32 -35; Smirnova N.V., Shvedova L.V., Nevsky A.V. // Ecologiya i promyshlennost Rossii. 2005. April. P. 32-35 (in Russian).
11. Колесников С.И., Казеев К.Ш. , Вальков В.Ф. // Почвоведение. 2002. № 12. С.1509-1514;
Kolesnikov S.I., Kazeev K.Sh., Valkov V.F. //
Pochvovedenie. 2002. N 12. P. 1509-1514 (in Russian).
12. Колесников С.И., Жаркова М.Г., Казеев К.Ш., Вальков В.Ф. // Экология и промышленность России. 2009. Август. С. 34-36;
Kolesnikov S.I., Zharkova M.G., Kazeev K.Sh., Valkov V.F.
// Ecologiya i promyshlennost Rossii. 2009. August. P. 34-36 (in Russian).
13. ГН 2.1.7.2041 - 06 «Предельно допустимые концентрации (ПДК) химических веществ в почве». М.: Изд-во стандартов. 2006. 8 с. http://www.opengost.ru
HS 2.1.7.2041-06 "Maximum permissible concentration
M. 2006. 8 p. (in
Russian). http://www.opengost.ru
14. ГОСТ 27548 - 97 «Корма растительные. Методы определения содержания влаги». М.: Стандартинформ. 2005. 8 е.; RF State Standard 27548 - 97. Vegetable feeds. Methods for determination of moisture content. M.: Standartinform. 2005. 8 p. (in Russian).
15. Чеснокова T.A., Шведова Л.В., Терехова A.C., Невский A.B. // Экология и пром-ть России. Декабрь. 2010. С. 34-36;
Chesnokova T.A., Shvedova L.V., Terekhova A.S., Nev-
sky A.V. // Ecologiya i promyshlennost Rossii. 2010. December. P. 34-36 (in Russian).
16. Ваулина Э.Н., Аникеева И.Д., Коган И.Г. // Цитология и генетика. 1978. Т. 12. № 6. С. 497 - 502;
Vaulina E.N., Anikeeva I.D., Kogan I.G. // Tsytologiya i genetika. 1978. V. 12. N 6. P. 497-502 (in Russian).
