Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Эколого-физиологические особенности накопления и распределения ртути в высших растениях

ВАК РФ 03.00.12, Физиология и биохимия растений

Автореферат диссертации по теме "Эколого-физиологические особенности накопления и распределения ртути в высших растениях"

л * ■ Ц 5

ВОРОН ЙИС1Ш ОРЛША Л ¡-ЛИПА ГОСШРСТННШШ университет ИМЕНИ лшнского комсомола

II» прав»* рукописи

КОТОВ Валерия Семенович

ЭКОЛОГО-ФИЗИОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ НАКОПЛЕНИЯ И РАСПРЕДЕЛЕНИИ РТУТИ В ВсСШ РАСТЛИ,IX

Специальность 03.00.12 - физиология растений

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Воронеж - Н-Ч

Работа выполнена в лаборатории физиологии устойчивости растении Донецкого ботаническое садо АН Украины

Ниучний руководитель: член-корреспондонт АН Уцраины, дои тор' биопогкчооу. их наук, профессор iTAPAEPt.H B.jp

Официальные оппоненты: доктор бюлогпчеоких наук Воротенникоп A.B. .кандидат биологических наук Епринцев А.Т.

Водушео учреждение: Днепропетровский государственник университет

Зашита состоится "J^"^C/C&'Qfldi 1П9/ г, в ^ часов но заседании специализированного Joboto К 063,48.06 по присуждению .ученой степени кандидата биологических наук при Воронежском государственном университете по адресу: 394693.г.Воронеж, Университетская пл. , 1,госун1:во[<:итег,биолого-ясчненний факультет, ауд. l'JO.

С дюсертациой-иокно ознакомиться в научной библиотеке Воронежского государственного университета

Авторо^ерот разослан " _199/ года

Учений секретарь ,, '

спсчичлнпировпнного сонета •' tu. ^ £ {; ' ^• - Г°®пп;

• ■ ОБЩЕЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТ»

. т 'Ауу^альнооть темы. Осложнение экологической обстановки в ре-зулБтатё"'-деятельнооти человека в большинстве случаев связано о превышением естественных уровней ряда веществ, их аккумуляцией ч токсическим воздействием на биоту, К наиболее одздмм &ед«от»ам такого рода отноеятоя соединения ртути. 13 ряде ¿ои^ДОЗФ

опаонооть ртутного загрязнения усугубляется наложением на Щ(г> мально высокий фоновый уровень ртути в почвах значительных тех-» ногенных эмиссий - результата сжигания и переработки ртутьсоде{>-жацих углей и не<?тепродуктов, деятельности горнодобывающих и металлу ргичеоких предприятий. В наотоялйЗ время иоследуптоя оани-«{»{«ьгигиенические аспекты этого за<^язнения (Ермаченко, 1990).

Однако проблема взаимодействия раотений о окружающей оредоя в конкретных условиях загрязнения не исследована, хотя имеются данные о высокой содержании ртути в растениях рудопроявлений Донбасса (Большаков и др., 1?69\ Использование растения для оптимизации окружающей среды требует выяснения физиолого-биохимиче-оких механизмов ^итотоксичности ртути и толерантности к ней у различных по уровню и характеру накопления токсиканта растений (Тарабрин и др., 198б\

Изучение аккумуляции ртути растениями, как одного из путей миграции ртутных соединений в условиях Донбасса, представляет значительный интерес как с теоретической, так и о практической отороны. Начинать его целесообразно в районах с высоким естественным и техногенным уровнем ртути (территория Никитовского месторождения ртутных руд)

Цели и задачи исследований. Цель работы - изучение характера накопления и распределения ртути в растениях разных видов в овязи о |изиолого-биохимическими механизмами их толерантности для оптимизации использования растений в районах о повышенным содержанием ртути в окружающей среде. Предусматривалось решение оледуюцих задач: I. Изучение видовых различий в характере аккумуляции ртути - как в биогеоценозах ртутного комбината, так и в вегетационных опытах; 2. Изучение особенностей распределения ртути между органами растения й внутри клетки; Э. Рассмотрение некоторых механизмов фитотоксичности ртути и толерантности к ней у различных по уровне и характеру аккумуляции токсиканта раоте-

Подбор ассортимента растений для озеленения районов с поваленным содержанием ртути.

Научная новизна. Впервые изучен характер.поступления и локализации ртути для большого числа видов древесных и травяниотых растений в конкретных условиях ее повышенного содержания в окружающей ореде. Выявлена специфичность аккумуляции ртути растениями - как на видовом уровне, так и на уровне семейств. Показано, что распределение ртути по клеточным фракциям лиотьев растений зависит от общего содержания ее в листьях й от характера аккумуляции. Установлена овязь тератогенеза растений о аккумуляцией ртути и о изменением компонентного состава пероксидаэы в их органах. Показана интенсификация перекионого окисления липидов при накоплении ртути в листьях растений.

Практическая значимость работы. Проведенные исследования позволили обосновать пути использования растений для оздоровления окружающей среды в районах о повышенным содержанием ртути и разработать практические рекомендации по применению растений для озеленения Никитовского ртутного комбината. Результаты иооледова-нил могут быть применены при ботанико-индикационном методе поиока полезных ископаемых и Для оценки уровня загрязнения окружающей среды.

Апробаций работы. Основные результаты исследований докладывались на региональном совещании "Микроэлементы А обмене веществ и продуктивности раотений" (Житомир, 1982), I Всесоюзной совещании "Актуальные задачи физиологии и биохимии растений в ботанических садах СССР" (Пущино, 198^5, Ш. республиканской конференции "Регуляторные механизмы физиологических процессов у раотений" (Киев, 1985\ конференциях молодых ученых "Изуч иё, охрана и рациональное использование природных реоурсов" (Уфа, 1985, 1987), УШ съезде Всесоюзного ботанического общеотва (Алма-Ата, 1988), I Всесоюзной научной конференции "Раотения и промышленная среда" (Днепропетровск, 1990). В завершенном виде работа апробирована на заседаниях лаборатории экологической физиологии растений и ученого совета Донецкого ботанического сада АН Украины.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 12 работ.

• Структура и объем диссертации. Общий объем работы - 136 страниц. Основной текст изложен на 109 страницах и состоит из введения, 6 глав, заключения, списка литературы (162 иоточника, включая 63 иноотранних). Работа иллюстрирована 27 таблицами, 5. рисунками.

5 .

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТУ

ГЛАВА I. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ И ПРИКЛАДНЫЕ АСПЕКТЫ ПРОБЛЕМЫ НАКОПЛЕНИЯ РТУТИ В РАСТЕНИЯХ И ЕЕ ФИТОТОКСИЧНОСТИ

Приведен краткий обзор и анализ ооновных исследований по распределение ртути (в т.ч. антропогенного происхождения) в объектах окружавшей ореды (горных породах, почвах,-донных отложениях, гидро- и' атмосфере). Рассматриваются пути поступления ртути 5 растения и влияние различных условий (форм и соединений ртути, почвенных факторов, систематической принадлежности растений, физиологических барьеров поглощения) на аккумуляцию ртути растениями, а также механизмы фитотоксичности ртути и толерантности к ней применительно к уровню накопления токсиканта. В большинстве работ внимание уделяется исследованиям аккумуляции ртути растениями в отдельных регионах о различным уровнем техногенного загрязнения; при этом флористический оостав исследованных растений веоьма ограничен и характер аккумуляции ртути для большинства видов растений не определен. В обзорных работах (Минеев и др., 1983; Ильин, Юданова, 1989) отмечается, что полученные данные фрагментарны и вачастую противоречивы. Сравниваются также методы определения ртути в растениях и почвах.

ГЛАВА П. ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

Исходя из необходимости изучения особенноотей накопления и распределения ртути в растениях разных видов и изменений в их метаболических процессах а также для отбора устойчивых, и декоративных видов (с целью практического их использования) в качестве' объектов исследований были избраны: высшие растения ртутного комбината и прилегающих районов (23 вида древесных, 59 видов травянистых, 7 видов культурных растений, I вид мхов);, раотения опытных пооадок и посевов 1981»-1988 гг. на территории ртутного комбината (24 вида древесных, 75 видов травянисты«,• 4 вида декоре-тивных растений внутреннего озеленения); 4 вида растений вегетационных опытов. " .

Оценка повреждаемости растений проводилась по 6-балльной шкале (Тарабрин и др., 1986). Отбор растений проводили по общепринятым методикам (Церлинг, 1975; Ермаков, 1987) на пробных площадках, заложенных на основании близких значений агрохимических показателей почв. На опытных участках на территорий ртутно-

го комбината (площадью 100 м- кажднп) изучали влияние органических и минеральных удобрений на накопление ртути раотениями. Аля ' изучения ее поступления в листья растений из атмосферы в летний период на территории ртутного комбината устанавливались контейнеру с почвенной смесь». В вегетационных опытах использовали питательную смесь Гельригеля с внесением ]»эличныч доз ртути в $of>-ме дву хлористой ртути.

Лабораторные анализы выполнены по методикам, составленным согласно ГОСТ 8.^67-82 на основании общепринятых Методой. Содержание ртути в образцах растений и почв определяли методом беспламенной атомно-абсорбционной спектрофотоме'тряи fio ГОСТ 2 6 92786 о Тем отличием, что деструкция материала прОМДйЛася (»}>и 95° в течение трех часов. Агрохимические анйлйзй й/полНёНЙ бОГл&сно методикам Е.В.Аринуикиной (1979\ АМ1Ш(ое*ь фермеНтоб определяли опектрофотометрическими HeióMMi «ёрок'сидазы - с Гбаяколом при ,АЯНН6 ШШ 470 HU, (БойрКИН, 19511, сулероксиддисмутйзы - с НИ+рвте^раяелйёИ fí|jtí 550 НИ (fiefiüchxifiifci ftidovloh , 1971). Содержание ййЛОНовоГа диальдегида определяли по реакции с 2-тио-tífíрбИтуройой КйслоТой' при 532 1Ы Újrkátkm, Голованова, 1988), содержание белка - с кунайСИ йркО-Голубым при 595 нм (Bredford, Í976\ ЗлёкТрофорбЗ НерОкСИД&зЫ проводили в полиакриламидном геле по методике CaifiOHbfifcix (Сафонов, Сазонова, 1971) на приборе Трувеллерй (ТрувелЛёр, Нефедов, 1971\ При изучении выделения ртути растениями и ее распределения по клеточным фракциям использовали модифицированные нами методики (Котов, 1982; Котов, Кортиков, 1Ч87>.

Проведена статистическая обработка полученных результатов: определены среднее арифметическое значение, его ошибка, коэффициент корреляции, достоверность по t -критерию Стъюдента (Пло-хинский, 1970").

ПАВА Ш. ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ РАЙОНА ИССЛЕДОВАНИЙ

Описано географичес! je положение, геологическое строение, рельеф, гидрология, климат, почвы-и растительность района исследований, общая площадь которого составляет около 70 кн.км и включает промплощадки, карьеры и отвалы ртутного ¡сомбкнотп. По при-¡одним условиям и уровни ант[ нреобг'.зггр.ипо':';» и с

дусиая территория типична для /онбасса.

Haj-.болсв опасным акологичгскич фактором тйона молодо "im:»?

являются выброоы ртутного комбината.

Для оценки влияния этих выброоов на раотения на различном удалении воя территория района исследований условно разделена на 5 зон, для которых приведено распределение концентрация ртути ч атмоофере в летний период, в поверхностном и корнеобитаемом олое почвы (Котов, Ерначенко, 1987); при этом распределение ртути в почвах свидетельствует о ее преимущественно аэрогенном поступлении (табл. I).

Таблица I

Содержание ртути в почвах пробных площадок различных зон (мг/кг)

-ц-4-:-

Удале-: ние, 'Зона км

Содержание ртути, х+Му

Глубина отбора проб, см

0-2

Ю

10 - 30

30-50

0-1 1-3 3-5 3-5, отвалы 5-10

1 18,81+4,13 10,33 + 1,31 1,84 + 0,42 1,03+0,31

2 9,26 + 1,15 5,90 + 1,25 0,89 + 0,12 0,51 + 0,06

3 3,15+0,98 2,03 + 0,40 0,65 +0,17 0,55+0,07

4 9,13 + 2,53 8,61 + 1,45 10,41 + 4,73 11,22 + 3,81

5 1,78 + 0,43 0,87 + 0,08 0,44 + 0,12 0,39 + 0,08

Ооновные агрохимические показатели почв (рН, плотнйй оота^ ток, содержание анионов и катионов, гумуоа) оказалиоь близкими для пробных площадок всех зон, кроме четвертой (где расположены отвалы и карьеры комбината).

ГЛАВА 1У. АККУМУЛЯЦИЯ РТУТИ РАСТЕНИЯМИ В ЗКОТОПАХ РТУТНОГО КОМБИНАТА

Древесно-кустарниковые раотения. Приводятся данные о содержании ртути в листьях 47 видов древесно-кустарниковых рутений л различных зонах; дается оценка повреждаемости этих видов растений; отмечена их видовая дифференциация. Среднее содержания ртути в листьях 12 особей тополя канадского в I зоне' в 1989-1990 гг. было в 2-3 раза ниже, чем в 1985-1988 гг., что объясняется ужесточением в последние годы экологичеоких требований к ртутному комбинату.

Выраженной зависимости между устойчивостью растений.и накоплением ртуад в их листьях не обнаружено - вероятно, по причине комплексного влияния многокомпонентных выбросов и других экстре-

мальных факторов промплощадок комбината, а также из-аа различия в механизмах детокоикации и выделения ртути, поступившей в раотения.

Травянистые растения. Обнаружена достоверная корреляция между содержанием ртути в корнях травяниотых растений и в корнеоби-таемом слое почвы (коэффициент корреляции у разных видов составлял 0,88-0,99), что позволило определять характер аккумуляции ртути этими растениями исходя из значений раотительчо-почвенных коэффициентов (РПК) и коэффициентов распределения ртути между органами растений (КР). Приведены средние значения РПК и КР для 59 гидов травянистых растений, раосчитанные по результатам анализов содержания ртути в образцах растений и почв пробных площадок в каждой зоне. Полученные значения РПК изменялись в пределах от 0,18 (пырей ползучий в 5 зоне) до 1,23 (тыоячелиотник благородный в I 301 з).

По величине Н1К в третьей зоне (где его значения определены наиболее точно) и характеру его зонального изменения исследованный травяниотые раотения разделены на Э группы: концентраторы (23 вида), индикаторы (28 видов), индифферентные (8 видов). У концентраторов средние значения РПК.в третьей зоне РПК-j >0,5, их уменьшение по сравнению с величиной в первой зоне РПК| : РПК^" 1,24 + 0,06; у индикаторов 0,3 < РПКЭ < 0,5, РПК-j : РПК3- 1,44 +' + 0,07; у индифферентных видов PilKj < 0,3, РПКГ ; РПК^ 2,06 ±г . + 0,23. Степень аккумуляции ртути растениями разных семейотв в соответствии с изменением в них числа видов о различным характером аккумуляции увеличивалась в такой последовательности: злаки, гречишные, капустные, бурачниковые, лютиковые, г тровые, бобовые, маревые, маковые, гвоздичные.

Поступление ртути в лиотья раотений из атмосферы. Содержание ртути в лиотьях раотения первой и второй зон в ряде случаев было выше, чем в корнях. Если бы Поступление ртути в листья растений первой зоны осуществлялось только из почвы чорез корневую систему, то коэффициенты ее распределения между органами раотений для каждого вида в Первой и третьей зонах были бы близкими, поэтому количество ртути, поступившей в лиотья растений первой з.оны через корневую сиотему £н®Л1к] ножно определить оледующим образом:

[Н6Л1К] - [нвм] • КР3 . где [Hgjçjl - содержание ртути в корнях данного вида растений в пер-

цой зоне, КР^ - среднее значение коэф|ициента распределении для этого же вида в третьей зоне. Разность между реальным содержанием ртути в листьях растения первой зоны [Не д ] и ее количеством, поступившим через корневую систему, характеризует.поступление ртути в листья этих растений непосредственно из атмосферы, Отноои-

выражает долг ртути, поступившей из атмооферы в листья определенного вида растений в первой зоне. Расчет этой величины для каждого вида и определение ее ореднего значения для выделенных ранее групп растений показывает, что в первой зоне доля поступившей из атмосферы ртути для видов-концентраторов составляет 6 + 2,5%, для индикаторных видов - 61,5 + 2,3.?, для индифферентных видов -70,6 + 2,1? общего ее содержания в листьях растений, т.е. различия в характере аккумуляции ртути проявляются и при аэральном ее поступлении. В листьях раотений второй зоны доля поглощенной из атмосферы ртути меньше (в среднем 21,5 + 1,5$).

Аэральный путь поступления ртути возможен и на значительном расстоянии от источника выбросов. Об этом свидетельствуют результаты определения ртути в органах овсяницы красной, выращенной в контейнерах о почвенной смеоью, не содержавшей ртути, и находив-гаихоя в течение лета в разных зонах. Коэффициент корреляции между отношениями средних концентраций ртути в ее листьях и зональным распределением концентраций ртути в атмосфере составил 0,99. Выраженная зависимость аккумуляции ртути в листьях растений от "' ее содержания в атмоофере делает возможной фитоиндикацив интенсивности и пространственно-временного распределения загрязнения ртутью атмооферного воздуха.

Культурные растения. Определено содержание рту?й в брганах 7 видов культурных раотений, отобранных на пробных площадках в третьей зоне в начале и в конце вегетационного периода. Содержание ртути в их органах к концу вегетации увеличивается (предположительно, за счет поступления из атмосферы). Значения РПК у бобовых раотений (горох посевной О.-^б - 0,50) выше, чем у злаков (гше-ница твердая 0,33 - 0,401.

Содержание ртути в органах раотений, обычно используемых для пищевых целей, весьма вариабельно. В зерне пшеницы, кукурузы.

с

тельная величина

[не м] -[не д1К]

[Не и] _ .

ю

Гороха, плодах арбуза и огурца н» обнаружено превышения ПДК ртути для пищевых продуктов « 0,01 мг/кг в пересчете на исходный продук* (СанПиН, 1986), В других обраэцах (клубнях картофеля, плодах помидора, листьях раотений) уровень ртути превышал допустимые нормы, что говорит о необходимости контроля за ее содержание* в условиях почвенного и аэральногс загрязнения.'

Влияние удобрений на поступление ртути в растения. Представлено содержание ртути в органах овсяницы красной (опытные и контрольные участки в первой зоне). Наименьший уровень аккумуляции ртути раотениями (в лИотьях в разные месяцы 52—71^ по отношению к контролю, в корнях 51-70$) был достигнут при одновременной внесении органики и суперфосфата. Внесение только органических удобрений было менее эффективным (в лиотьях до 82-94/Е, в кориях-73-90$ к контролю) однако привело к значительному увеличению фи-томаооы; в результате содержание ртути в раочете на единицу площади оказалооь самым высоким (0,53 + 0,03 мг/м^). Внесение одного суперфоофата практически не привело к увеличению фитомаооы, однако оуцеотвенно снизило содержание ртути (в лиотьях до 74-89$ к контроле, в корнях - до 58-80$). Предполагается, что онижение уровня ртути в р&отениях опытных участков произошло вследствие снижения доступности этого элемента в результате образования им комплексов с органическими веществами, ионами фосфорной киолоты и возможного антагонизма ртути и микроэлементов, содержащихся в ооотаве внесенных удобрений.

ГЛАВА У. ТОЛЕРАНТНОСТЬ РАСТЕНИИ К ДЕЙСТВИЮ РТУТИ

Устойчивость растений к действию ртути зависит от степени защищенности наиболее уязвимых звеньев их метаболических процессов, которая связана с аккумуляцией, локализацией и выделением токсиканта.

Распределение ртути в клетках листьев растений. Представлено содержание ртути в четырех клеточных Фракциях (белковой, липид-ной, клеточных стенок и водорастворимой), выделенных из листьев раотений: гороха пооевного, выращенного на среде с различным содержанием ртути, и отобранных на отвалах и карьерах ртутного комбината растений с различным характером концентрирования ртути -качима пронзеннолистного, мать-и-мачехи обыкновенной (видов-концентраторов), горлюхи ястребинковидной, бодяка щетинистого (индикаторных видов), а тйкже из тела мха Сегэ1;о(1сщ ригригеивСНвйл.)

Вг14.

При низком уровне накопления ртути (0,75-1,25 мг/кг у гороха, 0,85-1,13 мг/кг у травянистых растений комбината и 1,22-2,51 мг/кг у мха") большая часть ее локализована в клеточных стенках и белковой фракции. По мере увеличения уровня ртути в органах растения (1,4-1,8 мг/кг у гороха, 2,7-4,2 мг/кг у травянистых расте' ний хомбината и 2,5-4,2 мг/кг у мха) наблюдается увеличение ее абсолютного содержания во всех Фракциях; однако относительное содержание ртути в белковой фракции при этом уменьшается, в ли-пидной - увеличивается. У видов-концентраторов, как правило, при всех уровнях накопления ртути абсолютное и относительное ее содержание в белковой фракции выше, чем у индикаторных видов, вы-ге и суммарная емкость аккумуляции ртути в клеточных стенках и белковой фракции.

Перераспределение' ртути в клеточных Фракциях с ее накоплением в листьях растений подтверждает гипотезу о существовании внутриклеточных механизмов защиты от токсического действия ртути, обусловленных емкостью компартментов и фондом веществ, способных овязывать ионы металла без ущерба для самого растения (Рудакова и др., 1987). Поступившая в растения ртуть в первую очередь связывается о клеточными стенками и неструктурными белками (фитохе-латинами и, возможно, металлотионеинами). Устойчивость растений к действию ртути лимитируется как фондом, так и возможностью синтеза таких белков. При дальнейшем поступлении ртути, по мере насыцейия реакционноспособных групп, становится возможным инги-бирование ртутью белкового синтеза и развитие патологических процессов. Одним из таких процессов является накопление ртути в липидной фракции, что может вести, как показано далее, к интенсификации перекисного окисления липидов. У индикаторных видов растений предел содержания ртути, при котором начинается увеличение ее относительного содержания э липидной фракций листьев, ниже, чем у видов-концентраторов, что может быть одной из пршйн •их меньшей устойчивости, выраженной, в частности, в появлении тератологических изменения.

Тератогенез растений и повышенное содержание ртути. На территории ртутного комбината были отмечены многочисленные случаи тератогенеза у 15 видов травянистых растения. Ооновныв тератологические изменения у растений в этих техногенных экотопах - недоразвитие, уменьшение или увеличение размеров (карликовость.