Морфофизиологические и биохимические адаптации дикорастущих видов растений к техногенному загрязнению в условиях Среднего Урала

Зиннатова, Эльвира Рашидовна

Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему
Морфофизиологические и биохимические адаптации дикорастущих видов растений к техногенному загрязнению в условиях Среднего Урала
ВАК РФ 03.01.05, Физиология и биохимия растений

Автореферат диссертации по теме "Морфофизиологические и биохимические адаптации дикорастущих видов растений к техногенному загрязнению в условиях Среднего Урала"

На правах рукописи

ЗИННАТОВА ЭЛЬВИРА РАПШДОВНА

МОРФОФИЗИОЛОГИЧЕСКИЕ И БИОХИМИЧЕСКИЕ АДАПТАЦИИ ДИКОРАСТУЩИХ ВИДОВ РАСТЕНИЙ К ТЕХНОГЕННОМУ ЗАГРЯЗНЕНИЮ В УСЛОВИЯХ СРЕДНЕГО УРАЛА

03.01.05 - физиология и биохимия растений 03.02.08 - эколошя (биология)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степеии кандидата биологических наук

Уфа-2014

'н ^ ° 14

005548591

Работа выполнена на кафедре физиологии и биохимии растений ФГАОУ ВПО «Уральский федеральный университет им. первого Президента России Б.Н. Ельцина» и на кафедре естественных наук ФГБОУ ВПО «Нижнетагильская государственная социально-педагогическая академия»

Научные руководители:

Официальные оппоненты:

Кандидат биологических наук, Киселева Ирина Сергеевна

доцент

Доктор биологических наук, доцент Жуйкова Татьяна Валерьевна

Воскресенская Ольга Леопидовна, доктор биологических наук, профессор, заведующая кафедрой экологии ФГБОУ ВПО «Марийский государственный университет»

Башмаков Дмитрий Идрисовнч, кандидат биологических наук, доцент, доцент кафедры ботаники и физиологии растений ФГБОУ ВПО «Мордовский

государственный университет им. Н.П. Огарёва»

Ведущая организация:

Институт биологии Уфимского научного центра РАН

Защита диссертации состоится «29» мая 2014 года в 14.00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.013.11 при Федеральном государственном бюдясетном образовательном учреждении Высшего профессионального образования «Башкирский государственный университет»

Адрес: 450076, г. Уфа, ул. Заки Валиди, 32, биологический факультет, ауд. Факс (347)2736778: e-mail: disbiobsu@mail.ru Официальный сайт университета http://wvvw.bashedu.ru

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения Высшего профессионального образования «Башкирский государственный университет»

Автореферат разослан & n^jQcXcC-^2014 г.

Ученый секретарь диссертационного совета,

доктор биологических наук Шарипова Марина Юрьевна

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

Рост промышленности привел к избыточному содержанию тяжелых металлов (ТМ) в природных средах и компонентах биоты. В связи с этим, особое внимание уделяется изучению накопления ТМ в живых организмах, обитающих на техногенно нарушенных территориях. Важным при этом является исследование механизмов адаптации, в том числе физиолого-биохимических, позволяющих организмам, популяциям и сообществам длительное время существовать в условиях химического загрязнения среды. В экосистемах растениям принадлежит особая роль продуцентов и средообразующих факторов. Изучение адаптаций растений к ТМ актуально не только в плане понимания их выживания в загрязненных местообитаниях, но и с точки зрения выявления перспективных для фиторемедиации и рекультивации видов. Подобного рода исследования проводятся, преимущественно, в лабораторных экспериментах на ограниченном числе модельных видов. Изучение таких механизмов у растений из природных местообитаний, подверженных техногенному загрязнению почвы ТМ, немногочисленны (Холодова и др., 2005; Деви, Прасад, 2005; Савинов и др., 2007; Шушарин, Журавская, 2007; Фазлиева и др., 2012).

Исходя из этого, цель работы - характеристика структурно-функциональных показателей травянистых растений техногенно нарушенных территорий с целью выявления физиолого-биохимических путей устойчивости к тяжелым металлам и оценки их адаптационных возможностей.

Задачи исследования:

1. Оценить аккумулятивную способность Tussilago farfara L., Plantago major L., Taraxacum officinale Wigg., Melilotus albusM., Trifolium medium L.

2. Определить уровень токсического воздействия (S„) на растения.

3. Выявить концентрации ТМ в органах растений, при которых происходит запуск защитных физиолого-биохимических механизмов (активация ферментов супероксиддисмутазы и гваяколовой пероксидазы, накопление про ли на).

4. Изучить изменение параметров структурно-функциональной организации фотосинтетического аппарата растений в ответ на химическое загрязнение почвы тяжелыми металлами.

5. Оценить стрессовое воздействие избытка меди в среде (по интенсивности ПОЛ) и выявить способы антноксидантной защиты у растений из природных местообитаний и их семенного потомства.

Новизна работы

1. Впервые установлены пороговые концентрации ТМ в подземных органах Tussilago farfaro L., Plantago major L., Taraxacum officinale Wigg., Melilotus albus M., Trifolium medium L., при которых активизируются защитные механизмы, препятствующие избыточному накоплению поллютантов в побегах.

2. Впервые показано, что семенное потомство P. major и Т. officinale из фоновых и техногенно нарушенных территорий, выращенное в условиях выровненного почвенного экофона, при провоцирующем действии избытка меди обнаруживает те же биохимические механизмы защиты, что и у родительских форм.

Теоретическая и практическая значимость исследования

Результаты диссертационной работы расширяют знания об аккумулятивных способностях растений, произрастающих на техногенно нарушенных территориях, дополняют имеющиеся в литературе сведения о механизмах адаптации растений из естественных местообитаний и выращенных в лабораторных условиях к ТМ, вносят вклад в понимание механизмов детоксикации ТМ в растениях. Полученные сведения могут быть использованы для целей биомониторинга и фиторемедиации загрязненных почв.

Результаты исследования могут быть использованы в учебных дисциплинах «Экологическая физиология растений», «Экологическая токсикология», «Региональная экология» читаемых для студентов, обучающихся по направлениям подготовки «Биология», «Экология и природопользование», «Естественнонаучное образование».

Основные положения, выносимые на защиту

1. В условиях многоэлементного загрязнения почв тяжелыми металлами общей закономерностью является увеличение содержания токсикантов в растениях при увеличении их содержания в природной среде. При достижении определенных (предельных) концентраций у растений включаются барьерные механизмы, в результате действия которых увеличение содержания тяжелых металлов в подземных органах не сопровождается их пропорциональным ростом в побегах.

2. Растения, произрастающие в местообитаниях с высоким уровнем химического загрязнения, обладают лучшей способностью к активации компонентов антноксидантной защиты по сравнению с растениями из менее

загрязненных биотопов, в частности, имеют более высокую активность супероксидцисмутазы.

3. Семенное потомство растений P. major и Т. officinale из загрязненных местообитаний, выращенное в условиях выровненного почвенного экофона, лучше адаптируется к избытку меди в среде в сравнении с потомством растений из фоновых зон.

Апробация работы

Основные результаты диссертационного исследования были представлены на Международных и Всероссийских конференциях и симпозиумах: «Эволюционная и популяционная экология» (Екатеринбург, 2009); «Устойчивость организмов к неблагоприятным факторам внешней среды» (Иркутск, 2009); «Актуальные проблемы биологии и экологии» (Сыктывкар, 2010); «Растение и стресс» (Москва, 2010); «Биология будущего: традиции и инновации» (Екатеринбург, 2010); «Экология мегаполисов: фундаментальные основы и инновационные технологии» (Москва, 2011); «Биологические системы: устойчивость, принципы и механизмы функционирования» (Нижний Тагил, 2012); «Биология будущего: традиции и новации» (Екатеринбург, 2012); на VII Съезде «Физиология растений - фундаментальная основа экологии и инновационных биотехнологий» (Нижний Новгород, 2011).

Публикации

По материалам исследований опубликовано 20 работ, в том числе три статьи в изданиях, рекомендуемых ВАК.

Структура II объем работы

Диссертация изложена на 179 страницах машинописного текста. Состоит из введения, трех глав, заключения, выводов и списка использованной литературы. Работа содержит 15 таблиц и 42 рисунка. Библиографический список включает 194 работы, в том числе 76 работ на иностранных языках.

Поддержка исследований

Работа выполнена при частичной поддержке ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» (ГК № П2364), Соглашение № 14.А18.21.0203. При финансовой поддержке Минобрнауки РФ (гос. задание №1.1.08., гос. контракт № 5.5329.2011), Правительство Свердловской области и РФФИ (проект № 13-04-96056).

Благодарности

Выражаю искреннюю благодарность моим научным руководителям кандидату биологических наук, доценту Киселевой Ирине Сергеевне и доктору

биологических наук, доценту Жуйковой Татьяне Валерьевне за помощь в выборе темы, методические рекомендации, совместное обсуждение и обобщение материала. Благодарю коллектив кафедры физиологии и биохимии растений УрФУ, особенно кандидата биологических наук, доцента Чукину Надежду Владимировну, за полезные рекомендации, сделанные в процессе выполнения работы. Признательна коллективу кафедры естественных наук НТГСПА за всестороннюю помощь и поддержку.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Глава 1. Обзор литературы

В главе представлены литературные данные о содержании ТМ в среде и их роли в жизнедеятельности растений, характеристика тяжелых металлов (Гармаш, 1985; Кабата-Пендиас, Пендиас, 1989; Ильин, 1991; Алексеева-Попова, 1991; Гуральчук, 1994; Кулагин, Шагиева, 2005; Башмаков, Лукаткин, 2009; Иванова, 2011 и др.). Рассмотрены вопросы, связанные с аккумуляцией и распределением тяжелых металлов в органах растений (Baker, 1981; Добровольский,1983; Титов, 2007; Башмаков, Лукаткин, 2009 и др.). Проанализированы сведения о физиолого-биохимических механизмах адаптации растений к загрязнению среды тяжелыми металлами (Гуральчук, 1994; Серегин, Иванов, 2001; Чиркова, 2002; Титов и др., 2007; Фазлиева и др., 2012; Zenk, 1996; Clemens, 2001; Hall, 2002).

2. Районы, объекты и методы исследования

2.1. Физико-географическая характеристика Свердловской области

Дана характеристика географического положения, особенностей климата,

почвенного покрова (Агроклиматические ресурсы..., 1978; Климат..., 1984).

2.2. Физико-географическая и экологическая характеристика города Нижний Тагил

Район исследования расположен на территории г. Нижний Тагил, крупного промышленного центра Среднего Урала. Суммарный ежегодный выброс промышленных предприятий города составляет около 109,7 тыс.т. Приоритетные загрязнители - формальдегид, бенз(а)пирен, аммиак, взвешенные вещества, оксид углерода, полиметаллическая пыль в виде оксидов Си, Cr, Fe, Zn, Pb, Cd и др. (Государственный доклад., 2011).

Исследования проведены п пяти местообитаниях г. Нижний Тагил и его окрестностей, почвенный покров которых загрязнен ТМ. Уровень общей токсической нагрузки (S,, относительных единиц) варьирует от 1,0 до 22,78 отн. ед. (Жуйкова, 2006). В соответствии с уровнем загрязнения почв ТМ участки ранжированы на зоны: фоновая (S, = 1,0 отн.ед.), буферная (S, = 3,33-8,36 отн.ед.),

импактная (S, = 22,78 оти.ед.). Дополнительно растения собирали на биостанции УрФУ в Сысертском районе Свердловской области в зоне относительного экологического благополучия (S¡ = 2,55 отн.ед.).

2.3 Характеристика объектов исследования В качестве объектов исследования были выбраны мать-и-мачеха (Tussilago farfara L.), подорожник большой (Plantago major L.), одуванчик лекарственный (Taraxacum officinale Wigg.), донник белый (Melilotus albus M.), клевер средний (Trifolium medium L.). Выбор видов определялся принадлежностью к группе мезофитов и присутствием в составе фитоцеиозов исследуемых территорий.

2.4 Методология исследования Использован комплексный подход к изучению структурно-функциональных показателей травянистых растений из техногенно нарушенных территорий. Во всех местообитаниях было определено содержание тяжелых металлов в почве, подземной и надземной частях растений, морфофизиологические и биохимические показатели. Для оценки наследуемости физиологических механизмов адаптации растений к тяжелым металлам изучали семенное потомство P. major и T. officinale из фоновых и техногенно нарушенных территорий.

2.5 Отбор почве иных и растительных проб Сбор растительного материала и почв осуществляли в июне-августе 2007-2Q11 гг. в период цветения растений. Почву отбирали с глубины 10 см в непосредственной близости от корневых систем растений, которые использовали для химического анализа надземных и подземных органов. В каждом биотопе было отобрано по 10 проб почв, 10 растений каждого вида, отдельно подземная и надземная части. Для определения физиолого-биохимических характеристик использовали усредненную пробу листьев среднего яруса с 10 растений.

2.6 Методы исследования Содержание тяжелых металлов в почве и растениях определяли методом атомно-абсорбционного спектрального анализа на спектрометре PerkinElmer AAS 300. Экстракцию металлов из почвы проводили 5% HN03, из растительных образцов 70% HN03 (Алексеев, 1987).

Интенсивность перекненого окисления липидов (ПОЛ) определяли по накоплению малонового диальдегида (МДА) по методу Uchiyama, Mihara (1978).

Активность супероксиддисмутазы (СОД) - по ингибированию фотохимического восстановления нитротегразолиевого синего (Beauchamp, Fridovich, 1971), гваякол-специфичной пероксидазы (ГПО) — по скорости полимеризации гваякола до тетрагваякола по методу Chance, Maehly (1955).

Содержание пролина определяли по методике Bates (1978) в модификации Калинкипой с соавт. (1990).

Определение показателей мезоструктуры листьев растений проводили на фиксированных в 2,5 % глутаровом альдегиде в фосфатном буфере (pH = 7,2) образцах согласно методике Мокроносова, Борзенковой (1978). Содержание хлорофиллов a, b и каротанондов определяли спектрофотометрически в ацетоновых (80%) экстрактах. Расчет хлорофиллов проводили по формулам Vernon, содержание каротиноидов рассчитывали по Wettstein (Гавриленко, Хавдобина, 1975).

Статистический анализ данных выполнен в ПСП Statistica 6.0. (Stat Soft. Inc., 1984-2001). Зависимость между признаками характеризовали коэффициентом ранговой корреляции Спирмена (г,). Различия между видами по отдельным признакам оценивали одно- и двухфакторным дисперсионным анализом; групповые сравнения проведены 5-методом множественных сравнений Шеффе (Гласс, 1976). Проведены также кластерный, регрессионный и пошаговый дискриминантный анализы. Для оценки статистической значимости различий между выборками использовали непараметрический критерий Манна-Уитни. Бары на гистограммах — стандартная ошибка среднего.

3. Результаты исследований и их обсуждение

3.1 Специфика накопления тяжелых металлов в почвах и растениях

3.1.1 Содержание тяжелых металлов в почве

Содержание подвижных форм ТМ в почве регионального фона и техногенно нарушенных территорий варьировало (мкг/г): 7,4-951,5 для Си; 19,45-391,0 для Zn; 376,6-1274,4 для Fe; 0,2-124,2 для Со; 7,1-36,6 для Cr. Приоритетными загрязнителями почв исследуемых территорий были железо, цинк и медь. Концентрации данных элементов в почвах загрязненных территорий превышали фоновые в 3,4,20,2 и 129,5 раз, соответственно.

3.1.2 Содержание тяжелых металлов в подземных органах

В подземных органах исследуемых видов растений накапливалось 5-96 мкг/г Си; 8-145 мкг/г Zn; 0,4-17 мкг/г Со; 1-30 мкг/г Cr и 11-3300 мкг/г Fe. Высокой аккумулирующей способностью по отношению к Си обладали P. major, Т. officinale, Т. farfara;Zn - Р. major, Fe - M. albus, P. major, Т. farfara, и Т. officinale-, Со -М. albus, Р. major-, Cr — Т. farfara, P. major, M. albus. Выявлена положительная связь между содержанием ТМ в почвах и их концентрацией в корнях (табл. 1).

Определены коэффициенты биологического накопления (КН), равные отношению содержания элемента в корнях к его содержанию в почвах и

отражающие поступление химических элементов из почвы в корни (Безель и др., 1998).

Таблица 1

Коэффициенты ранговой корреляции Спирмена между содержанием ТМ в _ корнях и почвах __

Виды Cu Zn Fe Co Cr

Plant ago major L. 1,0*** 0,88** 0,77 0,43 1,0**

Tussilago farfara L. 0,83* 0,88** 0,94*** 1,0*** 0,83*

Taraxacum officinale Wigg. 0,94*** 0,88** 0,86** 0,94*** -

Melilotus albus M. 0,94*** 0,94*** 0,77 1,0** 0,60

Trifolium medium L. 0,80 0,40 0,40 0,26 -

Примечание: * -р < 0,05; **-/?< 0,01; *** -р < 0,001; «-» - не определено.

В большинстве случаев КН не превышал 1,0. Исключение составляли: в фоновой зоне Т. officinale и Т. farfaro, у которых KHq^I, М. albus - КНд>1. В условиях среднего загрязнения высокие KIIíe -4-7 установлены для P. major и М. albus. С ростом токсической нагрузки наблюдали снижение КН. На загрязненных участках наименьшим КНс„=0,024 обладал М. albus. Возможно, у этого вида барьерная функция корней в отношении ионов меди выражена сильнее в сравнении с другими объектами, либо поступающие в корни ионы активно транспортируются в побег.

3.1.3. Содержание тяжелых металлов в надземных органах

Установлено, что в надземных органах растений концентрации ТМ варьировали (мкг/г): Си 2^46; Zn 2,3-50; Со 0,5-16; Cr 0,5-5; Fe 52-1870. Выявлено, что максимальной аккумулятивной способностью по отношению к Си обладали P. major, Т. officinale, Т. farfaro, минимальной - М albus и Т. medium. Высокое содержание Zn в листьях характерно для P. major и Т. officinale, Fe - М albus и Т. officinale. Минимальная концентрация Fe в листьях у Т. medium. В листьях А/. albus и Т. farfaro - наибольшее содержание Со, a Cr - у Т. farfara, Р. major, М albus. Отметим, что Т. officinale и Т. medium накапливали Cr в листьях в очень малых количествах.

Определены коэффициенты перехода (КП), характеризующие передвижение ионов металлов в растении, определяемые по отношению содержания элемента в надземных органах к его содержанию в подземных (Безель и др., 1998). В качестве примера приведем КП для меди, содержание которой в почве различалось в 130 раз, а в корнях в 29 раз. У P. major и М. albus в диапазоне содержания Си2+ в корнях от 10 до 140 мкг/г КПс уменьшался от 1 до 0,15. Дальнейшее увеличение

содержания Cu2+ в подземных органах приводило к стабилизации KI ÍC|1. У Т. officinale при увеличении содержания меди в корнях в 13 раз КПо, увеличивался от 0,16 до 0,65 ош. ед., но не превышал ]; у Т. farfaro и Т. medium - сопровождался пропорциональным ростом концентрации элемента в листьях как в области низких концентраций, так и в области высоких.

Установлены пороговые концентрации ТМ в корнях, при которых активировались защитные физиолого-биохимические процессы, препятствующие избыточному накоплению металлов в надземных органах: для Fe - от 670 до 1500 мкг/г, дом Си и Zn - на несколько порядков ниже (от 9 до 50 мкг/г), Среди изученных видов высокие пороговые концентрации отмечены для P. major.

Расчет токсической нагрузки на растение (5П) (Безель и др., 1998; Безель, Жуй кона, 2010) показал, что максимальное воздействие, превышающее фоновое более чем в 3,5 раза, испытывает P. major, минимальное - Т. medium (рис. 1). Лучше всего барьерные механизмы, защищающие надземные органы от избытка ТМ, выражены у М. albus.

Анализ содержания ТМ в фоновых и загрязненных почвах, в надземных и подземных органах растений, а также коэффициентов накопления и перехода, позволяет сделать вывод о наличии у изученных видов разнонаправленных стратегий адаптации к избытку ТМ в почвах.

3.2. Антиоксидантный статус растений из разных по уровню химического загрязнения местообитаний

Одним из возможных последствий стрессовых воздействий является усиление ПОЛ. У растений из фонового биотопа наблюдали низкую интенсивность ПОЛ, а из загрязненных местообитаний - высокую (рис. 2).

Рис. 1. Токсическая нагрузка на подземные (1) и надземные (2) органы растений

P. major Г. farfaro. Т. officinale Т. medium М. albus

Рис. 2. Интенсивность ПОЛ у растений из разных местообитаний (ось абсцисс - токсическая нафузка, отн. ед., ось ординат -активность ПОЛ. мкМ/мг).

Разные виды в одних и тех же местообитаниях различались по этой реакции: высокий уровнь ПОЛ отмечен у Т. medium., низкий - у Т. farfara и P. major. В отличие от других видов у М. albus ПОЛ увеличивалось только у растений из импактного участка.

ПОЛ в клетке регулируется многоуровневой антиоксидантной системой защиты, которая представлена ферментами СОД, пероксидаза, в том числе, ГПО, каталаза, а также низкомолекулярными компонентами.

Активность СОД у разных видов в фоновой зоне была низкой (от 0,02-0,04 отн. ед./дм2), кроме Т. medium (0,12 отн. ед./дм2). В условиях среднего (S, — 6,19 отн. ед.) и высокого (S¡ = 22,78 отн. ед.) уровня загрязнения у изученных видов наблюдали увеличение активности СОД в листьях в 1,5-2 и 1,5-4 раза, соответственно.

Активность ГПО существенно варьировала: у представителей семейства ГаЬасеае она была значительно выше (в 80-100 раз), чем у представителей других семейств и составила от 500 до 2500 мМ/г, тогда как у Т. farfara, Т. officinale и Р. major - от 2 до 25 мМУг. В отличие от СОД активность ГПО у большинства изученных видов не имела четкой зависимости от уровня загрязнения почвы ТМ. Только у Т. officinale и Т. medium с ростом токсической нагрузки на почвы активность ГПО закономерно увеличивалась.

Содержание низкомолекулярного антиоксиданта пролина различалось в 1,5— 2,5 раза в листьях растений из разных биотопов, что, вероятно, обусловлено не только уровнем токсической нагрузки, по и другими факторами в местообитаниях. У представителей семейства Asteraeeae содержание пролина было существенно

Tussilagofarfara L.

1,0 3,33 6,19 8,36 22.78 Trifolium medium L.

■

1,0 3,33 8,36

Plantago major L.

1,0 3,33 6,19 8,36 22,78 Токсическая нагрузка, am. ед.

Taraxacum oficinale Wígg.

1,0 3.33 6,19 8,36 22,78

Kieliiotus albus M.

1,0 3,33 6,19 8,36 22,78

меньше, чем у других видов (100 мкг/г и менее) (табл. 2).

Таблица 2

_____Содержание пролина у растений из разных местообитаний

^-Токсическая нагрузка, отн. ед. Виды 1,0 3,33 6,19 8,36 22,78

Plantago major L. L 204,2±3,4 173,7±3,8 125,6± 1,3 265,5±2,1 145,0±1,3

Tussilagofarfara L. ! 10,3±3,0 88,6±2,5 72,9±0,4 77,7±2,1 94,3±0,8

Taraxacum officinale Wigg. 114, 0±0,8 98,5±1,6 82,0±0,7 213,2±3,9 84,1 ±0,5

Melilotus albus M. 239,3±1,1 517,2±7,0 166,9+2,7 244,6±2,1 498,8±2,6

Trifolium medium L. 164,4±2,2 123,3± 1,0 - 406,0±3,2 -

Примечание: «-» - не определено.

В целом можно отметить, что у растений из загрязненных местообитаний функционирование компонентов антиоксидантной системы выражено лучше. Вероятно, благодаря этому, они более устойчивы к действию тяжелых металлов (о чем свидетельствует активность ПОЛ), чем растения из фоновой зоны.

Для проверки этого предположения были проведены модельные опыты с краткосрочной (2 часа) обработкой листьев 10 мМ раствором Си8()4. При действии токсиканта значительно повышалась интенсивность ПОЛ. Однако у растений из местообитаний с высокой токсической нагрузкой оно было выражено в меньшей степени, чем у растений из относительно незагрязненных биотопов (рис. 3).

Тагохатк oftcinde Wige

Meídctxsaltxa M

1,0 3.55 3,33 6,19 8|SC 33,?8

3,35 3,33 6,19 3,36 И,™

Tnfolium medium L.

Рис.3. Изменение активности ПОЛ (%) при действии 10 шМ CuS04 относительно контроля (Н20) у растений из разных местообитаний (ось абсцисс -токсическая нагрузка, отн. ед., ось ординат - изменение активности ПОЛ, %).

Активность СОД в листьях при действии 10 мМ CuS04 у всех изученных

видов была выше, чем в контроле (НгО). В листьях растений Т. farfara и Т.

officinale из загрязненных местообитаний выявлено повышение активности СОД

1Д 1,55 3.33 6.1S 1.36 I3.TJ

ToKOT4«KMn«T¡yiKa.í!l м

при действии стрессора, чем у растений из фоновой и буферной зон. В листьях М. albus, напротив, стрессор существенно активировал фермент у растений из фоновой зоны (рис. 4).

Tussilagofarfaro L.

Taraxacum oficinale Wige.

; 250 ; 2 200 ! I ! I150

Sioo

дЛ

l£XI

600 500 400 300 200 100 0

Melilotos albus M

10 2.53 333 ó.19 8,36 22.8

Trifolium medium L.

1,0 2.55 333 6.19 8.36 21.78

Plan lago major L.

1,0 2JS 3,33 6.19 S.36 22.8

1.0 2,55 333 649 8,36 22,78 ToKKieocM (ируоа, от ед.

Рис. 4. Изменение активности СОД при действии сульфата меди (10 мМ) относительно контроля (Н20) у растений из разных местообитаний (ось абсцисс - токсическая нагрузка, отн. ед., ось ординат -изменение активности СОД, %).

Активность пероксидазы у изученных видов мало изменилась при действии 10 мМ CuS04(5~15%), за исключением Т. officinale, у которого она уменьшилась на 50-70%. Концентрация пролина в листьях в условиях стресса у Т. farfara и P. major незначительно уменьшалась (в 1,2-1,3 раза) в опытном варианте по сравнению с кон грольным или увеличивалась у Т. officinale, М. albus, Т. medium (в 1,4-1,6 раз).

Изучение антиоксидантного статуса семенного потомства

У семенного потомства растений P. major и Т. officinale, выращенного в условиях благоприятного экофона, при обработке листьев 10 мМ CuS04 как и у родительских форм значительно повышался уровень ПОЛ. При этом активность СОД у потомства P. major в отличие от родительских особей снижалась от 0,012 отн. ед./дм2 до 0,006 отн. ед./дм2 на фоновом участке и от 0,022 отн. ед./дм2 до 0,015 отн. ед./дм2 на импактном. У семенного потомства Т. officinale из загрязненных местообитаний обработка 10 мМ CuS04 не привела к изменению активности СОД. В условиях стресса у семенного потомства растений из загрязненных участков увеличивалась активность пероксидазы, тогда как у растений из фоновой зоны активность фермента снижалась. Содержание свободного пролина у семенного потомства растений из буферной и импактной зон многократно увеличивалось при действии стрессора и в импактной зоне составило для P. major - 130,9 мкг/г и для Т. officinale - 100 мкт/г.

Полученные результаты позволяют предполагать, что семенное потомство Р. major и Т. officinale из загрязненных биотопов, выращенное в отсутствии химического загрязнения, при действии избытка ионов меди обнаруживает сходные с родительскими растениями адаптивные биохимические реакции, выражающиеся в активации синтеза пролина и изменении активности ферментов антиоксидантной защиты.

3.3 Характеристика структурно-функциональных показателей фотосинтетического аппарата растений Важную роль в обеспечении устойчивости растений к стрессорам играет структурно-функциональная организация фотосинтетического аппарата. Изменение параметров мезоструктуры листа может рассматриваться как адаптация фотосинтетического аппарата к разным экологическим условиям. У растений Т. /arfara, Т. officinale, М. albus и у Т. medium по мере возрастания токсической нагрузки увеличивалась толщина листа и мезофилла. Обратная тенденция характерна для P. major (рис. 5). Изменение толщины листа выражено сильнее, чем толщина мезофилла, что говорит об увеличении толщины эпидермиса. Это находит подтверждение во многих исследованиях (Кужлева, 2005; Чукина, Борисова, 2008, 2010).

Yuíitlatlofarjara L Тпгвхлсыт c^fictnoie WtgH AíeJíJrArs aJhui M

Рис. 5. Толщина листа и мезофилла листьев растений из местообитаний с различной токсической нагрузкой (ось абсцисс — токсическая нагрузка, отн. ед., ось ординат - толщина листа и мезофилла, мкм.

Изменение толщины листа может быть обусловлено как изменением числа или размеров клеток, так и плотностью упаковки мезофилла. У представителей семейства ГаЬасеас и Ав1егасеае при возрастании токсической нагрузки объем

Trfilmm medium L

,55 3,35 ».56

1.0 155 JJ3 6.19 tU6 22.78 Томсжоски шгруии. ora сд no.BirSfe мкм äwism xoxbi'.ia. MÍN

клеток мезофилла увеличивался в 1,5-2 раза. У P. major существенных различий не выявлено, что согласуется с данными по толщине мезофилла. Число клеток в единице площади листа, число и размеры хлоропластов в большинстве случаев не различались. Только у клевера отмечено уменьшение объема хлоропластов и рост их числа с увеличением токсической нагрузки.

У семенного потомства растений P. major и Т. officinale из местообитаний с разной токсической нагрузкой, выращенного в одинаковых условиях, существенных отличий по этим признакам не выявлено.

Важной характеристикой фотосинтетического аппарата является пигментный состав листа. Обнаружено, что в сообществах фоновой зоны и слабо загрязненных местообитаниях буферной зоны содержание хлорофиллов в листьях растений, как правило, выше, чем на более загрязненных территориях. Существенных отличий по содержанию каротиноидов не обнаружено (рис. 6).

Tsmltigufarfara L

MrlilMsulbluM.

1.0 2,55 1.Я1 4,19 V& 22,78

1.0 XSi 1/13 415 S,Vj 22.П

0,02 -0.015 :

1.0 135 из 6.19 136 22.7 В

ТчКСНЧООКИЯ HFB-pyiKa, огя сд

шы

1,0 155 6,19 (36 22.78

Рис. 6. Содержание фотосинтетических пигментов в листьях растений их разных местообитаний (ось абсцисс -токсическая нагрузка, отн, ед., ось ординат - содержание пигментов, мг/ см2).

'С »MlkClMtftMl

Использование дискриминантного анализа позволило выявить различия между исследуемыми видами, произрастающими в пределах фоновой, буферной и импактной зон по совокупности признаков, включающих характеристики антиоксидангных систем растений, структуры фототрофных тканей листа и содержание фотосин гетических пиг ментов (рис. 7). Это позволяет заключить, что виды, произрастающие в исследуемых биотопах, имеют различные физиолого-биохимическис и мезоструктурные особенности, позволяющие им адаптироваться к разному уровню загрязнения почвы тяжелыми металлами.

Днскрнмншмтнм функция 1

Pt<схрнмин*нтнля функция 1

Рисунок 7. Результаты дискриминантного анализа по: а) компонентам антиоксидантной системы и пигментам, б) параметрам мезоструктуры.

Заключение

Изучение физиолого-биохимических характеристик дикорастущих видов растений из местообитаний, различающихся уровнем загрязнения почвы тяжелыми металлами, показало, что адаптивные возможности растений определяются их видовой спецификой и содержанием в почве поллютантов. Для травянистых растений Plantago major L., Tussilago farfara L., Taraxacum officinale Wigg., Trifolium medium L., Melilotus albus M., населяющих промышленно нарушенные территории Среднего Урала, было установлено, что высокие уровни загрязнения почв тяжелыми металлами приводят к избыточному их накоплению в растительном организме. Установлена тесная корреляционная связь между содержанием химических элементов в почве и в подземных органах растений. Выявлена видовая специфика в накоплении изученных металлов. В градиенте усиливающегося химического загрязнения установлено снижение значений коэффициентов биологического накопления и перехода тяжелых металлов, что говорит о наличии защитных физиолого-биохимических механизмов, которые начинают работать в растительном организме при высоком содержании токсикантов в почве. Определены пороговые концентрации ТМ в подземных органах, при которых активируются процессы, препятствующие их избыточному накоплению в надземных частях растений.

Выявлено, что Т. farfara, Т. officinale, P. major, М. albus, обладающие повышенной аккумулятивной способностью, характеризуются высоким антиоксидантным статусом.

При избытке ионов меди в среде происходит увеличение интенсивности ПОЛ. При этом уровень ПОЛ зависит от активности антиоксидантной системы, в частности, накопления пролина, увеличения тотальной активности СОД и активности гваяколовой пероксидазы. У разных видов растений были обнаружены

специфические особенности в адаптации к произрастанию в местообитаниях, загрязненных тяжелыми металлами, в частности, медью. В импактной зоне М albus и Т. farfaro обладали лучшей способностью синтезировать и накапливать пролин, растения Т. officinale и P. major характеризовались высокой активностью СОД, а Т. medium имел большую активность пероксидазы, чем растения из фоновой зоны. У семенного потомства P. major и Т. officinale, не зависимо от места произрастания родительских форм, выявлены биохимические механизмы устойчивости, проявляющиеся в увеличении активности СОД и содержания пролина аналогично родительским растениям.

У исследуемых видов растений не выявлено существенных изменений в структурной организации листа. С увеличением уровня загрязнения наблюдали типичное и для других видов (Капитонова, 2002; Чукина, Борисова, 2010) увеличение толщины листа, эпидермиса, мезофилла и числа клеток. Пигментный комплекс изученных видов растений чувствителен к воздействию тяжелыми металлами. Таким образом, растения имеют разные пути адаптации к избытку поллютантов в среде, проявляющиеся в изменении структурно-функциональных показателей.

Полученные результаты могут послужить основой для биомониторинга и фиторемедиации нарушенных экосистем.

Выводы

1. Показано, что при повышении уровня загрязнения почв ТМ в корнях и листьях изученных видов растений увеличивалось их содержание. Наиболее высокой аккумулятивной способностью по отношению к меди обладали P. major, Т. officinale, Т. farfaro, цинку P. major, железу -М. albus, Т. officinale.

2. В градиенте токсической нагрузки установлено снижение значений коэффициентов биологического накопления и перехода ТМ, что говорит о наличии у растений защитных механизмов, начинающих работать в условиях повышенного содержания токсикантов в почве.

3. Установлены пороговые концентрации ионов ТМ в подземных органах растений, при достижении которых наблюдается стабилизация содержания Cu, Fe и Zn в листьях. Активация защитных механизмов при низких концентрациях тяжелых металлов в среде отмечена у Т. medium (Cu - 9 мкг/г; Zn - 10 мкг/г, Fe -120 мкг/г), позднее - у P. major (Cu - 33 мкг/г, Zn - 50 мкг/г, Fe - 1920 мкг/г). Высокие пороговые концентрации, не зависимо от вида растений, характерны для железа (от 120 до 1920 мкг/г), низкие для цинка и меди (от 9 до 50 мкг/г).

4. Растения из загрязненных местообитаний характеризовались высоким антиоксидантным статусом, что подтверждено значениями активности супероксиддисмутазы. Базовый уровень СОД у изученных растений в фоновой зоне примерно одинаков (от 0,015 до 0,04 отн. ед/ дм2, кроме Т. medium (более 0,12 отн. ед/ дм2). По мере возрастания токсической нагрузки практически у всех растений активность СОД повышалась в 1,5-4 раза. Соответственно, интенсивность ПОЛ снижалась. Закономерного изменения содержания пролина в градиенте токсической нагрузки не обнаружено.

5. У семенного потомства растений P. major и Т. officinale, выращенных в модельных условиях без поллютантов в среде, при действии стрессора (избыток Си2+) формировались такие же защитные биохимические реакции, что у родительских форм, проявляющиеся в активации ферментов антиоксидантной защиты и индукции синтеза пролина.

6. Установлено, что Т. officinale, Т. farfaro, М. albus, Т. medium из местообитаний с высоким уровнем химического загрязнения характеризовались большей толщиной листа, эпидермиса и мезофилла, более крупными клетками мезофилла; у P. major существенных различий в размерах клеток не выявлено. Растения из импактной зоны по сравнению с фоновой и буферной содержали в листьях меньше хлорофиллов.

Список- работ, опубликованных по теме диссертации

Статьи, опубликованные в журналах, рекомендованных ВАК

1. Фазлиева Э. Р., Киселева И. С. Структурно-функциональные особенности листьев травянистых видов растений из местообитаний с разным уровнем техногенного загрязнения // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. 2013. Т. 15, № 3(5). С. 1475-1479.

2. Фазлиева Э. Р., Киселева И. С., Жуйкова Т. В. Антиоксидантная активность листьев Melilotus albus и Trifolium medium из техногенно нарушенных местообитаний Среднего Урала при действии меди // Физиология растений. 2012. № 3. С. 369-375.

3. Фазлиева Э. Р., Киселева И. С. Биохимические реакции растений Tussilagp farfaro L. из природных местообитаний с разным уровнем техногенного загрязнения на избыток меди в среде // Известия Тульского государственного университета. Естественные науки. 2011. Вып. 3. С. 246-256.

Осповпые публикации в паучпых журналах, трудах международных, всероссийских и региональных конференциях

4. Фазлиева Э.Р. Особенности пигментных систем фотосинтетического аппарата у дикорастущих растений из местообитаний с разным уровнем техногенной нагрузки // Эволюционная и популяционная экология (назад в будущее): материалы конференции молодых ученых. Екатеринбург, 30 марта-3 апреля 2009 г. С. 232-233.

5. Фахтиева Э.Р., Киселева И.С. Содержание фотосинтетических пигментов у растений Среднего Урала из местообитаний с разным уровнем техногенной нагрузки // Устойчивость организмов к неблагоприятным факторам внешней среды: материалы всерос. науч. конференции. Иркутск, 24-28 августа 2009 г. С. 481-483.

6. Фахтиева Э.Р., Киселева И.С. Определение активности перекисного окисления липидов у растений Plantago major L. при действии высоких концентраций меди // Биологические системы: устойчивость, принципы и механизмы функционирования: материалы Всерос. науч.-практич. конференции. Нижний Тагил, 1 марта -5 марта 2010 г. С. 284-287.

7. Фазлиева Э.Р., Киселева И.С. Определение общей активности СОД в листьях семенного потомства Taraxacum officinale Wigg., произрастающего в биотопах с разным уровнем техногенной нагрузки // Биологические системы: устойчивость, принципы и механизмы функционирования: материалы Всерос. науч.-практич. конференции. Нижний Тагил, 1 марта - 5 марта 2010 г. С. 288-290.

8. Фазлиева Э.Р., Киселева И.С. Активность СОД И ПОЛ как элементы устойчивости растений Tussilago farfara L. и Taraxacum officinale Wigg. из местообитаний с разным уровнем техногенной нагрузки // Актуальные проблемы биологии и экологии: материалы XVII Всерос. науч.-практич. конференции. Сыктывкар, 5-9 апреля 2010 г. С. 256-259.

9. Фазлиева Э.Р., Киселева И.С. Фотосинтетический аппарат Tussilago farfara L. в антропогенных условиях // Теоретические и прикладные проблемы использования, сохранения и восстановления биологического разнообразия травяных экосистем: материалы Междунар. науч.-практич. Конференция. Михайловск, 16-17 июня 2010 г. С. 396-397.

10. Фазлиева Э.Р., Киселева И.С. Антиоксидантная роль СОД и пролина у Tussilago farfara L. и Taraxacum officinale Wigg. при действии ионов меди, инициирующих стресс // Биология будущего: традиции и инновации: материалы

Всерос. науч.-практич. конференция, с междунар. участием. Екатеринбург, 25-28 октября 2010 г. С. 119-120.

11. Фазлиева Э.Р., Киселева И.С. Содержание пролина и перекисное окисление липидов при стрессе у растений Melilotus albus М. и Trifolium medium L. из местообитаний с разным уровнем техногенной нагрузки // Растение и стресс. Москва, 09-12 ноября 2010 г. С. 368-369.

12. Фазлиева Э.Р., Киселева И.С. Биохимические механизмы адаптации семенного потомства дикорастущих растений из природных местообитаний с разным уровнем техногенного загрязнения // Закономерности распространения, воспроизведения и адаптации растений и животных: материалы Всерос. науч.-практич. конференция. Махачкала, 2010 г. С. 103-106.

13. Фазлиева Э.Р., Киселева И.С. Антиоксидантная активность растений из техногенно нарушенных местообитаний Среднего Урала при действии меди // VII Съезд Общества физиологов растений России «Физиология растений -фундаментальная основа экологии и инновационных биотехнологий». Нижний Новгород, 4-10 июля 2011 г. С. 713-714.

14. Киселева И.С., Фазлиева Э.Р., Хлыстов И.А. Механизмы антиоксидантной защиты у дикорастущих видов растений из местообитаний с разным уровнем техногенного загрязнения // Всерос. симпозиум «Экология мегаполисов: фундаментальные основы и инновационные технологии» и Школа для молодых ученых по экологической физиологии растений. Научная программа и материалы докладов. Москва, 21-25 ноября 2011 г. М.: Изд-во «Лесная страна», 2011. С. 78.

15. Фазлиева Э.Р., Жуйкова Т.В. Химическое загрязнение: накопление тяжелых металлов растениями и физиолого-биохимические адаптации // Всерос. симпозиум «Экология мегаполисов: фундаментальные основы и инновационные технологии» и Школа для молодых ученых по экологической физиологии растений. Научная программа и материалы докладов. Москва, 21-25 ноября 2011 г. М.: Изд-во «Лесная страна», 2011. С. 146.

16. Жуйкова Т. В., Фазлиева Э. Р., Киселева И. С. Аккумуляция тяжелых металлов дикорастущими видами растений в условиях химического загрязнения почвы // Биологические системы: устойчивость, механизмы и принципы функционирования: материалы IV Всерос. науч.-практич. конференция с междунар. участием / Отв. ред. Т. В. Жуйкова, О. В. Полявина, О. В. Семенова, О. А. Тимохина. Нижний Тагил, 26-29 марта 2012 г. Ч. 1. Нижнетагил. гос. соц.-пед. акад. Нижний Тагил, 2012. С. 170-178.

17. Фазлиева Э. Р., Киселева И. С. Анатомическое строение мезофилла листьев высших растений из местообитаний с разным уровнем техногенного воздействия // Биологические системы: устойчивость, механизмы и принципы функционирования: материалы IV Всерос. науч.-практич. конференция с междунар. участием / Отв. ред. Т. В. Жуйкова, О. В. Полявина, О. В. Семенова, О. А. Тимохина. Нижний Тагил, 26-29 марта 2012 г. Ч. 1. Нижнетагил. гос. соц.-пед. акад. Нижний Тагил, 2012. С. 236-240.

18. Фазлиева Э. Р. Фотосинтетический аппарат Plantago major L., Taraxacum officinale Wigg. и их семенного потомства в антропогенных условиях // Биологические системы: устойчивость, механизмы и принципы функционирования: материалы IV Всерос. науч.-практич. конференция с междунар. участием / Отв. ред. Т. В. Жуйкова, О. В. Полявина, О. В. Семенова, О. А. Тимохина. Нижний Тагил, 26-29 марта 2012 г. Ч. 1. Нижнетагил. гос. соц.-пед. акад. Нижний Тагил, 2012. С. 230-235.

19. Фазлиева Э.Р., Жуйкова Т.В. Особенности накопления тяжелых металлов дикорастущими видами растений в условиях техногенного загрязнения почвы // материалы Всерос. конкурса науч.-исслед. работ студентов и аспирантов в области биологических наук / Под ред. Б. П. Чуракова. Ч. 2. - Ульяновск: УлГУ. 2012. С. 127-135 (электронный ресурс).

20. Фазлиева Э.Р. Структурные изменения мезофилла листьев Tussilago farfara L. и Taraxacum officinale Wigg. из местообитаний с разным уровнем антропогенного воздействия // Биология будущего: традиции и новации: материалы II Всерос. молодежной науч. школы-конференции с междунар. участием. Екатеринбург, 1-5 октября 2012 г. С. 224—227.

21. Жуйкова Т. В., Фазлиева Э. Р. Аккумулирующая способность растений в условиях загрязнения почв тяжелыми металлами // Тяжелые металлы и радионуклиды в окружающей среде: материалы VII Междунар. науч.-практич. конференции. Семипалатинский государственный педагогический институт, 4-8 октября 2012 г. Т.П. Семей, 2012. С. 464-473.

22. Фазлиева Э. Р., Киселева И. С. Биохимические особенности растений Trifolium medium L. из природных местообитаний с разным уровнем техногенного загрязнения // Современные методы и подходы в биологии и экологии: материалы III Всерос. школы-конференции молодых ученых. Уфа, 15-18 октября 2013 г. С. 53-56.

Подписано в печать 15.04.2014. Формат 69x84 1/16. Бумага для множительных аппаратов, Гарнитура «Тайме». Печать офсетная (на ризографе). Усл. печ. л. 1,28. Уч.-изд. л. 1,37. Тираж 120 экз. Заказ № 44.

Издательский центр НТГСПА. Адрес: 622031, г. Нижний Тагил, ул. Красногвардейская, 57.

Текст научной работыДиссертация по биологии, кандидата биологических наук, Зиннатова, Эльвира Рашидовна, Уфа

На правах рукописи

04201460218

ЗИННАТОВА ЭЛЬВИРА РАШИДОВНА

03.01.05 - физиология и биохимия растений 03.02.08 - экология (биология)

диссертация на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Уфа-2014

СОДЕРЖАНИЕ

Перечень условных сокращений........................................................4

Общая характеристика работы..........................................................5

Глава 1.Обзор литературы................................................................9

1.1.Тяжелые металлы в окружающей среде и их роль в растениях.............9

1.1.1. Характеристика тяжелых металлов.............................................9

1.1.2. Роль тяжелых металлов в жизнедеятельности растений...................10

1.1.3. Поступление тяжелых металлов в растения..................................13

1.1.4. Аккумуляция и распределение тяжелых металлов в органах растений......................................................................................16

1.1.5. Фитотоксичность тяжелых металлов на растения...........................18

1.1.6. Тяжелые металлы как микроэлементы и токсиканты.......................21

1.2. Окислительный стресс и механизмы устойчивости растений к тяжелым металлам.....................................................................................30

1.2.1. Понятие об окислительном стрессе и активных формах кислорода.....30

1.2.2. Системы антиоксидантной защиты у растений..............................33

1.2.3. Механизмы устойчивости к тяжелым металлам................................41

Глава 2.Районы, объекты и методы исследования...................................46

2.1. Физико-географическая характеристика Свердловской области...........46

2.2. Физико-географическая и экологическая характеристика города Нижний Тагил.....................................................................................47

2.3. Характеристика объектов исследования........................................57

2.4. Методология исследования.........................................................58

2.5. Отбор почвенных и растительных проб..........................................58

2.6. Методы исследования...............................................................59

Глава 3. Результаты исследований и их обсуждение...............................66

3.1. Специфика накопления тяжелых металлов в почвах и растениях.........66

3.1.1. Содержание тяжелых металлов в почве.......................................66

3.1.2. Содержание тяжелых металлов в подземных органах.....................67

3.1.3. Содержание тяжелых металлов в надземных органах......................79

3.2 Антиоксидантный статус растений из разных по уровню химического

загрязнения местообитаний.........................................................91

3.3 Характеристика структурно-функциональных показателей

фотосинтетического аппарата растений.............................................130

3.3.1. Показатели мезоструктуры фотосинтетического аппарата................130

3.3.2 Содержание фотосинтетических пигментов.................................148

Заключение.................................................................................157

Выводы.....................................................................................159

Список использованной литературы.................................................161

Перечень условных сокращений

АП - активность пероксидазы

АТФ - аденознтрифосфорная кислота

АФК - активные формы кислорода

ДГА - дегидроаскорбиновая кислота

ДНК - дезоксирибонуклииновая кислота

КН - коэффициент накопления

КП - коэффициент перехода

МДА - малоновый диальдегид

МДГА - монодегидроаскорбиновая кислота

МТ - металлотионеины

ОВР - окислительно-восстановительные рекции

ПДК - предельно-допустимая концентрация

ПОЛ - перекисное окисление липидов

РНК - рибонуклииновая кислота

СОД - супероксиддисмутаза

ТБК - тиобарбитуровая кислота

ТБКРП - продукты, реагирующие с тиобарбитуровой кислотой

ТМ - тяжелые металлы

ТХУ - трихлоруксусная кислота

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

Рост промышленности привел к избыточному содержанию тяжелых металлов (ТМ) в природных средах и компонентах биоты. В связи с этим, особое внимание уделяется изучению накопления ТМ в живых организмах, обиьающих на техногеннонарушенных территориях. Важным при этом является исследование механизмов адаптации, в том числе физиолого-биохимических, позволяющих организмам, популяциям и сообществам длительное время существовать в условиях химического загрязнения среды. В экосистемах растениям принадлежит особая роль продуцентов и средообразующих факторов. Изучение адаптаций растений к ТМ актуально не только в плане понимания их выживания в загрязненных местообитаниях, но и с точки зрения выявления перспективных для фиторемедиации и рекультивации видов. Подобного рода исследования проводятся, преимущественно, в лабораторных экспериментах на ограниченном числе модельных видов. Изучение таких механизмов у растений из природных местообитаний, подверженных техногенному загрязнению почвы ТМ, немногочислены (Холодова и др., 2005; Деви, Прасад, 2005; Савинов и др., 2007; Шушарин, Журавская, 2007; Фазлиева и др., 2012).

Задачи исследования:

1. Оценить аккумулятивную способность Tussilago farfara L., Plantago major L., Taraxacum officinale Wigg., Melilotus albus M., Trifolium medium L.

2. Определить уровень токсического воздействия (Sn) на растения.

3. Выявить концентрации ТМ в органах растений, при которых

происходит запуск защитных физиолого-биохимических механизмов

(активация ферментов супер оксиддисмутазы и гваяколовой пероксидазы, накопление пролина).

5. Оценить стрессовое воздействие избытка меди в среде (по интенсивности ПОЛ) и выявить способы антиоксидантной защиты у растений из природных местообитаний и их семенного потомства.

Новизна работы

1. Впервые установлены пороговые концентрации ТМ в подземных органах Tussilago farfara L., Plantago major L., Taraxacum officinale Wigg., Melilotus albits M., Trifolium medium L., при которых активизируются защитные механизмы, препятствующие избыточному накоплению поллютантов в побегах.

Теоретическая и практическая значимость исследования

Результаты диссертационной работы расширяют знания об аккумулятивных способностях растений, произрастающих на техногенно нарушенных территориях, дополняют имеющиеся в литературе сведения о механизмах адаптации растений из естественных местообитаний и, выращенных в лабораторных условиях, к ТМ, вносят вклад в понимание механизмов детоксикации ТМ в растениях. Полученные сведения могут быть использованы для целей биомониторинга и фиторемедиации загрязненных почв.

Результаты исследования могут быть использованы в учебных

дисциплинах «Экологическая физиология растений», «Экологическая

токсикология», «Региональная экология» читаемых для студентов, обучающихся по направлениям подготовки «Биология», «Экология и природопользование», «Естественнонаучное образование».

Основные положения, выносимые на защиту

2. Растения, произрастающие в местообитаниях с высоким уровнем химического загрязнения, обладают лучшей способностью к активации компонентов антиоксидантной защиты по сравнению с растениями из менее загрязненных биотопов, в частности, имеют более высокую активность супероксиддисмутазы.

Апробация работы

Основные результаты диссертационного исследования были

представлены на Международных и Всероссийских конференциях и

симпозиумах: «Эволюционная и популяционная экология» (Екатеринбург,

2009); «Устойчивость организмов к неблагоприятным факторам внешней

среды» (Иркутск, 2009); «Актуальные проблемы биологии и экологии»

(Сыктывкар, 2010); «Растение и стресс» (Москва, 2010); «Биология

будущего: традиции и инновации» (Екатеринбург, 2010); «Экология

мегаполисов: фундаментальные основы и инновационные технологии»

(Москва, 2011); «Биологические системы: устойчивость, принципы и

механизмы функционирования» (Нижний Тагил, 2012); «Биология будущего: традиции и новации» (Екатеринбург, 2012); на VII Съезде «Физиология растений - фундаментальная основа экологии и инновационных биотехнологий» (Нижний Новгород, 2011).

Публикации

По материалам исследований опубликовано 20 работ, в том числе три статьи в изданиях, рекомендуемых ВАК.

Структура и объем работы

Диссертация изложена на 179 странице машинописного текста. Состоит из введения, трех глав, заключения, выводов и списка использованной литературы. Работа содержит 15 таблиц и 42 рисунка, приложение. Библиографический список включает 194 работы, в том числе 76 работ на иностранных языках.

Поддержка исследований

Работа выполнена при частичной поддержке ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России», ГК № П2364, Соглашение № 14.А18.21.0203. При финансовой поддержке Минобрнауки РФ (гос. задание в 2008-2011 гг. №1.1.08., в 2012 г. № 5.5329.2011).

Благодарности

Выражаю искреннюю благодарность моим научным руководителям кандидату биологических наук, доценту Киселевой Ирине Сергеевне и доктору биологических наук, доценту Жуйковой Татьяне Валерьевне за помощь в выборе темы, методические рекомендации, совместное обсуждение и обобщение материала. Благодарю коллектив кафедры физиологии и биохимии растений УрФУ, особенно кандидата биологических наук, доцента Чукину Надежду Владимировну, за полезные рекомендации, сделанные в процессе выполнения работы. Признательна коллективу кафедры естественных наук НТТСПА за всестороннюю помощь и поддержку.

Глава 1. Обзор литературы 1.1. Тяжелые металлы в окружающей среде и их роль в растениях 1.1.1. Характеристика тяжелых металлов

В связи с бурным развитием промышленности влияние

антропогенных факторов на живые организмы резко возросло. Среди

многочисленных загрязнителей окружающей среды особое место занимают

тяжелые металлы. Считается, что именно тяжелые металлы являются

наиболее токсичными для живых организмов, в том числе и для растений

(Титов и др., 2007). В биологии к тяжелым металлам условно относят все

химические элементы с атомной массой свыше 50 (Гармаш, 1989; Ильин,

1991), обладающие свойствами металлов или металлоидов. К тяжелым

металлам относится более 40 химических элементов: свинец, цинк, кадмий,

ртуть, медь, молибден, марганец, никель, кобальт и др. (Скугорева и др.,

2008). В настоящее время тяжелые металлы являются мощными

загрязнителями биосферы из-за их высокой токсичности, широкой

распространенности и способности накапливаться в пищевых цепях (Титов и

др., 2007). Их токсичность обусловлена такими физическими и химическими

особенностями как: электронная конфигурация, электроотрицательность,

ионизация, величина окислительно-восстановительного потенциала,

сродство к отдельным химическим группам, а таюке способность проникать

через клеточную оболочку и образовывать прочные соединения на

поверхности и внутри клетки (Кожанова, Дмитриева, 1989).

Распределение тяэ/селых металлов в природных средах

Тяжелые металлы весьма неравномерно распределены в природе.

Существует два источника поступления тяжелых металлов в окружающую

среду: природный и техногенный (Кабата-Пендиас, Пендиас, 1989; Ильин,

1991, Prasad, 1995, Микроэлементы в окружающей..., 2009). Из природных

источников наибольшее значение имеют выветривание горных пород и

минералов, эрозия почв, вулканическая деятельность, высокие естественны

уровни содержания тяжелых металлов. В земной коре тяжелые металлы входят в состав минералов и образуют большое количество природных химических соединений - сульфатов, сульфидов, фосфатов, карбонатов и др. При выветривании горных пород простые и комплексные ионы тяжелых металлов могут входить в глинистые минералы, связываться с органическим веществом почвы, а таюке поступать в воздух, поверхностные и грунтовые воды. В атмосферу тяжелые металлы поступают при извержении вулканов, лесных пожарах, в результате эрозии почв, а также с космической пылью.

Естественные уровни тяжелых металлов в почвах подвержены определенным колебаниям и зависят от их содержания в минералах и почвообразующих породах, от рельефа и климата. Так, в районах рудных месторождений концентрации некоторых из них могут в сотни раз превышать фоновые значения при сравнительно невысоком естественном содержании данных металлов в окружающей среде. Процессы выветривания и почвообразования, естественные потоки тяжелых металлов в ландшафтах и неоднородность растительного покрова также могут оказывать влияние на их количество в почвах (Титов и др., 2007).

Наиболее мощный поток тяжелых металлов в среду обеспечивают антропогенные источники: металлургическая, угледобывающая, химическая промышленность, энергетика, продукты сжигания топлива, применение больших доз удобрений (Ягодин и др., 1989; Ильин, 1991; Барсукова, 1997, Снакин, 1998, Ильин, Сысо, 2001). При длительном техногенном поступлении тяжелых металлов в окружающую среду они накапливаются в избыточном количествк в воздухе, воде и почве, что в свою очередь создает опасность повышенного поступления их в живые организмы, включая растения (Добровольский, 1983, 2004; Титов и др., 2007).

1.1.2. Роль тяжелых металлов в жизнедеятельности растений

Химические элементы, проникающие в растительные ткани, играют

активную роль в метаболических процессах. Наряду с этим они могут таюке

сохраняться в виде неактивных соединений в клетках. По содержанию в растениях все тяжелые металлы являются микро- (концентрация в тканях растений 10"3-10"5 %) и ульрамикроэлементами (10'6 % и менее). Среди них есть необходимые для организма элементы, которые не могут быть заменены другими в их специфической биохимической роли и которые имеют прямое влияние на организм. Эти эссенциальные элементы участвуют в ключевых метаболических процессах: дыхании, фотосинтезе, фиксации и ассимиляции азота и серы (табл. 1).

Таблица 1

Формы нахождения и главные функции необходимых элементов в растениях

(по: Кабата-Пендиас, Пендиас, 1989)

Элемент Компоненты, в которые ВХОДИТ Процессы, в которых участвует

Со Кофермент кобамид Симбиотическая фиксация азота; стимуляция окислительно-восстановительных реакций (ОВР) при синтезе хлорофилла и протеинов

Тп Ангидразы, дегидрогеназы, протеиназы и пептидазы Кофактор в синтезе ауксина; метаболизм углеводов и белков

Бе Гемопротеины и другие железопротеины, дегидрогеназы, ферредоксины - Фотосинтез, фиксация азота, ОВР

Си Разнообразные оксидазы, пластоцианины и ценилоплазмин Окисление, фотосинтез, метаболизм протеинов и углеводов; возможно, участвует в симбиотической фиксации азота и ОВР

Таблица 1 (продолжение)

Элемент Компоненты, в которые входит Процессы, в которых участвует

Мо Нитратредуктаза, нитрогеназа, оксидазы и молибдоферредоксин Фиксация N2, восстановление N03-, ОВР, синтез нуклеиновых кислот

Мп Многие энзиматические системы Фотопродукция кислорода в хлоропластах и косвенно в восстановлении N03; кофактор РНК-полимеразы

Однако избыточное количество даже необходимых металлов оказывает угнетающее и токсическое действие на растения. Кроме того, среди тяжелых металлов имеется группа элементов, за которыми закрепилось понятие «токсичные». Эта группа включает ртуть, кадмий, свинец, цинк и др. Они отличаются высоким сродством к физиологически важным органическим соединениям и способны инактивировать последние (Кабата-Пендиас, Пендиас, 1989). Многие авторы считают, что правильнее говорить не о токсичных элементах, а о токсичных концентрациях (Ильин, 1991; Орлов, 1998).

Следует отметить, что оценка токсичных концентраций и действия ТМ на растения очень сложна и зависит от множества факторов, включая характеристики среды (почва, песок, питательный раствор), формы ТМ в среде, особенности растения (вид, сорт, фаза развития) и др. (Скугорева, 2008). Тем не менее, токсичность хорошо коррелирует со следующими факторами:

• электроотрицательность двухвалентных ионов;

• устойчивость хел�

Информация о работе

Зиннатова, Эльвира Рашидовна
кандидата биологических наук
Уфа, 2014
ВАК 03.01.05

Диссертация

Морфофизиологические и биохимические адаптации дикорастущих видов растений к техногенному загрязнению в условиях Среднего Урала - тема диссертации по биологии, скачайте бесплатно

Автореферат

Морфофизиологические и биохимические адаптации дикорастущих видов растений к техногенному загрязнению в условиях Среднего Урала - тема автореферата по биологии, скачайте бесплатно автореферат диссертации

Похожие работы