CC BY
75
СТРЕССОРНОЕ ВЛИЯНИЕ НА РАСТЕНИЯ СВИНЦА И ПОИСК ЭФФЕКТИВНЫХ
АДАПТОГЕНОВ
Грабовская Н.И. ©
Магистр биологии, старший преподаватель кафедры Географии и экологии и туризма Кокшетауского государственного университета им. Ш.Ш. Уалиханова, Республика Казахстан; аспирант кафедры Экологии и природопользования Омского государственного педагогического университета, Российская Федерация
Аннотация
Посредством анализа всхожести семян и морфологических показателей растения-индикатора кресс-салата анализируется стрессорное воздействие свинцового загрязнения среды и адаптогенное действие биостимулятора эпина. В ходе исследования выяснено, что препарат «Эпин-экстра» в условиях загрязнения среды свинцом улучшает ростовые показатели побегов в среднем на 5 - 10%, а ростовые показатели корневой системы в среднем на 3 - 5%. При высоких концентрациях свинца в среде (20 ПДК (Pb) и выше) рост растений прекращается, и применение биостимулятора «Эпин-экстра» не оказывает адаптогенного эффекта.
Ключевые слова: тяжёлый металл, свинец, растение-индикатор, стрессорный фактор, кресс-салат, адаптоген, биостимулятор, эпин.
Keywords: heavy metal, lead, plant-indicator, stress factor, watercress, adaptogen, biostimulant, epin.
Стресс - это нагрузка на организм, которая вызывает сначала дестабилизацию, потом нормализацию и повышение устойчивости, а при превышении приспособляемости (адаптируемости) и способности соответствующих механизмов к компенсации отрицательного влияния - отмирание растений или частей [16,513]. С одной стороны стресс мешает максимальной реализации генетического потенциала растений, но с другой — способствует адаптации растений к оптимальным условиям. Происходит это лишь в том случае, когда не превышаются пределы приспособляемости растений — эластичный стресс (eustress). В этом случае растения реагируют на отрицательные условия стрессовыми реакциями в форме изменения морфологических и биохимических функций, что приводит к снижению отрицательного воздействия до определенного уровня. Адаптацией обмена веществ к новым условиям растения снова могут достигать нормальных жизненных функций (гомеостаза). Если стресс превышает генетически обусловленные пределы — пластичный стресс (distress), тогда возникают необратимые процессы и растения отмирают [19,363 -366]. Растения являются стрессованными, если стрессовая ситуация вызывает торможение роста или размножения. Фактор внешней среды, который вызывает стресс, называют стрессором или стрессовым фактором.
Различают абиотические (физические и химические) и биотические стрессовые факторы. Абиотические стрессовые факторы обуславливаются климатическими и почвенными условиями, технологиями, наличием вредных веществ в атмосфере. Они могут быть природного и антропогенного происхождения и почти всегда действуют не изолированно, а в различных комбинациях между собой.
Опасность антропогенных стрессоров состоит в том, что - биологические системы (организмы, популяции, биоценозы) недостаточно адаптированы к ним. Антропогенные стрессоры создаются с такой скоростью, что системы не успевают активизировать соответствующие адаптационные процессы [17,16 - 25]. Многие антропогенные факторы
© Грабовская Н.И., 2017 г.
среды становятся опасными для живого стрессорами, потому что они крайне отличны по величине, интенсивности, продолжительности и моменту воздействия от существующей в природе нормы, к которой адаптированы биологические системы. Именно они и влияют на диапазон толерантности, что приводит к превышению допустимой нагрузки на организмы и распаду биологической системы [20,269 - 276].
В вопросе влияния стрессовых факторов на растения прикладное значение имею два направления исследования:
1. Роль растений в транспорте поллютантов. Это направление важно для решения практических важных задач, таких как поиск способов, с помощью которых можно уменьшить накопление загрязнителей и тем самым блокировать их движение к продуктам питания человека, например, поиск высокоэффективных адаптогенов;
2. Действие поллютантов на растения. Это направление имеет большое значение для выявления видов растений, которые аккумулируют значительное количество радионуклидов и тяжелых металлов из почв и поэтому могут оказаться перспективными в биологических методах их очистки.
Оба эти подхода нужны для определения наиболее целесообразного природопользования на загрязненных территориях.
Среди химических веществ, загрязняющих различные объекты окружающей среды (воздух рабочей зоны, атмосферный воздух, водоемы, почву, пищевые продукты), тяжелые металлы (ТМ) и их соединения образуют значительную группу токсикантов, во многом определяющую антропогенное воздействие на экологическую структуру окружающей среды и на самого человека.
Одним из тяжёлых металлов, чьё количество в окружающей среде стабильно увеличивается, является свинец. Технофильность Pb, т.е. степень использования элемента по отношению к его содержанию в литосфере - одна из самых высоких среди вовлеченных в технологические циклы химических элементов и составляет 2 • 109[7, 20]. В связи с этим техногенный поток свинца значительно превышает его природные миграционные циклы. По данным В.В. Добровольского [4,57] его годовая добыча (2400 тыс. т/г) значительно выше как выноса растворимых форм с речным стоком (37 тыс. т/г), так и годового захвата растительностью суши (430 тыс. т/г).
Свинец присутствует в составе всех растительных организмов, но его функциональная роль и механизмы действия пока ещё недостаточно выяснены. Содержание Pb в растениях - величина весьма изменчивая и зависит как от систематического положения, так и условий местообитания, анализируемого органа, сезона отбора пробы и др. Среднее содержание Pb в растительности суши составляет для золы 50- 10-4%, для сухой массы - 2,5 • 10-4 %, для живой фитомассы - 1,0 • 10-4 % [3,201] По данным Кабата-Пендиас А., Пендиас Х. [5,78] уровень содержания Pb в листьях 5-10 мг/кг сухой массы можно считать нормальным, 30-300 мг/кг - избыточным или токсичным.
Шиховой Н. С. в 2008 г. была исследована видоспецифичность в накопления свинца высшими растениями в природных и техногенных условиях Приморского края, а также было определено содержание свинца в ассимиляционных органах растений. Оно оказалось значительно выше кларка растений суши и варьирует в зависимости от вида и условий произрастания в широком диапазоне значений: от 0,40 (Cimicifuga heracleifolia Kom., ЛЗ) до 25,65 мг/кг сухого вещества (Crataegus pinnatifida Bunge, СЗ) по средним значениям. Содержание Pb у одноименных видов в городской среде, как правило, значительно выше (до 12,5 раз) по сравнению с растениями, произрастающими в фоновых условиях[12, 152 -155].Таким образом, проблема свинцового загрязнения среды и вовлечения свинца в биогеохимические циклы приобретает всю большую актуальность.
Свинец относится к I классу опасности по классификации Международного комитета по проблемам окружающей среды [9,23-30].Хорошо известно, что ионы свинца способны оказывать воздействие на клетку сразу по нескольким механизмам:
• вступая в непосредственное взаимодействие с ДНК и индуцируя мутации [18, 367 -387; 8, 89 - 96 ];
• частично подавляя системы репарации, снижая эффективность их функционирования [14,75 - 82] и увеличивая выход мутаций за счет части спонтанных и индуцированных повреждений молекул ДНК, репарировавшихся в норме;
• оказывая общее токсическое действие вследствие образования устойчивых комплексов с аминокислотами [2, 1914 - 1919; 21, 210 - 221].
Это ставит свинец в ряд наиболее опасных для жизни человека элементов и обусловливает повышенный научный и практический интерес к его изучению.
Необходимо учитывать и то, что в природе на организм воздействует не один какой-либо стрессор, а целый комплекс нарушающих факторов - комплексное стрессовое воздействие среды. Например, согласно исследованиям Н. В Гончаровой (2005 г.), которое было посвящено оценке сочетанного действия на растения таких стрессорных факторов как ионизирующее излучение и повышенное содержание в почве тяжёлых металлов, в частности, свинца, была установлена очень интересная закономерность. Оказалось что малые дозы облучения (2 сГр) в сочетании с разными концентрациями свинца вызывают антагонистические эффекты, а доза 20 сГр в этих же условиях приводит к синергизму и нагруженность клеток исследуемых растений повреждениями резко увеличивается [1, 71 -73 ].
Одной из задач является не только изучение специфики патологического действия тяжёлых металлов на растения, но и поиск различного рода адаптогенов, которые могли бы уменьшить это негативное воздействие. Многочисленные эксперименты свидетельствуют о том, что устойчивость растений к воздействию стрессорных факторов, таких как; засуха, оводнение, болезни, низкие и высокие температуры, свет высокой интенсивности, УФ-облучение, озон, SO2, катионы тяжелых металлов, радионуклиды [10,76; 15,31 - 42; 13, 153 -161] всецело зависит от антиоксидантных систем растительного организма.
Для того чтобы определить, какие именно сельскохозяйственные культуры и каких сортов безопаснее выращивать на почвах, загрязненных наиболее токсичными элементами, необходимо получить экспериментальный материал, показывающий, как поступает и распределяется ксенобиотик в различных органах растения. Зварих М. A., Миллс И.Г. (1982) провели наблюдения за накоплением тяжелых металлов овощными растениями: салатом, морковью и овощным горохом. Их выращивали на почвах, удобренных осадками сточных вод, содержащими различные металлы. Почва имела рН 6,7 и содержала 3,5% углерода. В результате проведённого эксперимента было установлено, что наибольшей способностью накапливать исследуемые металлы обладает салат - например, для свинца этот показатель равен 1,6 мг/кг сухой массы. (см. табл. ) [22,243 - 248 ].
Таблица
Содержание металлов в растениях, удобренных осадками сточных вод (ОСВ), (мг/кг
сухой массы) [22,245-248]
ОСВ,т/г Медь Цинк Кадмий Свинец
Салат
Без ОСВ 5,6 35 1,4 1,6
55 7,8 135 1,7 1,6
110 8,7 181 2,4 1,6
200 12,8 320 4,3 1,4
Морковь
Без ОСВ 3,6 11 0,24 0,9
55 5,5 35 0,51 0,2
110 6,7 43 0,54 0,2
200 7,5 53 0,89 0,3
Горох (овощной)
Без ОСВ 5,3 33 0,01 0,2
55 8,4 52 0,01 0,2
110 8,9 61 0,02 0,2
200 9,5 67 0,3 0,2
Кресс-салат - однолетнее овощное растение, обладающее повышенной чувствительностью к загрязнению почвы тяжёлыми металлами, а также к загрязнению воздуха газообразными выбросами автотранспорта. Этот биоиндикатор отличается быстрым прорастанием семян и почти стопроцентной всхожестью, которая заметно уменьшается в присутствии загрязнителей. Кроме того, побеги и корни этого растения под действием загрязнителей подвергаются заметным морфологическим изменениям (задержка роста и искривление побегов, уменьшение длинны и массы корней, а также числа и массы семян).
В проведённом исследовании было изучено протектирующее действие эпина на семена и проростки кресс-салата, которые помещались в среды с повышенным содержанием подвижного свинца.
Действующее вещество препарата эпин - эпибрассинолид, принадлежит к классу брассиностероидов, природных гормонов растений. Первый представитель этого класса, брассинолид, был выделен американскими учеными в 1979 году из пыльцы Brassica napus L. К настоящему времени из различных растительных источников выделено более 40 брассиностероидов. Интенсивные исследования этого класса соединений в течение 20 лет позволили оценить их место среди других гормонов растений, выяснить механизм их влияния и оценить перспективность их применения в растениеводстве. Растения содержат очень малые количества брассиностероидов, например, 4 мг чистого брассинолида было выделено из 40 кг пыльцы. Поэтому химический синтез является единственным источником этих соединений в существенных количествах. Синтетический эпибрассинолид абсолютно идентичен природному растительному гормону. Эпин производят в ампулах по 1 мл, и во флаконах по 50 мл, 1000 мл концентрата, содержащего раствор эпибрассинолида [6].
Эпин обладает широким спектром стимулирующего и защитного действия, что приводит к увеличению урожайности и повышению качества сельскохозяйственной продукции. Он является эффективным иммуномодулятором, увеличивает устойчивость растений к стрессу, фитопатогенам, болезням, регулирует рост растений и улучшает бутоно-и плодообразование, влияет на обильное цветение. Эпин официально разрешён к применению в России и Белоруссии с 1992 г. [6]. Он рекомендуется для обработки различных сельскохозяйственных культур (зерновые, бобовые, картофель и овощи, сахарная свекла, лен, хлопок), а также для применения в цветоводстве и садоводстве. Однако следует отметить, что как в инструкциях по применению этого препарата, так и в литературных источниках отсутствует информация об эффективности и целесообразности применения этого вещества именно в условиях свинцового загрязнения среды. Выяснение этого вопроса и стало целью проведённого исследования.
Объекты и методика исследования. В качестве биотеста был использован кресс-салат (Lepidium sativum) - овощное растение, обладающее, как было отмечено выше, выраженной способностью накапливать тяжёлые металлы. В качестве источника ионов свинца была использована свинцовая соль уксусной кислоты - РЬ(СН3С00)2-3Н20 (свинцовый сахар), которая хорошо растворима в воде. Было решено использовать в опыте для приготовления растворов значение предельно допустимой концентрации свинца для почвы - 32 мг/кг. [11], так как ПДК свинца для воды незначительна - 0,03 мг/л, и, как было определено в предварительных опытах, растения к ней практически нечувствительны.
С учётом молекулярной массы соли РЬ(СН3С00)2- 3Н20 был произведён расчет массы навесок для достижения необходимых для опыта концентраций ионов свинца, соответствующих значениям 10, 20, 30, 50 и 100 ПДК^Ь), после чего были приготовлены водные растворы. В опыте был использован готовый препарат «Эпин-экстра». Согласно инструкции к применению препарата, разведение производилось из расчёта 0,2 мл препарата
на 1 литр воды. В итоге, в эксперименте были использованы следующие варианты рабочих растворов:
1) Вода;
2) Вода + «Эпин-экстра»
3)Вода + 10ПДК(РЬ);
4)вода + 10ПДК(РЬ) + «Эпин экстра»;
5)Вода + 20ПДК (РЬ);
6) Вода + 20ПДК(РЬ) + «Эпин-экстра»;
7)Вода + 30ПДК (РЬ);
8) Вода + 30ПДК(РЬ) + «Эпин-экстра»;
9)Вода + 50ПДК(РЬ) ;
10)Вода + 50ПДК(РЬ) + «Эпин-экстра»;
11)Вода + 100ПДК(РЬ);
12) Вода + 100ПДК(РЬ) + «Эпин-экстра».
Для проведения исследования были подготовлены 12 чашек Петри с помещёнными в них семенами кресс-салата (по 30 семян в каждой). Поливка растворами производилась дважды в день. Чтобы не допускать высыхания, на ночь чашки закрывались. Наблюдение производилось в течение 10 дней. В ходе исследования были определены следующие показатели: энергия всхожести семян, процент всхожести семян, средняя длина побегов и корешков (см. рис. 1).
* * #
Рис. 1 Морфологические особенности тест-растений кресс-салата, выращенных в среде с повышенным содержанием подвижного свинца с применением и без препарата «Эпин-экстра» (10-й день после проращивания): 1 - Контроль с «Эпин-экстра; 2 - Контроль; 3 -ЮПДК(РЬ) с «Эпин-экстра»; 4 - ЮПДК(РЪ); 5 - 20ПДК(РЪ) с «Эпин-экстра»; 6-20ПДК(РЬ); 7 - 30ПДК(РЬ) с «Эпин-экстра»; 8 - 30ПДК(РЬ); 9 - 50ПДК(РЬ) с «Эпин-
экстра»; 10 - 50ПДК(РЬ).
Результаты исследования
Выявлено негативное воздействие ионов свинца на всхожесть семян. Всхожесть семян на 5-й день после закладки опыта, по сравнению с энергией всхожести, определённой на 3-й день, снизилась примерно на 15% - часть семян, проклюнувшихся на 3-й день, погибла (см. рис. 2).
У* V
V р
*
4
Процент проросших семян снижался прямо пропорционально увеличению концентрации свинца. Применение эпина улучшало показатели всхожести семян в среднем на 5 - 15%. Концентрация свинца в среде, равная 50 ПДК(РЬ) и выше, является фатальной -100% семян погибало, и протектирующее действие препарата «Эпин-экстра» не определялось.
юо=о%
Контроль ЮЦДКРЬ ЗОЦДКРЬ ЗОПДКРЬ 50ДЦКРЪ 100 ПДК РЪ С добавлением '3пин-экстра" I Без добавления "Эпин-эксгра"
Рис.2. Всхожесть семян кресс-салата на 5-й день проращивания
Ростовые показатели проростка - длина побега и корня - определялись на 10-й день. Ростовые показатели 10-тидневных проростков, выращенных в средах с повышенным содержанием свинца, были заметно снижены, по сравнению с проростками, выращенными в среде без свинца. Влияние свинца на побеги не столь негативное, как на корни, но довольно ощутимое. Уменьшение длины побега составило в среднем 35 - 40% (см. рис. 3). Концентрации свинца, близкие к критическим, нарушают обменные процессы растений, разрушая хлорофилл-белковый комплекс, вызывая пожелтение побегов (см. рис. 1). Применение «Эпин-экстра» улучшало ростовые показатели побегов в среднем на 5 - 10% (см. рис.3).
5.9
2 ч 2.9
1 2,4 '=8 176
| ' | |
1 Я
Контроль 10 ПДК РЪ 20 ПДК РЪ 30 ПДК РЪ 50 ПДК РЪ 100 ПДК РЪ ■ С " Элин -эксх р а" Б е-з " Эпин-экстр а"
Рис.3. Средняя длина побегов кресс-салата на 10-й день проращивания
Наибольшее поражающее воздействие свинец оказывал на корневую систему проростков, подавляя их рост и развитие. Резкое снижение роста корневой системы наблюдалось уже при концентрации свинца в 10ПДК(Р6) (см. рис. 4).
По сравнению с контролем, у тест-объектов, выращенных в средах с повышенным содержанием свинца, формирование корневой системы ингибировалось на 80 - 90%. Применение эпина улучшило ростовые показатели корневой системы в среднем на 3 - 5% (см. рис. 4).Положительное влияние «Эпин-экстра» в условиях свинцового загрязнения более выражено на надземную часть растения, чем на его корневую систему (см. рис. 3, 4).
7
б
Контроль ЮПДКРЬ 20 ПДК РЬ ЗОПДКРЬ ЗОПДКРЬ 100 ПДК РЬ
■ С "Эпин-экстра." Без "Элин-экстра"
Рис. 4. Средняя длина корешков кресс-салата на 10-й день проращивания
Выводы: 1)при высоких концентрациях свинца в среде (20 ПДК (Pb) и выше) рост растений прекращается и применение биостимулятора «Эпин-экстра» не оказывает адаптогенного эффекта; 2)применение данного биостимулятора даёт положительный результат при выращивании растений в средах, загрязнённых свинцом в концентрациях не более 10 ПДК (Pb).
Литература
1. Гончарова Н.В. Растения и антропогенные стрессоры - Минск, Триолета 2005. - С.71 - 73.
2. Динева, С.Б. Генетические последствия действия нитрата свинца на семена хронически облучаемых популяций Arabidopsis thaliana / С.Б. Динева, В.И. Абрамов, В.А. Шевченко // Генетика, 1993. Т. 29. № 11. С.1914-1919.
3. Добровольский В.В. География микроэлементов: Глобальное рассеяние. М.,1983. С.201.
4. Добровольский В.В. Химия Земли. М., 1988. С.57.
5. Кабата - Пендиас А., Пендиас Х. Микроэлементы в почвах и растениях: Пер. с англ. - М., 1989. С.78.
6. Мир растений - Энциклопедия ухода за растениями[Электронный ресурс].Режим доступа: http: //www. floralworld.ru/regulyators/epin.html.
7. Перельман А.И. Атомы-спутники. М., 1990. С.20.
8. Реутова, Н.В. Мутагенное действие неорганических соединений серебра и свинца на традесканцию / Н.В. Реутова, В.А. Шевченко // Генетика. 1992.Т.28. N 9. С.89-96.
9. Спитковский, Д.М. Особенности внепланового синтеза ДНК и изменений структурных параметров ядер лимфоцитов человека после действия рентгеновского излучения в малых дозах и в сочетании с УФ-облучением / Д.М. Спитковский, А.В. Ермаков, А.И. Горин и др. // Радиационная биология. Радиоэкология. 1994. Т. 34. Вып. 1. С. 23-30.
10. Сынзыныс, Б.И. Техногенный риск и методология его оценки/ Б.И. Сынзыныс, Е.Н. Тянтова, О.А. Момот, Г.В. Козьмин. Обнинск, 2005. С.76.
11. Федеральная служба по надзору в сфере защиты прав потребителей и благополучия человека. Постановление от 23 января 2006 г. №1 «О введении в действие гигиенических нормативов ГН 2.1.7.2041-06 - Предельно допустимые концентрации (ПДК) химических веществ в почве [Электронный ресурс].Режим доступа: https://alexander.rumega.name/yav/laws/nature/pdk/ soil.htm.
12. Шихова НС. - ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ И ПРИКЛАДНЫЕ ПРОБЛЕМЫ БОТАНИКИ В НАЧАЛЕ XXI ВЕКА: Материалы всероссийской конференции (Петрозаводск, 22-27 сентября 2008 г.). Часть 6: Экологическая физиология и биохимия растений. Интродукция растений. Петрозаводск: Карельский научный центр РАН, 2008. С. 152 - 155.
13. Hallgren, J-E. Effect of SO2 on photosynthesis and ribulose bisphosphate carboxylase in pine tree seedlings / J-E. Hallgren, K. Gezelius // Physiol.Plant1982.54 P.153-161.
14. Hartwig, A. Indirect mechanism of lead-induced genotoxicity in cultured mammalian cells / A. Hartwig, R. Schlepegrell, D. Beyersman // Mutat.Res. 1990. V.241. N.1. P.75-82.
15. Hertzberg, R. C. Synergy and other ineffective mixture risk definitions / R.C. Hertzberg, M.M. Mac Donell // The Science of The Total Environment 2002,V288, issue.1-2, P 31-42.
16. Larcher, W. Physiological Plant Ecology / W. Larcher. Springer 2003.Р.513.
17. Lohs. Martin-Luther-Univ., Halle-Wittenberg, 1982/35 (P 17) P.16-25.
18. Reichmayr-Lais, A.M. Lead / A.M. Reichmayr-Lais, M. Kurchgessner/ In: Biochemistry of the essential ultratrace elements / Ed. Frieden E. N.Y., L.:Plenum Press, 1984. P.367-387.
19. Schiewer, U. Zur Salzresistenz limnischer Blaualgen Umwelt-Stress, Wiss. Beitr / U. Schiewer / Martin-Luther-Univ., Halle-Wittenberg, 1982/35 (P 17). P .363-366.
20. Tesche, M. Wirkungen von komplexen Umweltstress auf Koniferen / M. Tesche / In: Umwelt-Stress, Wiss. Beitr., Martin-Luther-Univ., Halle-Wittenberg, 1982/35 (P 17) P. 269-276.
21. Venugopal, B. Metal toxicity in mammals.Chemical toxicity of metals and metalloids / B. Venugopal, T D. Luckey. N.Y.: Plenum Press, - Р.- 210 - 221.
22. Zwarich M. A., Mills J. G. Heavy Metal Accumilation by Some Vegetable Crops Grown on Sewage -Sludge-Amended Soils // Canadian Journal of Soil Science.- 1982.-Vol. 62, N 2.- P. 243-248.
