Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Влияние свинца-как экологического фактора на растения пшеницы озимой

ВАК РФ 03.00.16, Экология

Автореферат диссертации по теме "Влияние свинца-как экологического фактора на растения пшеницы озимой"

ДННПРШЕТРСВСНИЙ ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ГОСУДАРСТВВШЫЙ УНИВЕРСИТЕТ имени 300-летия ВОССОЕДИНЕНИЯ УКРАИНЫ С РОССИЕЙ

На правах рукописи

АЛЬ-ХАЕИВ АЛЬ-АРУД 1С НИР

ВЛИЯНИЕ СВИНЦА - КАК ЭКОЛОГИЧЕСКОГО ФАКТОРА НА РАСТЕНИЯ ПШЕНИЦЫ ОЗИМОЙ' -

03.00.16 - окология '

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Днепропетровск - 1991

Работа выполнена на кафедре физиологии растений Донецкого государственного университета.

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:'

доктор биологических наук, профессор НЕГРУВДИЙ С.Ф.

доктор биологических наук, профессор НИКОЛАЕВСКИЙ B.C.

кавдидат биологических наук ГРЩШ Я.П.

УСХА, г.Киев

Защита состоится " " 991 г. в /УРО часов на

заседании специализированного совета Д 053.24.02 по присуждению .ученой степени доктора биологических наук в Днепропетровском государственном университете по адресу:

320625, г.Днепролетровск-Ю, проспект Гагарина, 72, госуниверситет, биолого-экологический факультет.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке, Днепропетровского госуниверситета

Автореферат разослан " ££<Си$/иЛ'*'1991 г.

Ученый секретарь специализированного совета*.-^ ^

ОЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность теш. В эпоху научно-технического прогресса воз-Ггствие человека на биосферу нашей планеты, ее структуру и энер-гику стало поистине всеобъемлющим. Из недр земли ежегодно нзвле-отся миллиарды тонн угля, нефти и других ископаемых, рассеивает-масса химических элементов, нарушая естественное соотношение их Зиосфере. Атмосферу и воду загрязняют не только промышленные и говые отхода, выхлопные газы автомобилей, но и пестициды, отходи тьскохоэяйстэенного производства. Проблемы экологии все сильнее гауют человечество.

Среди разнообразных токсических веществ почвенного покрова, юсферы, водоемов Донбасса характерно высокое содержание тяяелых баллов, в частности свинца. Сельскохозяйственные угодья находят-непосредственно вблизи промышленных предприятий., Поля совхозов солхозов расположены рядом с автомагистралями и дорогами. А как ¡естно, транспорт - один из самых мощных.загрязнителей среды шцом. Следовательно, сельскохозяйственные растенья испытывают iciBiie высоких концентраций этого фитотоксиканта. Ото приводит к тушениям роста и развития растений, снижению урожаев. В результа-загрязнения свинцом почвы и растений наибольшей опасности поддаются даенья пищевой цеди, в том числе и человек. Повышенное со-каше свинца в организме человека отрицательно сказывается на

здоровье и наследственности. Предусматривается выполнение ана-'ичных исследований в условиях Сирии.

Цель и задачи исследований. Целью диссертационной работа яв~ ¡тся исследование адаптивных механизмов растений пшеницы озимой овншенннм ■ концентрациям овинца в среде, изучение приемов повы-ия устойчивости растений к металлу с использованием элементов, ерального питания. В связи с этим предусматривалось решение дующих задач:

. I. Исследовать влияние токсиканта на рост и развитие расте-шеньцы озимой при корневом поглощении.

2. Изучить механизмы толерантности растений к избыточному со-канию свинца на молекулярном, клеточном и органнзмешюм уровнях.

3. Разработать прпеми повышения устойчивости растений пшешщц «ой к свинцу. . .

Научная новизна.Исследовано влияние различных концентраций' вда на рост трех сортов растений пшеницы озимой. Изучены адап-

тишше механизмы растений к повышенной концентрации свинца на молекулярном, клеточном и организменном уровнях. Исследован прием повышения устойчивости растений в условиях загрязнения среды евин цом.

, Практическая значимость работы.В результате исследования антагонистических взаимоотношений свинца с элементами минерального питания разработан прием сникения токсического действия металла на растения пшеницы озимой. Изучено влияние смесей элементов минералу ного питания на рост растений в условиях загрязнения среды свинцом1 в многофакторном эксперименте.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы ; изложены на первой Всесоюзной научной конференции "Растения и промышленная среда" (Днепропетровск, 1990), Республиканской научной конференции "Промышленная ботаника: состояние и перспективы разви-'. тия" (Донецк, 1990). Материалы работы обсувдались на ежегодных итоговых научных конференциях Донецкого государственного университета (1986-1990 гг.). ' ••

. Публикации. Основные положения диссертации изложены в 3 печач шсс работах.

Структура и объем работы.-Диссертация изложена на 129 страницах машинописного текста, состоит из введения, пяти глав, общих выводов и практических рекомендаций для Сирии и развивающихся стран. Работа содержит 36 таблиц, иллюстрирована 13 фотографиями и рисунками. Список использованной литературы содержит 213 источников, б том числе 133 иноотран 'лс. В приложение вошли результаты статистической обработки экспериментальных данных.

Объекты и методы.Исследований. Объектом исследований служили сорта пшеницы озимой: Одесская 51, Полукарлик, Донецкая 46.

Свинец'в растения вводился путем выращивания на питательной среде Кнопа, содержащей следующие концентрации нитрата свинца: ■ 10~°моль/л, 10 тюль/л, 10™^моль/л. Контрольные растения выращива-/Лйсь на среде без внесения металла. Салена проращивались на дистиллированной воде.' Пророошие семена статифицировали на холоде при температуре -5°С в течение 7 дней. Наблюдения за ростом и развитием растеши" проводились в течение 21 суток, после чего осуществлялись линейные замеры высоты надземной части растений и длины их корней. Электройоретическое исследование изоферментных спектров

полифенолоксидазы и пероксидазы проводили по Сафонову В.И. и Сафоновой М.Д. (1971). Содержаний редуцирующих Сахаров, суммы Сахаров, сахарозы, фруктозанов, крахмала, суммы органических кислот определяли по Починку Х.Н. (1976). Активность амилазы - по методу Б.С.Асотиаяи в модификации Ю.Г.Дриседского (1985).-Количество общего белка в растениях проводили методом Лоури (Ермаков, 1972). Содержание хлорофиллов л и Ь и каротина определяли спектрофото-метрическим методом. Методом математического планирования исследовали влияние элементов минерального питания на рост растений пшеницы в условиях загрязнения почвы свинцом (Лисэнков, 1979, Максимов, 1980). Исследования проводили по плану дробного факторного, двууровневого эксперимента типа состоящего из 32 опытов.

Минимальное содержание элемента в смеси соответствовало соотношению его молярной концентрации к молярной концентрации фитотокси-канта, равному 1:1, максимальное - 5:1. При статистической обработке экспериментальных данных использовали дисперсионный' анализ, критерий Стьюдента (Плохинский, 1980).

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ '

ВЛИЯНИЕ СВИНЦА - КАК ЭКОЛОГИЧЕСКОГО ФАКТОРА НА ■ РОСТ РАСТЕНИЙ ПШЕНИЦЫ ОЗИМОЙ

Избыточное содержание свинца в окружающей среде вызывает в растительном организме серьезные нарушения в ходе основных метаболических процессов, проявляющиеся правде всего в угнетении роста и развития растений. '

Исследовалось влияние различных концентраций сйинца в питательной среде на рост растений пшеницы озимой. Установлено, что высота надземной части растений пшеницы озимой сорта Донецкая 4б при концентрации Ю~5 моль/л уменьшается на 9,8$, Одесская-на 9,6$, Полукарлик - на 5,6$, а длина корней - на.11,5%, 13,6 и 10,3 соответственно по отношению к контролю. Содержание свинца в дозе . Ю-4 моль/л максимально снижает размеры надземной части растений сорта- Одесская 51 - на 27,7, минимально - на 12,7? у сорта Полукарлик и у сорта Донецкая 46 - на 14,1$. Наибольшее ингибированле роста корней при этой яса дозе металла наблюдалось у сорта Донец- '

кая 46 - на 46,3$, у сорта Одесская 51 - на 31,8^, наименьшим оно было у растений сорта Полукарлик - на 24,1$.

Максимальное количество фитотоксиканта в среда Ю-3 моль/л подавляет рост надземной части растений пшеницы озимой сорта Донецкая 46 - на 43,8^, Одесская 51 - на 47,8^, Полукарлик - на 29,9$, корней соответственно на 85,1$, 86,4$ и 75,9$ по отношении к контролю.

Наблюдаемое угнетенна роста надземной части растений под boj действием избыточных концентраций металла, а следовательно и его фитотоксичность, находятся.в прямой зависимости от его концентраций в среда. Ингибированиз роста надземной части связано с одной стороны с фиэиолого-биохимическими изменениями, вызванными поглощенным и транспортированным в надземные органы металлом, а с другой - с нарушением функциональной деятельности корня (поглотительная способность элементов минерального "питания^-водообеспечешя и т.д.).

Рост корней подвержен большему угнетению, чем стеблей. По-видимому, ато связано с тем, что сшнец, являясь малоподвижным металлом накапливавшимся в основном в корне,^вызывает, соответственно, более глубокие изменения метаболических процессов в атом органе. Установлено, что рост как надземных частей, так и корней растений пшеницы озимой сорта Полукарлик во всех вариантах опыта подавляется в меньшей степени, чем сорта Одесская 51 и Донецкая 4( Следовательно, сорта пшеницы озимой обладают различной устойчивостью к фитотоксикан- -/.

СОРТОВЫЕ РАЗЛИЧИЯ УСТОЙЧИВОСТИ РАСТЕНИЙ ПШЕНИЦЫ ОЗИМОЙ К-СВИЩУ - ЗАГРЯЗНИТЕЛЮ СЕЕЛУ

• Толерантность растений к избыточному содержанию тяжелых металлов формируется сложными механизмами. Выявлены видовые, сор' товые, популяционные и индивидуальные формы устойчивости растений к металлам. Устойчивость растений пшеницы озимой к свинцу определяли по индексу устойчивости (ИУ). Как свидетельствуют полученные данные, к минимальной концентрации фитотоксиканта в среда I0*"5moje наибольшей устойчивостью отличаются растения пшеницы озимой сорта Полукарлик,у которых ИУ равен 0,90, меньший ИУ - 0,88 у Донецкой <

наименьший - 0,86 у сорта Одесская 51. При воздействии нитрата винца в среда Ю-^ моль/л ИУ у растений пшеницы озимой сорта Полу-арлик был самым высоким - 0,76, у сорта Одесская 51 - 0,68 и саам низким 0,52 у сорта Донецкая 46. Индексы устойчивости растений варианте с максимальным содержанием металла Ю-3 молъ/л распола-ались в следующей последовательности: 0,24 - у сорта Полукарлик, ,17 - у сорта Донецкая 46 и 0,14 - у сорта Одесская 51, Итак, в анном варианте опыта, как и в предыдущих, растения пшеницы озимой орта Полукарлик отличаются наибольшей устойчивостью к фитотокси-анту.

АДАПТИВНЫЕ МЕХАНИЗМ РАСТЕНИЙ ПШЕНИЦЫ ОЗИМОЙ К СШНЦУ

В адаптации растений к тяжелым металлам принимают участие ложные процессы. Рассмотрим механизмы толерантности растений к :овышзнному содержанию свинца на молекулярном, клеточном и орга-изменном уровнях.

Основная роль в приспособлении растений к неблагоприятным фак 'орам срэды принадлежит ферментативным системам..По имеющимся лите->атурным сведениям одной из существенных физиологических причин ус-'ойчивости растений к фитотоксикантам является соответствующая подстройка дыхательных систем и, в частности, увеличение активности жсидоредуктаз, которые дают возможность в неблагоприятных условиях юбывать энергию, необходимую дал поддержания жизнедеятельности. Элвктрофоретический метод исследования ферментов позволяет на молекулярном уровне раскрыть механизмы, обеспечивакщие устойчивость растений к промышленным загрязнителям.

Нам! ясслэдоваяы изофарментные спектры лолифенолоксидазы и 1ероксйдазы растений пшеницы озимой, выращиваемых при различных, гровнях загрязнения среда нитратом'свинца (рис.1). Электрофорети-19ский спектр изознзимов полифенолоксидазы контрольных растений, 1 также выращенных на средах с добавлением свинца (Ю-5,КГ4 и 10~ лоль/л) состоял из 7 белковых компонентов с относительной электро-£оретической подфижностЫо (0ЭП):0,6, 0,15, 0,21, 0,32, 0,48, 0,58 и 3,71. Элэктрофорэграммы растений,выращенных на среде с максимальным содержанием металла,отличались от контроля усилением интенсивности энраски зоны о ОЭД 0,15 и увеличением ширины белкового компонента

0,06. ' —. 0,06 0,06 — 0,06

утш 0,15 0,15 0,15 N 0,15

0,21 0,21 0,21 зшв 0,21

0,32 0,32 0,32 0,32

___ 0,48 0,48 0,48 _ 0,48

0,53 0,53 0,53 0,53

0,71 ' МММ 0,71 0,71 0,71

'2.

0,05 0,09 0,05 0,09 0,05 0,09 0,05 0,09

0,15 0,15 0,15 0,15

— 0,23 ' 0,27 0,23 0,27 — 0,23 0,27 — 0,23 0,27

0,33 * 0,33 0,33 шж 0,33

0,45 0,45 0,45 0,45

0,52 0,52 0,52

- 0,65 0,69 - 0,65 0,69 — 0,65 0,69 0,65 0,69

0,80 0,80 0,80 0,80

Рис.1. Схемы электрофореграмм изоферментных спектров поли-фенолоксидазы (А) и цероксизазы (В) растений пшениць озимой, подверженных токсическому воздействию свинца где 1-контроль, 2-содерзшниа свинца в среде в концентрации 10"5кольУл, 3-10"Л4оль/л, 4-10~3моль/л.

8

А

ОЭП 0,32. Изоэнзимный спектр пероксвдазы включал II белковых н с ОЭП 0,05 , 0,09,- 0,15, 0,23, 0,27, 0,33, 0,45, 0,52, 0,55, 69 и 0,80. По количественному составу электрофореграмш опытных стений от контрольных не отличались. По качественному .составу ектрофореграммы растений, выращенных на среде с максимальным со-ржанием загрязнителя - Ю~^оль/л, отличались от контроля увели-нием ширины зоны с ОЭП 0,33 и усилением интенсивности окраски мпонента с ОЭП 0,80,

Таким образом, под воздействием токсических концентраций'свив-происходят изменения в изоэнзимных спектрах полифенолоксидазы и роксидазы: увеличивается ширина белковых зон, усиливается интен-вность окраски у устойчивых к фитотоксиканту изоформах. Эти изменил являются проявлением защитных свойств растений, обеспечивакь х их жизнеспособность в экстремальных условиях' среды.

Одним из наиболее чувствительных физиологических процессов к здействиа внешних факторов, а также и тяяелых металлов, является тосинтез. Торможение функциональной деятельности независимо от звавшего его фактора, выступает причиной нарушения обмена веществ растительном организме, сокращает его автотрофное- питание и отло-ние запасных веществ. Конечным результатом подавления фотосилте-является снинение'интенсивности'роста и развития растений, хо- ■ йственного урожая, а такке'устойчивости к другим.неблагоприятным кторам.

Проведенное опыты по определению влияния различных концентра-& свинца на содержание фотосинтезирувдих питаентов - хлорофшиов , г и 6 и каротина в растениях' различных сортов пшеницы озимой ■ ; ашзали,. что при концентрации металла в среде 10~®мйль/л. содеркц-1 е хлорофилла сс у растений с налается и составляет у сорта Донец-я 46 - 85,8/1, у сорта Одесская 51 - 79,7$, у сорта Полукарлик'-,3%, хлорофилла Ь - 75,7%, 70,0 и 94,3$ соответственно. Коли-.' ство каротина в данном варианте у сорта Донецкая 46 и Полукарлик ходятся на уровне контроля, у сорта Одесская 51 уменьшается 8%.. Количество хлорофилла л у растений пшеницы, выращенных на юде с содержанием металла 10"\юлъ/л падало и достигало по отно-«ию.к контролю у сорта Донецкая 46 - 81,0,1,-у сорта Одесская 51,7% и у сорта Полу карлик - 79,4)2, хлорофилла ¿-72,2, 60,0 и ',4:%, каротина - 89,8$ - у сорта Одесская 51, а у сорта Донех^-я 46 и Полукарлик оно находилось в пределах контроля. Под воз-

действием максимальной дозы металла количество хлорофилла в

растениях составляло соответственно: у сорта Донецкая 46 - 79,6%, у сорта Одесская 51 - 64,4$, у сорта Полукарлик - 74,1$, хлорофилла Ь - 66,2, 46,9 и 70,0$, каротина 89,4, 80,8 и 91,0$.

, Отношение хлорофилла <*- к хлорофиллу Ь из-за резкого снид ния последнего увеличивается,составляя - в контроле у сорта Донец ка 46 - 1,59, в варианте с содержанием свинца в дозе 10~^ыоль/л -1,69, Ю-4 - 1,78, Ю-3 - 1,91 - у сррта Одесская 51 - 1,55, 1,77 1,96 и 2,10, у сорта Полукарлик - 1,74, 1,77, 1,80, 1,84 соответст венно.

У растений пшеницы озимой сорта Полукарлик, являющихся наиболее устойчивыми к фитотоксическоыу воздействию свинца, эти нарушения носят менее выраженный характер.

Количественное уменьшение фотосинтезируицих пигментов связано по-видимому, как с угнетением их биосинтеза, так и с разрушением цх под действием фитотоксиканта.

Поступление ионов тяжелых металлов в растения влечет за собой изменение катионно-анионного баланса. Для нейтрализации катионов тяжелых металлов в растительных организмах используются анионы органических кислот. Органические кислоты играют важную роль в защите растений рт токсического действия тяжелых металлов, с которыми могут связываться в прочные комплексные соединения. Существенное увеличение содержания органических кислот рассматривается в качест ве защитной реакции растительного организма на повревденле тяжелыми неталлани.

Рассмотрено влияние различных концентраций свинца на содержание суммы органических"^кислот в различных сортах пшеницы озимой.

• Результаты исследований представлены в таблице I,

Как видим, концентрация металла в среде Ю~5мольД уменьшает сумму органических кислот в надземной части растений на 18-38$, и ■ увеличивает ее в корнях на 10-61$, за исключением сорта Полукарлиь » где достоверных различий с контролем не наблвдается. Доза металла в среде 10" моль/л снижает содержание органических кислот в надземной части растений - на 30-62$, корнях - на 5-14$, 10"3моль/л -на 68-72$ и 61-87$ соответственно по отношению к контролю.

Уменьшение суммы органических кислот в растениях под воздействием токсических доз свинца связано, по-видимому, с процессами д

оксикации поглощенного металла. Органические кислоты, вступая во заимодейстние с поглощенным металлом и образуя с ними комплексные оединения, нейтрализуют фитотоксикант, Этим, очевидно, можно бъяснить, что в корнях содержание органических кислот уменьшается | большей степени, чем в надземной части растений.

Таблица I.

Аутэкологические особенности воздействия свинца на удержание суммы органических кислот в растениях пшеницы озимой (в расчете на яблочную кислоту)

Наименование ¡Концентрация нитрата свинца в среде, моль/л

сорта и органа шстений i i 0 ! -5 Г 10 ü I lO"4 í Г0"3

[онецкая 46

вдземная часть 3,I49±Q,II I,94jn0,03 2,2I±0,05 1,01+0,06

юрень I,07¿0,09 1,80*0,02 0,5I¿0,04 0,14^0,04

)десская 51

шдземная часть 0,87+0,03 0,7I¿0,02 0,34+0,03 0,24+0,05

сорень 0,7L¡p,0I 0,79±0,09 0,4I±0,03 0,28^3,04

1олукарлик

вдземная часть 0,8I¿0,03 0,65¿0,09 0,33±p,0I 0,22+0,03

<орень 0,78+0,02 0,79¿p,02 0,67¿0,03 0,35¿3,02

Таким образом, уменьшение содержание суммы органических кисло а растениях в условиях загрязнения среды соединениями свинца носит защитный характер.

В экстремальных условиях среды обитания обмен веществ в расти тельных организмах протекает с большими энергетическими затратами. В этой связи изучено влияние тяжелых металлов, и в частности свинца на содержание углеводов, являющихся источником стабилизации обмена веществ растений, представляет определенный интерес.

Исследовано влияние различных концентраций свища на содержание редуцирующих Сахаров - глюкозы и фруктозы, суммы Сахаров, сахарозы, крахмала, фруктозанов и активность амилазы в растениях пшеницы озимой.

Выявлено, что под воздействием токсичных концентраций нитрата

свинца содержание суммы Сахаров в надземной части растений сорта Донецкая 46 увеличивается в 1,7-3,5 раза, в корнях уменьшается на 36,9-59,9% по отношению к контролю. Количество редуцирующих Сахаров при эг"ч возрастает-в надземной части растений в 1,8-5,4 раза, в корнях 1,3-2,9 раза. Содержание сахарозы растет в надземной части растений в 1,3-3,2 раза, в корнях - снижается на 38,6-65,3$. В надземной части растений пшеницы озимой сорта Одесская 51 увеличивалась суша Сахаров в 1,2-2,0 раза и уменьшалась в корнях на 14,759,8/» по сравнению с контролем. Возрастание количества редуцирующих Сахаров достигало в надземной части в 1,3-2,6 раза, в корнях -1,5-3,1 раза. Содержание сахарозы в надземной части растений превышало контроль в 1,2-1,9 раза, в корнях снижалось на 16,7-68,6$.

Примерно аналогичная картина в со;, .ржании исследуемых углеводов наблюдалась и у растений пшеницы озимой сорта Полужарлик.

Возрастание количества суммы Сахаров связано, по-видимому, с увеличением редуцируицпх Сахаров и ростом содержания сахарозы в надземной части растений. Повышение концентрации редуцирущих Сахаров можно рассматривать как защитную функцию в экстремальных условиях минерального питания.

Существенно влияет свинец и на содержание крахмала. В надземной частг растений пшеницы озимой сорта Донецкая 46 количество его снижается в 1,4-4,1 раза,;в корнях в 1,6-2,4 раза, у сорта Одесская 51 в 1,4-4,2 :: 1,3-2,4 раза, у сорта Болукарлик в 1,2-3,1 и 1,1 -1,9 раза соответственно. Под влиянием свинца происходит возрастание активности амилазы. В надземной части растений сорта Донецкая 46 активность амилазы увеличивается в 2,4-2,9 раза, в корнях в 1,2-3,1 раза, у растений сорта Одесская 51 в 1,1-1,9 и 1,6-1,8 раза, и у сорта Ролукарлик в 1,1-2,3 и 1,1-2,7 рарч. Имеет место и определенное возрастание содержания фруктозанов в надземной и подземной частях растений.

Однако в варианте с максимальным содержанием свинца Ю~^моль/л наблвдается ипиение активности амшизы (у сорта Одесская 51 в корнях и у сорта Донецкая 46 как в корнях, так и в надземной части) и внра'шшо»- уменьшение содержания крахмала. Эту реакцию растений молено объяснить, по-вадимону, снижением активности всех жизненно-ва-шых ущзиолого-биохиилческих процессов, происходящих под влия-шш.1 высоких кс центраций фитотоксиканта.

Б детокоикании поступающих п растительный организм ионой тя-

злых металлов важную роль играют белковые боединения. Белки, зтупая во взаимодействие о тяжелыми металлами и образуя с ними эмшюксныа соединения, нетрализуют химическую активность, а яедовательно, и токсичность фитотоксикантов. Способность к об-!зованию комплексов является важной для детоксикации металлов растительном организма и Их выделения из организма, но в то же ремя, она представляет основной механизм токсического действия зогих из них. Белки, соединяясь с тяжелыми металлами, декатури-рются и в общем метаболизма не участвуют. И хотя процессы синте-1 белка усиливаются, суммарное содержание его увеличивается, ин-энсивность процессов обмена белков значительно ослабевает, что Зязательно ведет к ослаблению и всех других метаболических про-эссов.

Влияние различных концентраций свинца на содержание общего злка в растениях пшеницы озимой представлено в таблице 2. .

Таблица 2

Аутэкологические особенности воздействия свинца - как ■сологического фактора на содержание общего белка в растениях пшеницы озимой (мкг/г сухого вещества)

Наименование сорта и органа растения

! Концентрация нитрата свинца в среде.моль/л

Ж

1-5

Ж

1-4

,-3

эрт Донецкая 46 здзэмная часть эрень

эрг Одесская 51 здзэмная часть эрень

эрт Полукарлик здзэмная часть зрень

375,0±22,8 410,2^18,6 458,0±32,9 580,9±29,7

425,6±34,9 517,0^40,2 595,5£37,8 862,7±32,5

360,4-^28,9 498,5^26,1 531,0^30,1 252,2±29,7

400,5+40,3 360,0+24,5 497,9^27,8 780,8+40,9

480,0±20,4 478,0^24,6 580,^21,3 926,1±29,4

525,5±34,4 615,7+20,1 675,6^35,5 988,4±21,9

Из представленных данных видно, что при минимальной дозе в редэ 10"^ моль/л его количество в надземной части растений возрастет у сорта Донецкая 46 в 1,1 раза, у сорта Одесская 51 в 1,4 ра-1, а у сорта Полукарлик находится на уровне контроля. В корняу ютений суммарный белок увеличивается в 1,2 раза у сортов Донец-

кая 46 и Полукарлик, а у сорта Одесская 51 он уменьшается в 1,1 раза. Под воздействием фитотоксиканта в концентрации 10-4моль/л содержание общего белка в надземной части растений растет в 1,4 раза у сор-"а Донецкая 46, в 1,5 раза у сорта Одесская 51 и в 1,2 раза у сорта Полукарлик. В корнях растений его количество также превышает контроль в 1,4, 1,2 и 1,3 раза соответственно. В вариан те о максимальной дозой металла в питательной среде Ю-3 моль/л в надземной части растений суммарный белок возрастает у сорта Донеп кая 46 в 1,6 раза, у сорта Одесская 51 снижается в 1,4 раза и у сорта Полукарлик увеличивается в 1,9 раза. В корнях растений всех исследуемых сортов содержание общего белка возрастает-в 2,0 раза у сорта Донецкая 46 и Одесская 51 ив 1,9 раза у сорта Полукарлик

Из анализа полученных результато следует, что в условиях интоксикации свинцом увеличение суммарного белка носит защитный характер, гак как белковые соединения участвуют в механизмах де-токсикации поглощенного растением фитотоксиканта. Можно предположить, что белки, вступая во взаимодействие со свинцом, образуют с ним комплексные устойчивые соединения, приводя свинец в биологически менее активное состояние.

ПОВЫШЕНИЕ УСТОЙЧИВОСТИ РАСТЕНИЙ ПШЕНИЦЫ ОЗИМОЙ К СШНЦУ

Одной из причин токсического действия тяжелых металлов явля ется ухудшения обеспечения растений элементами минерального питания, происходящее в результате ухудшения функциональной деятельности корня и нарушения баланса факторов минерального питания.

Практический интерес представляет выявление факторов, снижающих токсическое действие тяжелых металлов на растения. К числу таких факторов можно отнести.элементы минерального питания, спосо ные снижав уровень .накопления металлов за очет явления антагониэ ма ионов и за счет перевода тяжелых металлов в малодоотупные для растений соединения. Исследованиями антагонистических взаимоотношений ионов остановлено, что взаимодействие, ионов носит однозначный характер только при их определенном количественном соотношенл и одинаковой длительности воздействия.

Проведены исследования влияния различных соотношений моляр!: концентраций элементов минерального питания к молярной концентрации свинца в среде (2:1, 4:1, 6:1, 8:1, 10:1) на рост растений пи: ницы оз1 ой. Показатели роста растений, выращенных на средах с дс

элнительным внесением элементов минерального питания, сопоставили с данными контроля I (растения, выращенные 'на среде без заг-язнения и без дополнительного внесения минеральных элементов) и энтроля 2 (растения, выращенные на загрязненной среде, но без до-эдлительного внесения питательных элементов). Уровень загрязнения реды во всех вариантах опыта и контроля 2 был одинаковым.

Анализ полученных экспериментальных данных позволил выявить, го внесение фосйора в соотношении к свинцу 6:1 оказывало полони-ельное воздействие на рост растений. Прирост корней превышал конт-эяь 2 на 45$, стеблей - на 37$ и составил 50,0 и 61,5$ по отношены к контролю I соответственно. Достоверных различий в росте Корей и стеблей в остальных соотношениях по сравнению с контрольными астения/,и не обнаружено.

. Четырехкратная доза серы в среде увеличивала рост корней на 5,0$ по отношению" к контролю 2, что составляло 42,7$ к контролю I а рост стеблей это соотношение воздействия не оказывало. Двойное оотношение серы увеличивало' рост корней пшеницы озшой на 56$ по равнению с контролем 2, но не оказывало существенного влияния на ост стеблей Гисследуемых растений. При соотношении 8:1 происходи-о увеличение роста корней на 46$, стеблей - на 49,0$ по отношению контролю 2. При шестикратном увеличении дозы серы прирост корней стеблей увеличивался в 1,5 раза, а при десятикратном - рост Корей усиливался в 2,0 раза, стеблей в 0,9 раза по сравнению с конт-олем 2.

Внесение азота в среду в соотношении 6:1 увеличивает рост Корей на 53$, стеблей - на 86$ по сравнению с контролем 2. Десяти-ратная доза азота увеличивает рост корней на 86$, стеблей - на 74, етырехкратная - на 93 и 65$ соответственно. Внесение азота в вось-икратной дозе увеличило показатели роста корней в 2 раза, стеблей-а 26$ по отношению к контролю 2.

Присутствие калия в среде в соотношении к свинцу 2:1 способст-ует улучшению роста корней на 116$, стеблей - на 59$ по отношени контролю 2* в соотношении 5:1 - 91 и 46$ соответственно. Дальней-ее повышение концентрация калия не оказывало стимулирующего дейст-ия на рост растений в условиях загрязнения среды свищом.

Достоверных отличий в показателях роста опытных и контролъ"ых астений прй внесении в среду кальция во всех дозах обнаружено не ыло.'

Снижение токсического действия свинца на рост пшеницы озим наблюдалось при внесении в среду марганца. Наибольший прирост ко ней - в 2 раза по отношении к контролю 2 и стеблей - в 1,8 раза происходил при десятикратном увеличении-концентрации марганца.

• Внесение цинка на рост корней влияние не оказывало, но под ляло ростковые процессы надземной части растений. Причем, увелич ние концентрации цинка способствовало большему его угнетению. .

Исследование смесей элементов минерального питания на рост тений в условиях загрязнения среды тяжелыми металлами представля большой практический интерес. Снижение токсического действия фит токсикантов путем использования смесей минеральных элементов мож быть более эффективным, чем применение одного отдельно взятого.

Исследования проводили по методу атематического планирова эксперимента с использованием плана дробного факторного двууровн вого эксперимента (Лисенков, 1979, Максимов, 1980) типа 2У~4, вк чакщего 32 опыта. Дополнительно было поставлено два опыта, в кот рых минеральные элементы не вносились - вариант с чистой почвой загрязненной свинцом. Обработка получанных данных проводилась дв мя методами - путем построения диаграмм рассеивания и по алгорит. Йейтса с последующим построением 1/2 нормальных графиков с целью оценки зн' тимости коэффициентов регрессии для эффектов изучаемых факторов. Как свидетельствуют результаты исследований, наиболее сильное дейсть :е на рост стеблей пшеницы озимой в условиях загря нения почвы свинцом оказывает калий. Увеличение его концентрации в почве вызывает значительную стимуляцию роста стеблей растений. Выявлены линейные эффекты других факторов: выраженный положитель ннй - у азота, отрицательные - меди, серы, марганца.

На рост корней пшеницы озимой, также как и в надземной час сильное положительное действие оказывают калий и азот. Несколько снижен, но достаточно выражен линейный эффект кальция. Отрицател нне эффекты характерны для марганца и меди. Существенное влияние на рост, корней растений оказывают парные и тайные взаимодейстш •тсследуемых факторов.

Таким образом, проведенные исследования показывают, что'вн ние калия, азота и кальция улучшает $ост пшеницы озимой в услови загрязнения почвы свинцом. Не выявлено влияния фосфора, железа и цинка на пост растений. Медь, марганец и сера (в случае роста от

t) при увеличении их концентрации в почве оказывают отрицательное иние на рост растений. Установлено также, что рост пшеницы озимо условиях загрязнения почвы свинцом в значительной степени определен парными и тройными взаимодействиями вносимых элементов пита-[. Следовательно, для повышения устойчивости пшеницы озимой к 1:ствию металла важное значение имеет оптимизация количественного сачественного состава комплексных удобрений.

обще вывода

На основании выполненных исследований можно сделать следующие зо ды:

1. Фитоксичность свинца зависит от его концентрации в среде, исследуемых концентраций Ю-5 моль/л обладает слабой, Ю-4 -зднай и Ю-3 моль/л высокой фитотоксичностью.

2. Установлены сортовые различия в устойчивости растений к ищу - загрязнителю средн. Наибольшей устойчивостью отличаются зтения пшеница озимой сорта Полукарлик.

3. Выявлены аутэкологические особенности воздействия свинца, с экологического фактора загрязнения среды, обеспечивающие адап-даю растений к металлу. Найдены изменения в изоферментных спект-с полифенолоксидазн, пероксидазы. Обнаружено варьирование ширины штенсивности окраски белкрвых зон. Этот процесс генетически зеловлен и носит защитный характер, так как способствует поддаржа о энергетического обмена на необохимом для жизнедеятельности зтений уровне в экстремальных условиях среды.

- Установлено, что под воздействием свинца в растении пшеницы мой содержание хлорофиллов а и 6 , a также каротина снижа-2Я, причем количество хлорофила ¿ уменьшается в большей степени 5лгадается обратная зависимость между количеством фотосинтезирую-с пигментов - хлорофиллов Q, и Ь и каротина и концентрацией ища в среде. Количественное уменьшение фотосинтезирующих пиг-itob связано, по-видимому, с угнетением их биосинтеза и разруше-зм под воздействием фитотоксиканта.

- Выявлено, что токсические концентрации Еь вызывают снижение содержания суммы органических кислот, 'что видимо, сопряжен! с процессами детоксикации металла. Органические кислоты, вступая во взаимодействие с металлам^, образуют' с ниш комплексные соединения, исключающие фитотоксикант из общего метаболизма. В корнях содержание органических кислот уменьшается в большей степени, чем в надземной части растений.

- Обнаружено, что в результате токсического действия свинца сумма Сахаров в надземной части растений' увеличивается, в корнях - уменьшается. Содержание восстанавливающих Сахаров возрастает как в надземной части растений, так и в корнях. Количество сахарозы увеличивается в надземной части, но снижается в корнях, что является следствием блокирования "лоэмного транспорта углеводов из фотосинтезируемых органов в корни растений. Наблюдается усиление амилазной активности, что влечет за собой уменьшение

. количества крахмала. Содержание фруктозанов возрастает. Количественные и качественные изменения в содержании углеводов свидетельствуют о патологических изменениях в углеводном обмене растений. В то же время они обеспечивают протекание энергетических процессов в растительных организмах на необходимом уровне и способствует сохранению жизнеспособности растений в экстремальных .условиях среды,

-Основпя роль в механизмах детоксикации поглощенного растением металла принадлежит, очевидно, белковым соединениям, которые вступая во взаимодействие со свинцом, переводят его в биологически менее активное состояние и исключают его из общего метаболизма. Поэтому увеличение содержания общего белка в растениях пшеницы озимой под воздействием токсических концентраций свинца несет защитную функцию. .. / ..

ПРАКТИЧЕН КИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ ДЛЯ СИРИИ И РАЗШВАЩ11СЯ СТРАН

На основании литературных сведений и данных, полученных нами елях предупреждения и устранения токсического действия свинца эмендуется осуществление следующих агротехнических приемов:

1. Возделывание пищевых сельскохозяйственных культур необхо-о вести не ближе 100 м от автомагистралей. На более близких стках почвы следуот выращивать технические культуры.

2. Использовать единственный постоянный барьер воздушной мигай фитотоксикантов - растительный покров и лесополосы, особенно вечнозеленых растений, сдерживающих распространение свинца, как более опасного загрязняющего вещества.

3. Сокращать промышленные выбросы путем строительства произ-ств в замкнутым циклом на основе безотходных технологий, строи-ьства очистных сооружений, использования фильтров для очистки одов на машинах для предотвращения попадания свинца в атмосферу

сгорании бензина. Последний не должен в будущем включать тетра-лсвинец.

4. При загрязнении почвы свинцом положительный эффект дает об-отка растений хелатами: кальций этилендиашинитратом - 0,3-

кг/га или натрий полифосфатоы - 0,6-3,0 кг/га.

5. Внесение основных элементов минерального питания - азота в ичестве 0,35 г/кг, фосфора - 1,0 и калия 0,15 г/кг способствует чтению роста растений пшЬницы озимой в условиях загрязнения

вы свинцом.

СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ

1. Влияние избыточных концентраций свинца на рост и количеот-ное содержание фотосинтезирующих пигаентов у растений пшеницы мой //Устойчивость растений к стрессовым условиям. -Донец.ун-т. онецк.-1990.-Деп. в УкрНИИНТИ Ш8-Ук.91.-0.19-22.

2. Влияние элементов минерального питания на повышение устой-ости пшеницы озимой в условиях загрязнения среды свинцом //Расин и промышленная среда.-Днепропетровск.-1990.-С.259.

3. Изоферментные спектры оксидоредуктаз при фитотоксическом действии свинца //Промышленная ботаника: состояние и перспективы вития.-Донецк.-1990.-С.132 (в соавт..).

4. Влияние свинца на содержание углеводов в растениях пшеницы мой (отослана в печать).