CC BY
253
ВЛИЯНИЕ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ НА СОДЕРЖАНИЕ ФОТОСИНТЕТИЧЕСКИХ ПИГМЕНТОВ В ЛИСТЬЯХ
МОРКОВИ
В статье дана оценка негативного влияния тяжелых металлов и их смесей на состояние пигментной системы листьев моркови. Выявлено, что наиболее токсичным металлом является кадмий, а в условиях загрязнения почв смесью металлов (медь, свинец и кадмий) проявляется синергизм.
Ключевые слова: свинец, медь, кадмий, морковь, хлорофилл, каротиноиды.
I.S. Korotchenko HEAVY METAL INFLUENCE ON THE PHOTOSYNTHETIC PIGMENT AVAILABILITY IN CARROT LEAVES
Estimation of heavy metals and their mixtures negative influence on carrot leaf pigmentary system condition is given in the article. It is revealed that cadmium is the most toxic metal, and that synergism takes place in the conditions of soil pollution by a metal mixture (copper, lead and cadmium).
Key words: lead, copper, cadmium, carrots, chlorophyll, carotinoids.
Введение. Развитие и функционирование промышленности, энергетики, коммунальных служб, транспорта на территории городов негативно сказывается на их экологическом состоянии.
Красноярск - крупный индустриальный центр с высокоразвитой металлургической, химической, топливно-энергетической промышленностью и автотранспортом. По данным территориального органа Федеральной службы государственной статистики по Красноярскому краю, ежегодные пылегазовые выбросы вредных веществ предприятиями города составлили 163,9 тыс. т за 2006 г., 165,3 - за 2007 г., в том числе от автотранспорта - 110,7 тыс. т. В состав этих выбросов входят такие тяжелые металлы, как свинец, кадмий, цинк, медь, никель, хром, ртуть и другие, которые по своей токсичности относятся к I и II классу опасности [3, 7]. Эти химические элементы, накапливаясь в организме человека, оказывают токсичное действие на его здоровье и могут привести даже к мутагенному и канцерогенному эффектам [4-5]. Вместе с тем атмосферные выбросы от предприятий и автотранспорта оказывают негативное воздействие на растения, снижая содержание хлорофилла и каротиноидов, вызывая сдвиги в структуре мембран хлоропластов, что отрицательно сказывается на интенсивности фотосинтеза [1, 10-11].
Изучение состояния пигментной системы листьев актуально в целях установления степени вредности поллютантов, возможных путей адаптации к ним растений, а также нормирования и прогнозирования антропогенных нагрузок в условиях промышленных мегаполисов и их окружения.
В связи с этим особый интерес вызывает изучение влияния тяжелых металлов именно на пигментный состав растений.
Цель исследований. Изучение содержания пигментного комплекса в листьях моркови в условиях загрязнения почв тяжелыми металлами, а также оценка совместного действия смеси металлов на выбранные показатели.
Объекты и методы исследований. В качестве модельного объекта исследования выбран сорт моркови Марлинка. Он включен в Государственный реестр селекционных достижений, допущенных к использованию. Оригинатор: ГНУ ВНИИ селекции и семеноводства овощных культур, Пензенская государственная сельскохозяйственная академия.
Исследования проводились на базе лаборатории кафедры экологии и естествознания и Испытательного центра по контролю качества сельскохозяйственного сырья и пищевых продуктов при ФГОУ ВПО «Красноярский государственный аграрный университет».
Поведение тяжелых металлов (меди, кадмия, свинца) в системе почва-растение изучали в вегетационно-полевом эксперименте. Тяжелые металлы вносились в 0-20-сантиметровый слой почвы в виде хорошо растворимых солей: CuS04•5Н20, (СНзСОО)2РЬ, 3ССЭ04^8Н20 в концентрациях 5 ПДК. Расчет концентраций проводили согласно данным ПДК [6]. В качестве фона вносили 1\1Нз1\10з + К2Э04 + К1\10з, которые в почвенных условиях являются физиологически нейтральными удобрениями. В различные периоды вегетации (30, 60, 90 суток) отбирали образцы растений для определения содержания фотосинтетических пигментов.
Количественное определение хлорофиллов а и b и каротиноидов определяли по изменению оптической плотности вытяжки (экстракта) пигментов на спектрофотометре при длинах волн, соответствующих максимумам поглощения хлорофиллов а (663 нм) и b (645 нм) и максимуму поглощения каротиноидов (440,5 нм) с последую-
щим расчетом концентрации пигментов по уравнениям Ветштейна и Хольма для 100 %-го ацетона.
Содержание тяжелых металлов в образцах почвы и растениях определялось атомно-абсорбционным методом на спектрофотометре (AAC) «Спектр-5». Анализ проводился в соответствии с ГОСТ 30178-96 «Сырье и продукты пищевые. Атомно-абсорбционный метод определения токсичных элементов». Извлечение подвижной формы тяжелых металлов из почвы проведено ацетатно-аммонийным буферным раствором с рН 4,8 по методу Крупского-Александровой.
Статистическую обработку проводили при помощи пакета Microsoft Excel 97 для Windows и компьютерного пакета статистических программ «Snedecor». Для всех средних величин рассчитывалась стандартная ошибка, результаты исследований подвергнуты дисперсионному, регрессионному анализам и многомерному ранжированию.
Результаты исследований и их обсуждение. Установлено существенное влияние модельной загрязненности почв тяжелыми металлами на их концентрацию подвижных форм в почве и растениях (табл.1). Так, содержание свинца в почве превышает от 1 до 7,4 ПДК. Превышение ПДК по свинцу в корнеплодах моркови составило от 1,42 до 1,82 ПДК. Концентрация подвижных форм кадмия в почве превысила ПДК в 18,34-22,9 раза, а в корнеплодах моркови - в 2,3-9 раз. Превышение ПДК подвижных форм меди в почве
составило от 9,6 до 18,8 ПДК, в корнеплодах моркови - от 2,4 до 2,6 ПДК.
Таблица 1
Содержание подвижных форм химических элементов в почве и корнеплодах моркови, мг/кг
Вариант Определяемый показатель
опыта Свинец, мг/кг Кадмий, мг/кг Медь, мг/кг
Почва
Фон N40P50K50 3,02±0,02 0,28±0,01 1,40±0,02
Фон+5ПДКРЬ 44,8±0,05 0,11 ±0,02 2,18±0,09
Фон+5ПДКСи 6,22±0,08 0,11 ±0,04 54,40±0,04
Фон+5ПДКСс1 6,34±0,03 18,34±0,02 1,93±0,06
Фон+5ПДК(РЬ+Си) 170,42±0,03 0,46±0,06 56,52±0,03
Фон+5ПДК(СС+Си) 9,76±0,08 22,90±0,03 29,01 ±0,04
Фон+5ПДК(СС+РЬ) 176,55±0,17 22,28±0,08 1,50±0,02
Фон+5ПДК(РЬ+Си+СС) 215,28±0,02 20,12±0,19 50,79±0,01
ПДК# 6,0 1,0 3,0
Корнеплоды моркови сорта Марлинка
Фон N40P50K50 0,05±0,005 0,01 ±0,002 0,91 ±0,01
Фон+5ПДКРЬ 0,71 ±0,015 0,03±0,007 2,48±0,02
Фон+5ПДКСи 0,12±0,01 0,03±0,003 12,06±0,02
Фон+5ПДКСС 0,27±0,006 0,27±0,006 2,36±0,01
Фон+5ПДК(РЬ+Си) 0,78±0,004 0,03±0,009 12,78±0,12
Фон+5ПДК(СС+Си) 0,17±0,006 0,07±0,003 12,63±0,01
Фон+5ПДК(СС+РЬ) 0,88±0,009 0,21 ±0,01 2,80±0,06
Фон+5ПДК(РЬ+Си+СС) 0,91 ±0,018 0,27±0,002 13,30±0,08
ПДК## 0,5 0,03 5,0
#- Госкомприрода СССР. №02-233 от 10.12.90; ##-СанПин 42-123-4089-86 от 31.03.86.
При изучении содержания фотосинтетических пигментов в листьях моркови обнаружено, что загрязнение тяжелыми металлами вызывает существенные нарушения в пигментном комплексе. Наблюдается достоверное снижение содержания хлорофилла а, Ь и каротиноидов в листьях моркови (табл. 2).
Содержание хлорофилла а в листьях моркови в течение вегетационного периода варьируется от 9,67 до 42,57 мг/100 г свежей массы (табл. 2). Отмечено достоверное (Р<0,05) снижение хлорофилла а на всех вариантах загрязнения в различные периоды вегетации, причем при полиэлементной токсикации наблюдается максимальное снижение содержания пигмента (63,8 % - 30-е сутки; 68 % - 60-е сутки; 56,8 % - 90-е сутки).
Содержание хлорофилла Ь в листьях меньше, чем хлорофилла а. Оно варьируется от 9,53 до 25,92 мг/100 г свежей массы (табл. 2). Концентрация хлорофилла Ь уменьшается аналогично, как и хлорофилла а. При полиэлементном загрязнении также наблюдается максимальное снижение содержания пигмента (32 % - 30-е сутки, 40,6 % - 60-е сутки, 34,4 % - 90-е сутки). Нужно отметить, что содержание хлорофилла Ь за вегетационный период во всех вариантах исследования характеризовалось меньшим снижением в отличие от контроля, чем в случае изучения показателя хлорофилла а. Это можно объяснить тем, что хлорофилл Ь, входящий в светособирающий комплекс, более устойчив к влиянию загрязнителей.
Исследования процесса накопления хлорофилла у листьев моркови в течение вегетационного периода показало, что максимальное содержание пигментов приурочено к 60 суткам вегетации. Скорее всего, это связано с температурой воздуха, а в данный период она оптимальна.
В табл. 2 также представлены результаты анализа содержания каротиноидов в растениях исследуемых групп. Содержание каротиноидов изменяется от 11,06 до 37,75 мг/100 г свежей массы. Было выявлено влияние ионов кадмия и меди на содержание каротиноидов: растения группы Cd и Си отличаются от контроля пониженным содержанием каротиноидов на более 60 %. Снижение содержания хлорофилла а (основной участник фотосинтеза) и каротиноидов (антиоксиданты) свидетельствует об истощении защитных механизмов при действии тяжелых металлов [2].
Установлено, что более негативное влияние тяжелых металлов и их смесей наблюдается в раннем периоде (30 суток), когда сорбционная емкость протоплазмы еще невелика. С возрастом растения, их листья становятся более толерантными к избытку тяжелых металлов в среде обитания.
Таблица 2
Содержание пигментов фотосинтеза в листьях моркови в различные периоды вегетации
Вариант опыта Показатель
Хлорофилл «а», мг/100 г свеж. массы Хлорофилл «Ь», мг/100 г свежей массы Каротиноиды, мг/100 г свежей массы
Х±S % к контролю Х±S % к контролю Х±S % к контролю
1 2 3 4 5 6 7
30-е сутки
Фон N^50^0 26,71±0,24 100 14,01± 0,37 100 16,21±0,19 100
Фон+5ПДКРЬ 15,58±0,25 58,3* 12,31±0,36 87,8* 12,60±0,45 77,7*
Фон+5ПДКСи 15,00±0,64 56,1* 11,30±0,34 80,6* 15,66±0,30 96,6
Фон+5ПДКСс1 13,44±0,38 50,3* 11,13±0,42 79,4* 14,39±0,20 88,7*
Фон+5ПДК(РЬ+Си) 15,27±0,16 57,2* 13,00±0,30 92,8 12,02±0,24 74,2*
Фон+5ПДК(СС+Си) 11,16±0,45 41,7* 9,58±0,28 68,4* 11,06±0,24 68,22*
Фон+5ПДК(СС+РЬ) 12,85±0,63 48,1* 10,51±0,41 75,0* 12,64±0,34 78,0*
Фон+5ПДК(РЬ+Си+СС) 9,67±0,34 36,2* 9,53±0,45 68, 0* 11,24±0,54 69,3*
60-е сутки
Фон N^50^0 42,57±0,46 100 25,92±0,38 100 37,75±0,43 100
Фон+5ПДКРЬ 32,98±0,60 77,4* 25,36±0,27 97,8 27,63±0,30 73,1*
Фон+5ПДКСи 30,21±0,29 71,0* 21,69±0,34 83,6* 27,16±0,28 72,0*
Фон+5ПДКСС 28,47±0,31 66,8* 22,30±0,26 86,0* 28,04±0,20 74,3*
Окончание табл. 2
1 2 3 4 5 6 7
Фон+5ПДК(Pb+Cu) 25,46±0,72 59,8* 22,25±0,27 85,8* 26,72±0,22 70,7*
Фон+5ПДК^+ад 16,03±0,33 37,6* 15,62±0,19 60,2* 16,70±0,38 44,2*
Фон+5ПДК(Cd+Pb) 24,33±0,20 57,1* 21,27±0,14 82,0* 24,32±0,15 64,4*
Фон+5ПДК(Pb+Cu+Cd) 13,58±0,45 32,0* 15,40±0,22 59,4* 16,29±0,11 43,1*
90-е с' /тки
Фон N40P50K50 35,72±0,38 100 20,68±0,29 100 32,19±0,26 100
Фон+5ПД№Ь 32,07±0,22 89,7* 20,00±0,17 96,7 31,02±0,17 96,3
Фон+5ПДК^ 29,09±0,29 81,4* 20,47±0,32 98,9 30,16±0,80 93,7*
Фон+5ПД^ 26,33±1,78 73,7* 19,31±0,16 93,3* 28,66±0,39 89,0*
Фон+5ПДК(Pb+Cu) 24,71±0,33 69,2* 19,31±0,16 93,3* 24,03±0,29 74,6*
Фон+5ПДК^+ад 15,89±0,22 44,5* 15,58±0,15 75,3* 16,18±0,57 50,2*
Фон+5ПДК(Cd+Pb) 23,74±0,38 66,4* 17,24±0,15 83,3* 21,93±0,23 68,1*
Фон+5ПДК(Pb+Cu+Cd) 15,42±0,27 43,2* 13,58±0,37 65,6* 13,78±0,26 42,8*
* - при P<0,05; ** - при P<0,001.
Главной причиной снижения содержания зеленых пигментов в присутствии тяжелых металлов является подавление биосинтеза хлорофилла [9], связанное в первую очередь с непосредственным действием металлов на активность ферментов биосинтеза. Основными точками ингибирования при этом выступают образование фо-тоактивного хлорофиллидредуктазного комплекса и синтез 5-аминолевулиновой кислоты [13]. Опосредованное действие металлов на биосинтез хлорофилла связано, как полагают, с дефицитом железа [8]. Кроме того, нарушение биосинтеза хлорофилла в присутствии тяжелых металлов может быть вызвано вытеснением этими ионами Мд2+ из молекулы хлорофилла [12].
Ионы кадмия в нашем эксперименте оказали более сильное негативное воздействие на пигментный комплекс листьев моркови. Авторы [13] отмечают, что кадмий является сильным ингибитором биосинтеза хлорофилла. И для этого токсиканта проведен регрессионный анализ, представленный на рисунке. Зависимость оказалась не линейной, так как выбранные варианты исследования сильно отличались по содержанию подвижного кадмия в почве.
0 5 10 15 20 25
Содержание ф от о синт етиче ских пигмент ов, мг/100 г свежей массы
Зависимость содержания фотосинтетических пигментов моркови от концентрации подвижного кадмия в почве
Действие ионов металлов на растения, помимо снижения общей суммы пигментов, проявляется и в форме изменения соотношения пигментов в листьях. Так, в листьях моркови на 30-е сутки вегетации соотношение «хлорофилл а: хлорофилл Ь» под воздействием тяжелых металлов уменьшилось от 1,43 до 1,85 раза, при этом произошло увеличение значений соотношения «хлорофиллы (а+Ь): каротиноиды» соответственно на 5,8 и 12,2 %. Аналогичная картина наблюдалась и в другие периоды вегетации.
Также очевидно, что в присутствии избытка ионов кадмия снизилось соотношение форм хлорофилла а к Ь, что свидетельствует или о том, что переход хлорофилла из формы а в форму Ь ускорялся под влиянием металла, или заметно усиливался процесс распада хлорофилла а.
Таблица 3
Влияние тяжелых металлов на соотношения «хлорофилл а / хлорофилл Ь» и «хлорофиллы (а+Ь):
каротиноиды» в листьях моркови
Вариант опыта Срок вегетации, сут.
30 60 90
Показатель
Хл. а/Ь Хл. (а+Ь) каротиноиды Хл. а/Ь Хл. (а+Ь) каротиноиды Хл. а/Ь Хл. (а+Ь) каротиноиды
Фон N^50^0 1,89±0,04 2,21±0,03 1,62±0,02 1,81±0,02 1,72±0,02 1,75±0,02
Фон+5ПД№Ь 1,26±0,03* 2,48±0,10* 1,30±0,01* 2,1±0,05* 1,60±0,01* 1,63±0,04**
Фон+5ПДК^ 1,32±0,09* 1,67±0,04* 1,39±0,02* 1,89±0,02 1,42±0,02* 1,63±0,04**
Фон+5ПД^ 1,16±0,06* 1,69±0,06* 1,27±0,01* 1,80±0,02 1,36±0,08* 1,59±0,06*
Фон+5ПДК РЬ+ЗД 1,17±0,03* 2,34±0,05 1,14±0,01* 1,78±0,05 1,27±0,02* 1,83±0,02
Фон+5ПДК 1,16±0,06* 1,86±0,09* 1,02±0,02* 1,88±0,02 1,08±0,01* 1,88±0,05*
Фон+5ПДК (Cd+Pb) 1,22±0,07* 1,84±0,1* 1,14±0,01* 1,85±0,02 1,37±0,02* 1,86±0,03
Фон+5ПДК РЬ^^) 1,02±0,08* 1,72±0,08* 0,8±0,01* 1,77±0,03 1,13±0,03* 2,08±0,06*
Ранжирование результатов оценки влияния тяжелых металлов и их смесей по совокупности показателей, характеризующих состояние пигментного комплекса листьев моркови, и их сравнение по соответствующему критерию рангов показало (табл. 4), что лучшими и близкими к лучшим по всему комплексу признаков стали контроль и образцы, выращенные на почвах, загрязненных свинцом. Наименьшая сумма рангов по совокупности всех исследуемых показателей установлена у образцов, выращенных на загрязненных почвах смесями металлов Cd+Pb и РЬ+Си^.
Таблица 4
Многомерное ранжирование результатов оценки влияния тяжелых металлов и их смесей по совокупности исследуемых параметров
Вариант опыта Сумма рангов
Группа «лучших» объектов
Фон N^50^0 112,0
Фон+5ПДКPb 92,5
Группа «худших» объектов
Фон+5ПДК(Cd+Pb) 40,5
Фон+5ПДК(Pb+Cu+Cd) 26,0
Таким образом, загрязнение окружающей среды тяжелыми металлами вызывает нарушения в пигментном комплексе растений.
Выводы
1. Установлено, что под действием тяжелых металлов и их смесей происходит снижение уровня хлорофилла а, хлорофилла Ь и каротиноидов, а также соотношения «хлорофилл а / хлорофилл Ь» в листьях моркови, в то время как соотношение «хлорофиллы (а+Ь): каротиноиды» увеличивается. Следовательно, одним из маркеров уровня антропогенной загрязненности территории может служить пигментный состав растений.
2. В результате проведенного моногомерного ранжирования результатов оценки влияния тяжелых
металлов и их смесей по совокупности показателей, характеризующих состояние пигментного комплекса листьев моркови, был установлен следующий ряд токсичности: для металлов - Cd < ^ < Pb, их смесей - Pb + + Cd < Cd + ^ < Cd + Pb < Pb+ ^.
3. Выявлено, что наиболее токсичным металлом является кадмий, а в условиях загрязнения почв смесью металлов (медь, свинец и кадмий) проявляется синергизм.
Литература
1. Артамонов В.И. Растения и чистота природной среды. - М.: Наука, 1986. - 172 с.
2. Бриттон Г. Биохимия природных пигментов: пер. с англ. - М.: Мир, 1986. - 422 с.
3. Государственный доклад «О состоянии и охране окружающей среды в Красноярском крае за 2007
год». - Красноярск, 2008. - 266 с.
4. Ильин В.Б. Тяжелые металлы в системе почва-растение. - Новосибирск: Наука, 1991. - 151 с.
5. Мажаров В.Ф., Холостова З.Г. Экология и здоровье человека. Медицинская радиоэкология: учеб. пособие. - Новосибирск: Наука, 1998. - 128 с.
6. Химическое загрязнение почв и их охрана: сл.-справ. / Д.С. Орлов, М.С. Малинина, Г.В. Мотузова [и др.]. - М.: Агропромиздат, 1991. - 303 с.
7. Официальный сайт Территориального органа Федеральной службы государственной статистики по Красноярскому краю [Электронный ресурс]. - Режим доступа - www.statis.krs.ru.
8. Greger M, Ogren E. Direct and inderect effect of Cd on photosynthesis in sugar beet {Beta vulgaris) II Phy-
siol. Plant. - 1991. - Vol. 83. - P. 129-135.
9. Formation of the photosynthetic apparatus during greening of cadmium-poisoned barley leaves / G. Horvath, M. Droppa, A. Oravecz [at el] // Planta. - 1996. - Vol. 199. - P. 238-243.
10. Lichtenthaler N.K. Chlorophylls and carotenoids - pigments of photosynthetic biomembranes // Methods in еnzymology / Eds. S.P. Colowick, N.O. Kaplan. - San Diego: Acad. Press, 1987. - Vol. 148. - P. 350-382.
11. Miller P.R., Parmeter J.R. Ozone diosage response response of ponderosa pine seedtings // Air pollutions Control Assoc. - 1969. - P. 435-438.
12. Souza J.F., Rauser W.E. Maize and radish sequester excess cadmium and zinc in different ways. Plant Sci: 65. - 2003. - Р. 1009-1022.
13. The effect of Cd on the biosynthesis of chlorophyll in leaves of barley / A. Stobart, W. Griffiths, I. Ameen-Bukhari [at el] // Physiologia Plantarum. - 1985. - Vol. 63. - № 3. - P. 293-298.
УДК 577.4. 582.86 (571.51) С.М. Трухницкая, В.В. Коренева
РАЗНООБРАЗИЕ ЦИАНОПРОКАРИОТ РЕКРЕАЦИЙ г. КРАСНОЯРСКА
Цианопрокариоты представляют один из отделов почвенных водорослей. Они присутствует в любых экосистемах и их изучение имеет важное значение для оценки биоразнообразия и выявления закономерностей формирования альгофлоры наземных сообществ. В статье представлены результаты многолетних исследований видового разнообразия сообществ цианобактерий в почвах рекреаций г. Красноярска
Ключевые слова: цианопрокариоты, альгофлора, рекреационная нагрузка, биоразнообразие.
S.M. Trukhnitskaya, V.V. Koreneva CYANOPROCARYOTA DIVERSITY IN THE KRASNOYARSK CITY RECREATIONS
Cyanoprokaryota represent one of the soil alga species. They are present in any ecosystem and their study is of great value for biodiversity estimation and law revealing of terrestrial community algal flora formation. The results of long-term research of the specific diversity of the cyanobacteriae communities in the Krasnoyarsk city recreation soils are given in the article.
Key words: cyanoprocaryota, algal flora, recreational loading, biodiversity.
Высшим проявлением взаимообусловленности в совместном развитии организмов является формирование сообществ, представляющих собой некое экологическое единство [1]. Сообщества фототрофных микроорганизмов первыми сформировались на Земле, однако степень их изученности значительно отстает от таковой для макрофитов. Микробные консорциумы весьма специфичны, поскольку именно в них биосфера апробировала многообразие биотических связей. Цианопрокариоты - особая группа организмов, которую
