CC BY
19Ученые записки Крымского федерального университета имени В. И. Вернадского Биология. Химия. Том 6 (72). 2020. № 1. С. 134-149.
УДК 57.044
DO110.37279/2413-1725-2020-6-1-134-149
ОТВЕТНАЯ РЕАКЦИЯ АНТИОКСИДАНТНЫХ СИСТЕМ ТРАВЯНИСТЫХ РАСТЕНИЙ НА ПОВРЕЖДЕНИЕ КЛЕТОК В УСЛОВИЯХ ТЕХНОГЕННОГО ЗАГРЯЗНЕНИЯ ГОРОДСКОЙ СРЕДЫ
Петухов А. С., Хритохин Н. А., Петухова Г. А., Кремлева Т. А.
ФГАОУ ВО «Тюменский государственный университет», Тюмень, Россия
E-mail: revo251@mail.ru
Исследовано содержание продуктов перекисного окисления, каротиноидов, фенолов, флавоноидов и активности каталазы в травах г. Тюмени из зон с различной антропогенной нагрузкой. В качестве объекта исследования использовали мать-и-мачеху (Tussilago farfara) и клевер красный (Trifolium rubens), которые отбирали в условно чистом районе, а также вблизи автотрассы, моторостроительного, нефтеперерабатывающего, аккумуляторного и металлургического заводов. Содержание Cu, Mn, Fe, Pb, Zn в почвах городской среды оказалось повышенным по сравнению с условно чистым районом. Содержание продуктов перекисного окисления липидов в клетках растений оказалось снижено по сравнению с контролем. Каротиноиды оказались наиболее уязвимым элементом антиоксидантной системы. Изменение содержания фенолов и флавоноидов оказалось видоспецифичным и не односторонним. Увеличение активности каталазы по сравнению с контролем, вероятно, обеспечило снижение содержание диеновых конъюгатов и оснований Шиффа в условиях городской среды. Ключевые слова: продукты перекисного окисления липидов, фенолы, флавоноиды, каротеноиды, каталаза, антиоксиданты, городская среда.
ВВЕДЕНИЕ
В связи с возрастающим уровнем антропогенной деятельности клетки растений вынуждены испытывать постоянный стресс. Увеличение объемов промышленного производства, интенсификация сельского хозяйства, рост количества автомобильного и железнодорожного транспорта создает риск накопления токсикантов в растениях. Аккумуляция тяжелых металлов (ТМ), пестицидов и нефтепродуктов в организме может привести к ряду биохимических нарушений в клетке [1, 2].
Перекисное окисление липидов (ПОЛ) является одним из наиболее распространённых повреждения клеток в неблагоприятных условиях окружающей среды [3]. Инициаторами ПОЛ являются свободные радикалы HO2 , RO , ROO и повышенные концентрации активных форм кислорода (АФК) - синглетной формы кислорода, перекиси водорода супероксидного анион радикала, гидроксильного аниона и радикала [4]. Первичными продуктами ПОЛ являются диеновые конъюгаты, а конечными - основания Шиффа. Важнейшим результатом процесса ПОЛ является увеличение проницаемости клеточных мембран, что приводит к
энергетическому голоду клетки и потере мембраной барьерных функций [3, 5]. Известно, что ТМ способны ингибировать скорость транспорта электронов на мембранах митохондрий и хлоропластов, нарушать структуры биомолекул, активировать липоксигеназу и тем самым провоцировать ПОЛ [6]. ТМ переменной валентности могут выступать в качестве катализатора процесса ПОЛ [7].
Для контроля уровня АФК и процессов ПОЛ в клетках растениям необходимы антиоксиданты. Передовой линией защиты является фермент каталаза. Каталаза относится к хромопротеидам, имеющим в качестве простетической группы окисленный гем. Каталаза расщепляет перекись водорода с образованием молекул воды и кислорода [8].
Фенольные антиоксиданты являются одними из наиболее эффективных перехватчиков свободных радикалов радикалов. Антиокислительным действием обладают фенилаланин и триптофан, убихиноны, витамины Е и К, большая часть растительных и животных пигментов [9]. В растениях фенольные соединения могут содержаться в свободном состоянии или в связанной форме в виде гликозидов. Фенолы способны напрямую хелатировать ионы ТМ карбоксильными и фенольными группами. Также фенольные соединения могут связывать свободные радикалы путем донирования протонов или электронов [10].
Флавоноиды также выполняют защитные функции в растительных клетках и относятся к классу фенольных соединений. Наиболее изученными антиоксидантами из ряда флавоноидов являются кверцитин и рутин, которые способны гасить свободные радикалы за счет протонов от ортогидроксилов фенольного кольца. Известно, что активность ферментов, генерирующих АФК (циклооксигеназ, липоксигеназ и других) снижается в присутствии флавоноидов Флавоноиды ингибируют действие ферментов. Кроме того, флавоноиды также хелатируют ионы тяжелых металлов [11].
К числу растительных антиоксидантов также относят каротиноиды [12]. Каротиноиды способны защищать от окислительного повреждения пигменты и ненасыщенные жирные кислоты, входящие в состав липидов, за счет связывания АФК, в первую очередь, синглетной формы кислорода [13].
Баланс оксидативного стресса и антиоксидантного ответа является условием выживания растений в условиях антропогенного загрязнения. В связи с этим исследование содержания продуктов ПОЛ и активности антиоксидантов является актуальной научной задачей. Отдельный интерес представляет изучение совместного действия различных антиоксидантов в ответ на воздействие стресса и выявление наиболее эффективной системы защиты, что может быть полезно как с точки зрения экологического мониторинга, так и с точки зрения изучения механизмов воздействия поллютантов на клетки.
Целью исследования стало изучение содержания продуктов ПОЛ и активности антиоксидантных систем в клетках мать-и-мачехи и клевера красного в условиях городской среды.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ
Пробы почв и растений отобраны в конце июля 2017 в районе города Тюмени на следующих участках:
1) Контроль - участок на удалении 5 километров от антропогенных источников;
2) Автотрасса - район п. Винзили, 30 км от г. Тюмени, удаление от автотрассы не более 30 метров;
3) Моторостроительный завод - г. Тюмень, участок на удалении 200 метров от предприятия «Тюменские Моторостроители»;
4) НПЗ - г. Тюмень, участок на удалении 200 метров от предприятия Антипинского нефтеперерабатывающего завода;
5) Аккумуляторный завод - г. Тюмень, участок на удалении 200 метров от предприятия;
6) УГМК (Уральская горно-металлургическая компания) - г. Тюмень, участок на удалении 200 метров к югу от предприятия «УГМК-Сталь» вблизи автотрассы;
7) УГМК 2 - г. Тюмень, участок на удалении 50 метров от предприятия «УГМК-Сталь»;
На каждом участке были выбраны пять площадок, с которых срезали надземную часть растений. Для исследования выбраны мать-и-мачеха (Tussilago farfara) и клевер красный (Trifolium rubens), как наиболее широко распространенные виды растений районах исследования. Анализ диеновых конъюгатов и оснований Шиффа проводился в гептановых экстрактах на длине волны 233 нм и 365 нм соответственно [14]. Исследование содержания каротиноидов проведено спектральным анализом спиртовых экстрактов на длине волны 440 нм [15]. Содержание растительных фенолов в пересчете на танин оценивали согласно фармакопейной статье путем титрования перманганатом калия водного экстакрта растений по индигокармину до достижения золотисто-желтого окрашивания [16]. Определение флавоноидов, родственных рутину, проводилось проведением цветной реакции флавоноидов из спиртовых экстрактов растений с хлоридом алюминия и последующим измерением оптической плотности продукта реакции на ^=410 нм [17]. Анализ активности каталазы в растениях проводился с помощью спектрофотометрии путем проведения цветной реакции между молибдатом аммония и перекисью водорода с последующим измерением оптической плотности продуктов реакции на ^=470 нм [18].
Пробы почвы отбирали методом конверта на глубину 10 см. После этого воздушно-сухую массу почвы усредняли по методу квартования, перетирали и просеивали через сито. Анализ содержания металлов проводили с помощью атомно-абсорбционного спектрофотометра «ContrAA 700» (Analytic Jena, Германия) с использованием ацетатно-аммонийного буфера с pH=4,8 (определение подвижных форм металлов) и экстрактов 1M HNO3 (определение кислоторастворимых форм) по РД 52.18.289-90 и РД 52.18.191-89 соответственно. Все измерения проводились в трех повторностях. Полученные результаты подвергнуты стандартной статистической обработке в программе Statistica 10.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
В изученных пробах почв г. Тюмени выявлено загрязнение Бе на всех исследованных участках, по сравнению с контролем, а также загрязнение РЬ в районе аккумуляторного завода (с превышением ПДК) (Таблица). Кроме того, выявлено превышение фоновых значений по содержанию Си, Мп и Zn на всех изученных участках. Содержание Сё во всех исследованных пробах почвы находилось на уровне предела определения (<1 мг/кг). Доля подвижных форм тяжелых металлов в почве убывала в следующем ряду: Мп^п>Си>Бе. Наиболее высокие концентрации всех тяжелых металлов в почве наблюдалось в районе аккумуляторного и металлургического заводов.
Таблица
Содержание тяжелых металлов (мг/кг) в почвах г. Тюмени в 2017 году (над чертой - подвижные формы, под чертой - кислоторастворимые формы)
Cd Cu Fe Mn Pb Zn
Контроль 0.31+0.18 0,56+0,07 0.38+0.06 3,77+0,07 123+6.00 32600+1080 57.5+5.61 163+8,00 16.1+4.80 13,3+5,14 1.64+0.02 9,60+3,33
Автотрасса 0.40+0.08 0,43+0,08 0.44+0.07 1,19+0,20 88.4+11.1 15600+1370 62.1+7.73 184+12,0 6.12+1.87 10,3+3,55 1.45+0.03 6,78+0,11
Мотор. завод 0.17+0.10 0,13+0,09 0.94+0.15 5,93+0,53 34.5+3.20 40000+1200 56.1+7.70 247+27,0 12.8+6.78 10,5+2,53 3.45+0.08 29,1+6,85
НПЗ 0,77+0,14 0,63+0,14 0.77+0.12 4,24+0,22 39.5+8.47 32000+3690 52.5+5.12 272+9,00 9.44+4.04 10,4+3,95 1.73+0.12 17,4+1,66
Аккум. завод 0.26+0.17 0,29+0,04 0.86+0.14 13,6+1,89 46.9+2.64 79800+4250 86.6+5.62 462+18,0 29.0+2.19 91,1+5,40 2.46+0.03 48,7+7,48
УГМК 0.27+0.13 0,24+0,15 0.84+0.14 9,58+0,35 38.2+6.18 77000+6280 56.0+2.32 372+16,0 13.6+5.21 10,6+2,62 1.38+0.01 29,1+4,55
УГМК 2 0.66+0.15 0,66+0,12 0.23+0.04 9,70+0,70 33.1+2.05 80300+4120 84.8+4.94 382+77,0 13.4+0.27 10,5+3,72 2.41+0.09 35,1+5,60
Содержание продуктов ПОЛ является индикатором стресса организма в неблагоприятных условиях и биохимического повреждения клеток.
Было обнаружено, что содержание диеновых конъюгатов и оснований Шиффа в клетках клевера красного снижено до 40 % и 60 % соответственно по сравнению с контролем (рис. 1). Сходный результат был зарегистрирован и для мать-и-мачехи: содержание диеновых конъюгатов и оснований Шиффа снижено до 50 % и 70 % относительно контрольного уровня (рис. 2).
Наиболее сильное воздействие на уровень продуктов ПОЛ выявлено в районе металлургического завода УГМК (участки УГМК и УГМК 2). Близость к металлургического заводу, выраженная на участке УГМК 2, оказывало более сильный эффект на содержание продуктов ПОЛ, со сравнению с участком УГМК.
Вероятно, это связано с большей вероятностью накопления токсикантов в растениях вблизи завода.
Степень действия поллютантов на содержание продуктов ПОЛ вблизи моторостроительного, нефтеперерабатывающего и аккумуляторного заводов оказалась примерно одинаковой и менее выраженной, по сравнению с металлургическим заводом. Близость растений к автотрассе обладала наименьшим эффектом на процесс ПОЛ. Это может быт связано с тем, что промышленные предприятия находятся вблизи автотрасс, таким образом, влияние оказывает комплекс предприятия+автотрасса, что обладает большим эффектом, чем изолированное влияние автотрассы.
25 ей
в 20 Е И 15 1 * * * * ж *
< 10 ■ н и н 5 о ^ 0 * * * *
Основания Шнффа ■ Контроль ■ УГМК ■ ППЗ Аккумулятор НЬП! з-д Дне но вы конъюгаты ■ Автотрасса ■ УГМК 2 Моторостроительный з-д
Рис. 1. Содержание продуктов ПОЛ в клевере красном из различных техногенных зон г. Тюмени
Примечание: * - статистически достоверные различия между контроле м и вариантом опыта (Р<0,05)
10 -| = 9 1 6 и < * * * * *
щ 3 5 2 > 1 0 - И« * *
Основания Шпффа Диеновы конъюгаты
■ Контроль ■Автотрасса ■УГМК2 НПЗ ■ Аккуму ЛИ'тирный .ч-д I УГМК Моторостроительный з-д
Рис. 2. Содержание продуктов ПОЛ в мать-и-мачехе из различных техногенных зон г. Тюмени
Снижение содержания продуктов ПОЛ в клетках мать-и-мачехи и клевера красного может быть обусловлено следующими причинами. По всей вероятности, антиоксидантные системы мать-и-мачехи и клевера красного успешно активизируеются в условиях стресса, ликвидируют избыток активных форм кислорода и тем самым предотвращают развитие процессов ПОЛ. Растения, произрастающие в неблагоприятных условиях окружающей среды, могли выработать механизмы блокирования поступления токсикантов с помощью хелатирования их в клетках корня или в прикорневой среде. Кроме того, в антропогенно загрязненной среде вероятен отбор растений на генетическом уровне и выживание наиболее приспособленных к данным условиям. Устойчивость изучаемых растений к содержанию ТМ в окружающей среде прослеживается по отрицательным корреляциям содержания Fe и Mn в почвах с уровнем оснований Шиффа и диеновых конъюгатов (r=-0,54 —0,68). Снижение содержания продуктов ПОЛ при действии стресс-факторов выявлено ранее в модельных экспериментах при действии определенных концентраций Cd на пырей ползучий (Elytrigia repens) [19] и томаты (Solanum lycopersicum) [20]. Воздействие смеси Pb, Cd и Hg на канделию (Kandelia candel) также привело к снижению содержания продуктов ПОЛ, при этом наблюдалось активация антиоксидантов [21].
Содержание каротиноидов в клетках растений находилось в диапазоне от 150 до 270 мг/100 г (рис. 3). Практически во всех пробах из исследуемых участков содержание каротиноидов оказалось ниже, чем в контрольном варианте на 5-40 %, причем более чувствительным оказался фотосинтетический аппарат мать-и-мачехи.
Рис. 3. Содержание каротиноидов в клетках растений из различных техногенных зон г. Тюмени.
Тяжелые металлы способны снижать содержание каротиноидов в растениях путем нарушения их синтеза, в связи с ингибированием активности ферментов
биосинтеза в присутствии ТМ. Кроме того, известно, что функционирование мембран хлоропластов и работа белков фотосистемы II ингибируется в условиях аккумуляции тяжелых металлов [12]. Снижение содержания каротиноидов наблюдалось при обработке ростков пшеницы (ТтШсиш aestivum) Zn и Cr в модельных условиях [22], а также при анализе лебеды садовой (Агпр1ех hortensis), выросшей в загрязненной ТМ почве [23]. В нашем исследовании была зафиксирована отрицательная корреляция между содержанием Fe и Mn в почве и концентрацией каротиноидов в клетках (г=-0,61; -0,60).
Содержание каротиноидов в клетках клевера и мать-и-мачехи снижалось в наибольшей степени в районе нефтеперерабатывающего и металлургического предприятий, что указывает на пагубное влияние накопления нефтепродуктов и ТМ на содержание пигментов фотосинтеза. В то же время близость растений к автотрассе практически не сказалась на содержании каротиноидов.
Ответная реакция фенольных антиоксидантов (в пересчете на танин) и флавоноидов, родственных рутину, в растениях, произрастающих в антропогенной среле, оказалась видоспецифичной (рис. 4).
14
Тгфпшп гиЬет ТшъПа^о [аг[ага
■ Контроль ■ Автотрасса ■ УГМК
■ УГМК 2 ■ НПЗ ■ Моторостроительный з-д
■ Аккумуляторный з-д
Рис. 4. Содержание фенольных антиоксидантов в растениях из различных техногенных зон г. Тюмени.
Концентрация флавоноидов в клетках мать-и-мачехи было повышено практически на всех исследуюемых участках до 50 % по сравнению с контрольным уровнем (рис. 5). Поступление в ткани растений токсикантов, способных вызывать окислительный стресс, вероятно, вызывает необходимость у растений синтезировать флавоноиды. Антиоксилительная роль флавоноидов состоит в том, что они способны гасить супероксидный анион-радикал, ингибировать активность ферментов, генерирующих активные формы кислорода (циклооксигеназ, липоксигеназ и других) [7, 9]. Флавоноиды способны создавать стерические трудности для процессов окисления мембран с участием тяжелых металлов за счет сорбции на клеточных мембранах [24]. Кроме того, флавоноиды участвуют в различных физиологических процессах: фотосинтеза, роста, дыхания, которые
также подавляются в неблагоприятных условиях среды, что создает необходимость в синтезе флавоноидов. Рост содержания флавоноидов в клетках может быть обусловлен гидролизом их гликозидной формы в связи с неблагоприятными условиями среды [9]. Накопление флавоноидов в ответ на стрессовое воздействие среды является неспецифической реакцией растений и может быть использовано как часть комплексного биохимического мониторинга экологического неблагополучия.
Рис. 5. Содержание флавоноидов в растениях из различных техногенных зон г. Тюмени.
Содержание фенолов в клетках мать-и-мачехи на всех исследуемых участках было повышено по сравнению с контролем как минимум на 7 % (Моторостроители) и до 87 % (УГМК 2) (рис. 4). Это может быть обусловлено синтезом этих антиоксидантов для блокирования ПОЛ за счет связывания свободных радикалов.
Необходимо заметить, что устойчивость мать-и-мачехи на биохимическом уровне можно проследить по отрицательной корреляции фенолов с продуктами перекисного окисления липидов (г=-0,73). Ранее показано, что между содержанием Бе и фенолов в мать-и-мачехе есть положительная корреляция (г=0,84) [26]. Таким образом, можно проследить некую логическую цепочку: стресс от накопления Бе вынуждает мать-и-мачеху синтезировать фенольные соединения, которые останавливают процесс перекисного окисления, обуславливают понижение содержания оснований Шиффа и диеновых конъюгатов в клетках и обеспечивают устойчивость мать-и-мачехе в условиях антропогенного загрязнения в городской среде.
Антиокислительная функция флавоноидов в проведенном эксперименте прослежена по отрицательной корреляции этих соединений с содержанием оснований Шиффа в клетках мать-и-мачехи (г=-0,66).
Концентрация флавоноидов в клетках клевера красного на всех изученных участках оказалось ниже, чем в контроле на 13-30 % (рис. 5). Тяжелые металлы
(Си, Бе, Бе, Мп2+ и другие) способны связываться в хелатные соединения с фенолами и флавоноидами по карбоксильным, гидроксильным и карбонильным групп [9, 11]. Это приводит к уменьшению детектируемой концентрации свободных фенолов и флавоноидов [27]. Анализ корреляционных зависимостей выявил отрицательную взаимосвязь между содержанием Си, Мп и Zn в почве с содержанием фенольных соединений (г=-0,66; -0,67; -0,67), что подтверждает вышеупомянутое утверждение. ТМ способны менять свою валентность и нарушать структуру антиоксидантов, тем самым вызывая увлеичение количества свободных радикалов в клетке [7]. В свою очередь, фенолы и флавоноиды способны связывать свободные радикалы путем донирования протона или электрона и тем самым блокировать окислительные процессы. В ходе этой реакции они превращаются в феноксид-анионы или феноксильные радикалы, что может понижать их детектируемое содержание. Пероксидазы способны использовать фенолы как субстрат для окисления [24]. В случае активации ферментной антиоксидантной системы для ликвидации перекиси водорода в клетке возможно ожидать понижение содержание фенольных антиоксидантов за счет их окисления. Однако с другой стороны нельзя исключать то, фенолы и флавоноиды стать мишенями для активных форм кислорода и окисляться до хинонов, что также приводит к снижению их регистрируемой концентрации. Кроме того, ферменты биосинтеза (синтетазы, редуктазы), ответственные за синтез фенольных антиоксидантов, могут подвергаться повреждению структуры активными формами кислорода или тяжелыми металлами из-за наличия в своем сотсаве -БЫ, -КН2, -ОН, -СООН функциональных групп. Ранее в другом исследовании было выявлено снижение уровня флавоноидов в горце птичьем в условиях городской среды до 2 раз, по сравнению с заповедной зоной, что можно считать ответной реакцией растений на неблагоприятные условия [28].
Картина по изменению активности каталазы в мать-и-мачехе и красном клевере оказалась неоднозначная. Так, активность каталазы в клетках мать-и-мачехи повышена почти в 2,5 раза в районе автотрассы (рис. 6), а в клетках клевера красного осталась без изменений по сравнению с контролем (рис. 6). Аналогичный результат получен и на участке УГМК 2: для мать-и-мачехи активность каталазы была повышена в 2,5 раза, а для клевера красного понижена на 40 %.
С другой стороны, была зарегистрирована резкая активация каталазы в клетках клевера красного на участке НПЗ (рис. 6), в то время как, в клетках мать-и-мачехи активность каталазы осталась без изменений. Резкое повышение активности каталазы в клетках клевера красного также выявлено на участке УГМК, а для мать-и-мачехи этого выявлено не было. Кроме того, активность каталазы была повышена в клетках клевера красного в районе аккумуляторного завода, что не было отмечено для мать-и-мачехи. Неоднозначное воздействие поллютантов на активность каталазы ранее было выявлено при внесении свинца [29] на примере Ьыртш Ьшвш: активность каталазы в зеленой части увеличивалась, а в корнях снижалась.
Различная устойчивость растений, включающая в себя различную антиоксидантную активность, различные механизмы генетического регулирования в условиях стресса, особенности биосинтеза ферментов, может быть причиной
видоспецифической реакция растений на загрязнение городской среды. Все вышеописанные особенности генетики и биохимии растений могут обуславливать повышение активации каталазы или ингибирование ее активности на одном и том же участке у различных видов растений. По всей видимости, из-за различной устойчивости растений, один и тот же уровень загрязнения окружающей среды вблизи одного и того же предприятия может оказывать различный эффект на активность каталазы. В ранее проведенном исследовании было обнаружено, что обработка растений растворами, содержащими Pb2+, Cd и ^ приводило к увеличению активности каталазы в Kandelia candel, хотя эта же обработка практически не сказывалась на активности каталазы в Bruguiera gymnorrhiza [21]. Видоспецифичность изменения активности каталазы также была зарегистрирована в исследовании на лебеде садовой (Artiplex hortensis): в лебеде садовой красной загрязнение почвы №, Pb, ^ и Zn не сказывалось на активности каталазы, в то время как активность каталазы в лебеде садовой зеленой была повышена [30]. Загрязнение почвы Cd приводило к росту активности каталазы в клетках корня Eletrigia repens более, чем в 2 раза, хотя активность фермента в листьях была на контрольном уровне [19].
Рис. 6. Активность каталазы в растениях из различных техногенных зон г. Тюмени.
Необходимость утилизации образующейся в результате стресса перекиси водорода может включать защитные механизмы в клетке, которые повышают активность каталазы. Ранее в исследовании [31] было выявлено, что обработка пшеницы неочищенными сточными водами с высоким содержанием ТМ повышает активность каталазы на 30 %. Обработка Zea mays раствором хлорида кадмия приводило к увеличению активности каталазы, причем наблюдался выраженный концентрационный эффект, что выявляет роль каталазы в утилизации
биохимических нарушений, вызванных аккумуляцией кадмия [5]. Аналогичные результаты были получен при обработке Brassica napus нитратом свинца [32], а также у Jatropha curcas при действии Pb, Cd и Cr [33]. Рост активности каталазы вблизи металлургического завода может быть обусловлен поступлением в клетку Fe, входящего в состав гема, необходимого для работы каталазы. Ранее нами была показана активация каталазы в клетках овса при модельном загрязнении органогенной почвы Fe и Mn [34]. Повышение активности каталазы может быть связано с изменением ее компонентного состава за счет уменьшения содержания связанных форм и увеличения доли свободной формы фермента [35].
Нарушение пути биосинтеза каталазы, а также повреждение структуры фермента за счет связывания с -SH, -NH2, -COOH группами аминокислот может обуславливать снижение активности каталазы. Кроме того, возможно опосредованное повреждение структуры фермента тяжелыми металлами и другими поллютантами, способными вызывать перекисное окисление липидов. Образующиеся активные формы кислорода (пероксид водорода, супероксид анион, гидроксил радикал, синглентая форма кислорода, а также свободные радикалы), которые могут окислять углеводородные радикалы аминокислот в составе аминокислот фермента до гидроперекисей, малонового диальдегида и оснований Шиффа. В литературе сообщалось о негативном влиянии кадмия на активность каталазы в проростках пшеницы, что также сопровождалось увеличением концентрации продуктов ПОЛ [36]. Снижение активности каталазы в ответ на загрязнении среды кадмием в клетках кресс-салата также выявлено в исследовании [37].
Выявить среди исследуемых участков те, влияние загрязнения от которых, оказалось затруднительно из-за видоспецифической ответной реакцией. Однако в целом, в первую очередь стоит отметить металлургический завод. Данный эффект может быть связан с аккумуляцией Fe в клетках растений, что непосредственно сказывается на активности каталазы за счет включения в состав порфирионвыз комплексов, а также за счет возможного развития процессов ПОЛ.
Как отмечено выше, содержание продуктов ПОЛ снижено как в клетках мать-и-мачехи, так и в клетках клевера красного. Однако ответная реакция антиоксидантной системы оказалась различной: содержание фенолов и флавоноидов в клетках мать-и-мачехи повышено, а в клетках клевера, наоборот, снижено. Содержание каротиноидов снижено, а активность каталазы повышена в большинстве проб у обоих видов. По всей видимости, роль различных антиоксидантов в адаптации к окислительному стрессу является видоспецифичной. Однако можно предположить, что в исследованных условиях наибольшее значение имеет каталаза, активация которой в обоих видах растений, возможно, привела к снижению концентрации продуктов ПОЛ.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
1. Выявлено повышенное содержание ТМ (Cu, Mn, Fe, Pb, Zn) в почвах городской
среды по сравнению с фоновым участком, при этом наиболее высокое
содержание металлов было зарегистрировано вблизи металлургического и аккумуляторного заводов.
2. Обнаружено, что содержание продуктов ПОЛ в клетках мать-и-мачехи и клевера красного вблизи промышленных предприятий снижено, по сравнению с контрольным участком. Выявлена отрицательная корреляция содержания фенолов и флавоноидов в мать-и-мачехе с уровнем продуктов ПОЛ.
3. Показано, что содержание каротонидов в растениях из городской среды оказалось сниженным, по сравнению с фоновым участком. Изменение содержания фенолов и флавоноидов было видоспецифичным. В ряде случаев было зарегистрировано увеличение активности каталазы в клетках растений.
4. Установлено, что содержание каротиноидов и фенолов в растениях отрицательно коррелировало с содержанием ТМ в почвах.
Список литературы
1. Rai P. Heavy metals in food crops: health risks, fate, mechanisms and management / P. Rai, S. Lee, M. Zhang [et al.] // Environment International. - 2019. - Vol. 125. - P. 365-385.
2. Титов А. Ф. Тяжелые металлы и растения / А. Ф. Титов, Н. М. Казнина, В. В. Таланова. -Петрозаводск: Карельский научный центр РАН, 2014. - 194 с.
3. Чеснокова Н. П. Механизмы структурной и функциональной дезорганизации биосистем под влиянием свободных радикалов / Н. П. Чеснокова, Е. В. Понукалина, М. Н. Бизенкова // Фундаментальные ииследования. - 2007. - № 4. - С. 110-121.
4. Emamverdian A. Review article heavy metals and some mechanisms of plant defense response / A. Emamverdian, Y. Ding, F. Mokhberdoran // The Scientific World Journal. - 2015. - № 4. - P. 1-18.
5. Anjum N. A. Lipids and proteins - major targets of oxidative modifications in abiotic stressed plants / N. A. Anjum, A. Sofo, A. Scopa [et al.] // Environmental Science and Pollution Research. - 2015. -№ 22. - P. 4099-4121.
6. Скугорева С. Г. Химические основы токсического действия тяжелых металлов (обзор) / C. Г. Скугорева, Т. Я. Ашихмина, А. И. Фокина [и др.] // Теоретическая и прикладная экология. -2016. - № 1. - С. 1-10.
7. Skorzynska-Polit E. Lipid peroxidation on plant cells, its physiological role and changes under heavy metal stress / E. Skorzynska-Polit // Acta Societatis Botanicorum Poloniae. - 2007. - № 74. - P. 49-54.
8. Gratao P. L. Making the life of heavy metal-stressed plants a little easier / P. L. Gratao, A. Polle, P. J. Lea [et al.] // Functional Plant Biology. - 2005. - № 32. - P. 481-494.
9. Michalak A. Phenolic compounds and their antioxidant activity in plants growing under heavy metal stress / A. Michalak // Polish journal of environmental studies. - 2006. - № 15. - P. 523-530.
10. Карпова Е. А. Состав и содержание фенольных соединений представителей рода Spiraea L. в условиях техногенного загрязнения г. Новосибирска / Е. А. Карпова, Е. П. Храмова // Сибирский экологический журнал. - 2014. - № 2. - С. 283-293.
11. Mierziak J. Flavonoids as important molecules of plant interaction with the environment / J. Mierziak, K. Kostyn, A. Kulma // Molecules. - 2014. - №19. - P. 16240-16265.
12. Aggarwal A. Metal toxicity and photosynthesis / A. Aggarwal, I. Sharma, B. N. Tripathi [et al.] // Photosynthesis: Overviews on Recent Progress & Future Perspective. - 2011. - P. 229-236.
13. Узбеков М. Г. Перекисное окисление липидов и антиоксидантные системы при психических заболеваниях. Сообщение IV / М. Г. Узбеков // Социальная и клиническая психиатрия. - 2016. -Т. 26, № 3. - С. 65-71.
14. Шведова А. А. Метод определения конечных продуктов перекисного окисления липидов в тканях - флуоресцирующих шиффовых оснований / А. А. Шведова, Н. Б. Полянский // Исследование синтетических и природных антиоксидантов in vitro и in vivo. - М.: Наука, 1992. - С. 72-73.
15. Шульгин И. А. Расчет содержания пигментов с помощью номограмм / И. А. Шульгин, А. А. Ничипорович // Хлорофилл. - Минск: Наука и техника, 1974. - С. 127-136.
16. Федорова А. И. Практикум по экологии и охране окружающей среды / А. И. Федорова - М.: ВЛАДОС, 2001. - 288 с.
17. Третьяков Н. Н. Физиология и биохимия сельскохозяйственных растений / Н. Н. Третьяков - М.: Колос, 1998. - 639 с.
18. Королюк М. А. определения активности каталазы / М. А. Королюк, Л. И. Иванова, Н. О. Майорова [и др.] // Лабораторное дело. - 1988. - № 1. - С. 16.
19. Казнина Н. М. Роль отдельных компонентов антиоксидантной системы в адаптации растения Eletrigia repens (L.) Nevski к кадмию / Н. М. Казнина, Ю. В. Батова, А. Ф. Титов [и др.] // Труды Карельского научного центра РАН. - 2016. - № 11. - С. 17-26.
20. Buyuk I. Effects of lead and cadmium elements on lipid peroxidation, catalase enzyme activity and catalase gene expression profile in tomato plants / I. Buyuk, E. Gundzer, I. Kandemir [et al.] // Journal of Agricultural Sciences. - 2016. - № 22. - P. 539-547.
21. Zhang F. Q. Effect of heavy metal stress on antioxidant enzymes and lipid peroxidation in leaves and roots of two mangrove plant seedlings (Kandelia candel and Bruguiera gymnorrhiza) / F. Q. Zhang, Y. S. Wang, Z. P. Lou [et al.] // Chemosphere. - 2007. - № 67. - P. 44-50.
22. Panda S. K. Heavy metals induce lipid peroxidation and affect antioxidants in wheat leaves / S. K. Panda, I. Chaudhury, M. H. Khan // Biologia Plantarum. - 2003. - Vol. 46, № 2. - P. 289-294.
23. Sai Kachout S. Effects of metal toxicity on growth and pigments contents of annual halophyte / S. Sai Kachout, A. Ben Mansoura, A. Ennajah [et al.] // International journal of environmental resources. -2015. - № 9. - P. 613-620.
24. Blokhina O. Antioxidants, oxidative damage and oxygen deprivation stress: a review / O. Blokhina, E. Virolainen, K. V. Fagerstedt // Annals of Botany - 2002 - № 91. - P. 179-194.
25. Каббата-Пендиас А. Микроэлементы в почвах и растениях / А. Каббата-Пендиас, Х. Пендиас - М.: Мир, 1989. - 440 с.
26. Петухов А. С. Фенольная система защиты растений в условиях загрязнения среды г. Тюмени тяжелыми металлами / А. С. Петухов, Н. А. Хритохин, Г. А. Петухова [и др.] // Ученые записки Казанского университета. Серия Естественные науки. - 2019. - Т.161, кн. 1. - С. 93-107.
27. Lachman J. Effect of cadmium on flavonoid content in young barley (Hordeum sativum L.) plants / J. Lachman, J. Dudjak, D. Miholova [et al.] // Plant, Soil and Environment. - 2005. - № 11. - P. 513-516.
28. Великанова Н. А. Изучение накопления флавоноидов травой горца птичьего, собранного в разных с экологической точки зрения районах города Воронежа и его окрестностей / Н. А. Великанова, А. И. Сливкин, С. П. Гапонов // Вестник Воронежского государственного университета. Серия: Химия. Биология. Фармация. - 2013. - № 1. - С.181-185.
29. Кобринец Л.А. Изменение активности ферментов антиоксидантной системы у проростков люпина вызванной действием соединений свинца / Л.А. Кобринец // Вестник Бресткого государственного технического университета. - 2012. - № 2. - С. 86-89.
30. Kachout S. S. Effects of heavy metals on antioxidant activities of Artiplex hortensis and A. rosea / S. S. Kachout, A. Ben Mansoura, J. C. Leclerc [et al.] // Journal of Food, Agriculture and Environment. -2009. - № 7. - P. 938-945.
31. Мурзаева С. В. Накопление тяжелых металлов и активность антиоксидантных ферментов в пшенице при воздействии сточных вод / С. В. Мурзаева // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. - 2002. - Т.4, № 2. - С. 260-269.
32. Hosseini R. H. Effect of lead on germination, growth and activity of catalase and peroxidase enzyme in root and shoot of two cultivars of Brassica Napus L. / R. H. Hosseini, N. Khanlarian, M. Ghorbanli // Journal of biological sciences. - 2007. - № 7. - P. 592-598.
33. Devi Chinmayee M. A comparative study of heavy metal accumulation and antioxidant responses in Jatropha curcas L. / M. Devi Chinmayee, M. S. Anu, B. Mahesh [et al.] // Journal of Environmental Science, Toxicology and Food Technology. - 2014. - Vol. 8, № 7. - P. 58-67.
34. Petukhov A. S. Response of the oat to accumulation of iron and manganese / A. S. Petukhov, N. A. Khritokhin, G. A. Petukhova [et al.] // Pollution Research. - 2017. - Vol. 36, № 1. - P. 1-7.
35. Еремченко О. З. Активность компонентов антиоксидантной защиты Raphanus Sativus L. при выращивании на почве, загрязненной сульфатами свинца и кадмия / О. З. Еремченко, М. Г. Кусакина, Т. Н. Голева // Вестник Пермского университета. Биология. - 2014. - № 1. - С. 10-16.
36. Колесниченко В. В. Изучение влияния высокой концентрации кадмия на функционирование антиоксидантных систем этиолированных проростков пшеницы разной длины / В. В. Колесниченко, А. В. Колесниченко // Journal of Stress Physiology and Biochemistry. - 2011. -Vol. 7, № 3. - P. 212-221.
37. Науменко О. А. Исследование механизма повреждающего действия избыточных концентраций кадмия на состояние антиоксидантных ферментов кресс-салата / О. А. Науменко, Е. В. Саблина, М. И. Кабышева [и др.] // Вестник ОГУ. - 2013. - Т.159, № 10. - С. 205-207.
HERBAGE PLANTS ANTIOXIDANT SYSTEM RESPONSE TO CELLS DAMAGE IN CONDITIONS OF URBAN ENVIRONMENT ANTHROPOGENIC
POLLUTION
Petukhov A. S., Khritokhin N. A., Petukhova G. A., Kremleva T. A.
Tyumen State University, Tyumen, Russia
E-mail: revo251@mail.ru
In this study lipid peroxidation products, carotenoids, phenols, flavonoids and catalase activity were analyzed in herbage from various anthropogenic zones of Tyumen. Red clover (Trifolium rubens) and coltsfoot (Tussilago farfara) were collected near a highway, metallurgical plant, engine building plant, oil refinery, battery manufacturing plant as well as in relatively unpolluted site. Heavy metal concentration in soils was analyzed by atomic absorption spectrophotometry.
Cu, Mn, Fe, Pb and Zn concentration in soils from the urban area turned out to be elevated compared to the background level Exceeding maximum permitted concentration was revealed by Pb content in soil near battery manufacturing plant. The percentage of heavy metals mobile form decreased in the order: Mn>Zn>Cu>Fe. Negative correlation between heavy metal content in soils and lipid peroxidation products, carotenoids and phenols in plants was established. The concentration of lipid peroxidation products (Schiff bases and diene conjugates) in plants at industrial sites was decreased by 40-70 %. Pollutants from metallurgical plant influenced lipid peroxidation the most among all other examined sited Carotenoids concentration in plants decreased at all examined sites by 5-40 %. Carotenoids turned out to be the most vulnerable antioxidant among examined. Concentration of phenols and flavonoids both increased and decreased, depending on the examined site. Probably, this is related to chelation of phenols and flavonoids by heavy metals, but at the same time with synthesis of these antioxidants to block lipid peroxidation. Change in phenols and flavonoids level turned out to be species-specific, which is stipulated by plants different persistence to pollutants. Phenols and flavonoids concentration in plants negatively correlated with lipid peroxidation products in coltsfoot, which indicates its antioxidant role. Catalase activity depended on the examined site and plant species, its change was not unilateral. An increase in catalase activity, likely, provided reduce in diene conjugates and Schiff bases concentration.
Keywords: lipid peroxidation products; phenols; flavonoids; carotenoids; catalase; antioxidants; urban environment.
References
1. Rai P. K., Lee S. S., Zhang M., Tsang Y. F and Kim K. Heavy metals in food crops: health risks, fate, mechanisms and management, Environment International., 125, 365 (2019).
2. Titov A. F., Kaznina N. M., Talanova V. V. Tjazhelye metally i rastenija, 194 (Karel'skij nauchnyj centr RAN, Petrozavodsk, 2014) (in Russ.).
3. Chesnokova N. P., Ponukalina E. V., Bizenkova M. N. Mechanisms of structural and functional disorganization of biosystems under the influence of free radicals, Fundamental'nye iisledovaniya, 4, 110 (2007) (in Russ.).
4. Emamverdian A., Ding Y., Mokhberdoran F. Review article heavy metals and some mechanisms of plant defense response, The Scientific World Journal, 4, 1 (2015).
5. Anjum N. A., Sofo A., Scopa A., Roychoudhury A. Lipids and proteins - major targets of oxidative modifications in abiotic stressed plants, Environmental Science and Pollution Research, 22, 4099 (2015).
6. Skugoreva S. G., Ashikhmina T. Ya., Fokina A. I., Lyalina E. I. Chemical grounds of toxic effect of heavy metals (review), Teoreticheskaya i prikladnaya ekologiya, 1, 1 (2016) (in Russ. ).
7. Skorzynska-Polit E. Lipid peroxidation on plant cells, its physiological role and changes under heavy metal stress, Acta Societatis Botanicorum Poloniae, 74, 49 (2007).
8. Gratao P. L., Polle A., Lea P. J., Azevedo R. A. Making the life of heavy metal-stressed plants a little easier, Functional Plant Biology, 32, 481(2005).
9. Michalak A. Phenolic compounds and their antioxidant activity in plants growing under heavy metal stress, Polish journal of environmental studies, 15, 523 (2006).
10. Karpova E. A., Khramova E. P. Phenolic composition and content of representatives of the genus Spiraea L. under the conditions of industrial pollution in Novosibirsk, Contemporary Problems of Ecology, 2, 283 (2014) (in Russ.).
11. Mierziak J., Kostyn K., Kulma A. Flavonoids as important molecules of plant interaction with the environment, Molecules, 19, 16240 (2014).
12. Aggarwal A., Sharma I., Tripathi B. N., Munjal A. J., Baunthiyal M., Sharma V. Metal toxicity and photosynthesis, Photosynthesis: Overviews on Recent Progress & Future Perspective, 229 p. (2011).
13. Uzbekov M. G. Lipid peroxidation and antioxidant systems in mental disorders. Communication IV, Social'naja i klinicheskajapsihiatrija, 26, 3, 65 (2016) (in Russ.).
14. Shvedova A. A., Polyanskii N. B. Metod opredeleniya konechnykh produktov perekisnogo okisleniya lipidov v tkanyakh - fluorestsiruyushchikh shiffovykh osnovanii, Issledovanie sinteticheskikh i prirodnykh antioksidantov in vitro i in vivo, 72 (Nauka, Moscow, 1992). (in Russ.).
15. Shul'gin I. A., Nichiporovich A. A. Raschet soderzhanija pigmentov s pomoshh'ju nomogramm, 127 (Nauka I Tehnika, Minsk, 1974) (in Russ.).
16. Fedorova A. I. Praktikum po jekologii i ohrane okruzhajushhej sredy, 288 p. (Vlados, Moscow 2001). (in Russ.).
17. Tret'jakov N. N. Fiziologija i biohimija sel'skohozjajstvennyh rastenij, 639 p. (Kolos, Moscow, 1998). (in Russ.).
18. Koroljuk M. A., Ivanova L. I., Majorova N. O., Tokarev V. E. Metod opredelenija aktivnosti katalazy, Laboratornoe delo, 1, 16 (1988). (in Russ.).
19. Kaznina N. M., Batova Yu. V., Titov A. F., Laidinen G. F. Role of antioxidant system components in adaptation of Eletrigia repens (L.) Nevski to cadmium, Trudy Karel'skogo nauchnogo centra RAN, 11, 17 (2016). (in Russ.).
20. Buyuk I., Gunduzer E., Kandemir I., Cansaran-Duman D. Effects of lead and cadmium elements on lipid peroxidation, catalase enzyme activity and catalase gene expression profile in tomato plants, Journal of Agricultural Sciences, 22, 539 (2016)
21. Zhang F. Q., Wang Y. S., Lou Z. P., Dong J. D. Effect of heavy metal stress on antioxidant enzymes and lipid peroxidation in leaves and roots of two mangrove plant seedlings (Kandelia candel and Bruguiera gymnorrhiza), Chemosphere, 67, 44 (2007)
22. Panda S. K., Chaudhury I., Khan M. H. Heavy metals induce lipid peroxidation and affect antioxidants in wheat leaves, Biologia Plantarum, 46, 2, 289 (2003)
23. Sai Kachout S., Ben Mansoura A., Ennajah A., Leclerc J. C. Effects of metal toxicity on growth and pigments contents of annual halophyte, International journal of environmental resources, 9, 613 (2015)
24. Blokhina O., Virolainen E., Fagerstedt K. V. Antioxidants, oxidative damage and oxygen deprivation stress: a review, Annals of Botany, 91, 179 (2002)
25. Kabbata-Pendias A., Pendias Kh. Microelements in Soils and Plants, 440 p. (Mir, Moscow, 1989). (in Russ.).
26. Petukhov A. S., Khritokhin N. A., Petukhova G. A., Kremleva T. A. Phenolic plant defense system under conditions of environment pollution by heavy metals in Tyumen, Uchenye Zapiski Kazanskogo Universiteta. Seriya Estestvennye Nauki, 161, 1, 93 (2019). (in Russ.).
27. Lachman J., Dudjak J., Miholova D., Kolihova D. Effect of cadmium on flavonoid content in young barley (Hordeum sativum L.) plants, Plant, Soil and Environment, 11, 513 (2005).
28. Velikanova N. A., Slivkin A. I., Gaponov S. P. Investigation of flavonoids accumulation by knotgrass collected from different from ecological point of view districts of Voronezh and its outskirts, Vestnik Voronezhskogo gosudarstvennogo universiteta. Seriya: Khimiya. Biologiya. Farmatsiya, 1, 181 (2013). (in Russ.).
29. Kobrinec L. A. Izmenenie aktivnosti fermentov antioksidantnoj sistemy u prorostkov ljupina vyzvannoj dejstviem soedinenij svinca, Vestnik Brestkogo gosudarstvennogo tehnicheskogo universiteta, 2, 86 (2012). (in Russ.).
30. Kachout S. S., Ben Mansoura A., Leclerc J. C., Mechergui R., Rejeb M. N., Ouerghi Z. Effects of heavy metals on antioxidant activities of Artiplex hortensis and A. rosea, Journal of Food, Agriculture and Environment, 7, 938 (2009)
31. Murzaeva S. V. The accumulation of heavy metals and the activity of antioxidant enzymes in wheat exercise influence of sewages, Izvestija Samarskogo nauchnogo centra Rossijskoj akademii nauk, 4, 2, 260 (2002). (in Russ.).
32. Hosseini R. H., Khanlarian M., Ghorbanli M. Effect of lead on germination, growth and activity of catalase and peroxidase enzyme in root and shoot of two cultivars of Brassica Napus L, Journal of biological sciences, 7, 592 (2007)
33. Devi Chinmayee M., Anu M. S., Mahesh B., Mary Sheeba A., Mini I., Swapna T. S. A comparative study of heavy metal accumulation and antioxidant responses in Jatropha curcas L, Journal of Environmental Science, Toxicology and Food Technology, 8, 7, 58 (2014)
34. Petukhov A. S., Khritokhin N. A., Petukhova G. A., Kudryavtsev A. A. Biochemical response of the oat to accumulation of iron and manganese, Pollution Research, 36, 1, 1 (2017)
35. Eremchenko O. Z., Kusakina M. G., Goleva T. N. The influence of soil pollution by PbSO4 and CdSO4 on the antioxidant system of Raphanus Sativus L. Vestnik Permskogo Universiteta, Biologiya, 1, 10 (2014). (in Russ.).
36. Kolesnichenko V. V., Kolesnichenko A. V. The influence of high Cd2+ concentration on antioxidant system of wheat etiolated shoots with different length, Journal of Stress Physiology and Biochemistry, 7, 3, 212 (2011). (in Russ.).
37. Naumenko O. A., Sablina E. V., Kabysheva M. I., Kosteneckaja E. A. Issledovanie mehanizma povrezhdajushhego dejstvija izbytochnyh koncentracij kadmija na sostojanie antioksidantnyh fermentov kress-salata, Vestnik OGU, 159, 10, 205 (2013). (in Russ.).
