Сетевое издание

Международный студенческий научный вестник

ISSN 2409-529X

Введение

Одними из самых опасных загрязнителей окружающей среды являются тяжелые металлы (ТМ). Пути миграции поллютантов в биосфере многочисленны. Однако они всегда проходят через уровень продуцентов. Несмотря на то, что многие тяжелые металлы не являются необходимыми для растений, они могут ими активно поглощаться, накапливаться и по пищевым цепям поступать в организм человека [3]. Опасность металлов усугубляется еще и тем, что они обладают кумулятивным действием и сохраняют токсические свойства в течение длительного времени.

Тяжелые металлы оказывают самое различное пагубное действие на жизнедеятельность растений. Известно, что они подавляют рост растений путем снижения интенсивности клеточных делений, а также нарушением растяжения клеток вследствие связывания металлов с -SH группами белков клеточных стенок. Накопление тяжелых металлов приводит к угнетению развития растений, задержке их фенологических фаз [4].

Целью работы стало изучение влияния тяжелых металлов (Cu, Zn, Fe, Mn, Pb, Cd) на всхожесть и морфометрические показатели овса посевного (Avena sativa)

Материал и методы исследования

Материалом для исследований стали проростки овса посевного, как часто используемый в биотестировании объект. Среди тяжелых металлов было решено выбрать пары элементов: медь, цинк; железо, марганец; свинец и кадмий. Приведенные металлы взяли в виде кристаллогидратов сульфатов Cu, Zn, Fe, Mn, Cd: CuSO4*5H2O, ZnSO4*7H2O, FeSO4*7H2O, MnSO4*5H2O, 3CdSO4*8H2O и ацетата свинца: Pb(CH3COO)2*3H2O. Выбор ацетата свинца связан с его растворимостью в воде, в отличие от сульфата, поэтому его использование должно гарантировать переход металла в ткани растений. Сульфат ионы, в отличие от хлоридов и нитратов являются более инертными, и не вызывают существенных пагубных или стимулирующих эффектов.

Для выращивания растений использовалась органогенная почва (торфосодержащий грунт) и минеральная почва (отмытый речной песок). Такой выбор был обусловлен различными механизмами удерживания ионов металлов в толще грунта. Уровень загрязнения почв Cu, Zn и Mn был выбран на отметке в 2 предельно допустимые концентрации (ПДК) по валовому содержанию этих элементов в почве [1]. Для Fe, в силу отсутствия такого норматива, было принято вносить его в количестве, равном количеству Mn. Вносимые количества Pb и Cd были установлены на уровне в 2 ориентировочно допустимые концентрации (ОДК) по валовому содержанию этого металла в почве (260 мг/кг для Pb и 4 мг/кг для Cd) [2]. Выбор ориентировочно допустимой концентрации обусловлен тем, что фоновые содержания свинца в почвах часто превышают установленное значение ПДК в 30 мг/кг [1], а значение ПДК для Cd не установлено. Навески сульфатов (в пересчете на количество элемента) в виде порошка тщательно перемешивали с почвой, а затем помещали в нее семена овса.

В таблице отображены концентрации вносимых загрязнителей и варианты эксперимента.

В каждом из III экспериментов были поставлены контрольный вариант без внесения поллютантов в почву, моноопыт (О1, О2) – где вносился только 1 исследуемый металл и вариант комбинированного действия металлов (О3) – где вносились попарно Cu+Zn, Fe+Mn и Pb+Cd в I, II и III эксперименте соответственно

Таблица 1

Концентрации вносимых загрязнителей в модельных экспериментах

Каждый вариант опыта ставился в 10 параллелях, в каждой параллели использовалось для посева 30 семян овса. Объем емкости для выращивания растений составлял около 0,4 дм3. Растения росли в равных условиях по освещенности и температуре. Эксперимент длился две недели. Каждые два дня проростки поливали отстоянной водой. Полученные результаты были подвергнуты статистической обработке с иcпользованием программного обеспечения Statistica 10.

Результаты исследования и их обсуждение

В эксперименте I на всхожесть семян овса в органогенной почве большое влияние оказывало присутствие ионов Cu2+: в варианте О1 она была снижена почти на 50% по сравнению с контрольным вариантом (рис. 1, а). Действие цинка (О2) оказалось менее выраженным по сравнению с медью, но относительно контроля всхожесть была тоже значительно снижена. В случае комбинированного действия двух металлов наблюдался отрицательный синергетический эффект (антагонизм) по сравнению с моноопытами: всхожесть семян угнеталась в меньшей степени.

В аналогичном опыте с минеральной почвой наблюдалась другая картина (рис. 1, б). На первых сроках эксперимента (3 и 5 день) совместное действие Cu и Zn повышало всхожесть семян по сравнению с контролем. Однако к концу эксперимента данный эффект исчез. Как известно из литературы, Cu и Zn являются важными микроэлементами для растений. Поэтому можно предположить, что на первых этапах эксперимента содержание металлов в растениях было небольшим, и оно стимулировало жизнедеятельность растений. Однако к концу эксперимента содержание тяжелых металлов в растениях увеличилось, и стимуляция исчезла.

Рис. 1. Всхожесть семян овса в загрязненной Cu и Zn органогенной (а) и минеральной (б) почве

*- статистически достоверные различия между контролем и вариантом опыта (при Р ≤0,05)

Для эксперимента II отмечалось негативное воздействие Fe на всхожесть: наблюдалось снижение всхожести на 15%, по сравнению с контрольным вариантом. Негативного действия Mn в моноопыте на всхожесть семян в органогенной почве выявлено не было (рис .2, а).

В аналогичном опыте с минеральной почвой с Fe и Mn снижение всхожести к концу эксперимента также не наблюдалось (рис. 2, б).

Рис. 2. Всхожесть семян овса, выращенного на загрязненной Fe и Mn органогенной (а) и минеральной (б) почве, %

В эксперименте III на третий день эксперимента было обнаружено небольшое повышение всхожести в органогенной почве в вариантах О1 и О2 на 5-6%, что является проявлением стресса для проростков овса (рис. 3). К концу эксперимента всхожесть в этих вариантах не отличалась от контрольного значения. В варианте О3 она была снижена на 20%, что, вероятно, связано со взаимодействием Pb и Cd. В минеральной почве снижения всхожести не наблюдалось (рис. 3, б).

Рис. 3. Всхожесть семян овса, выращенного на загрязненной Pb и Cd органогенной почве (а) и минеральной почве (б), %

Полученная картина коррелирует с результатами, полученными ранее по Cu, Zn, Fe и Mn и объясняется тем, что в органогенной почве металлы вступают в комплексообразование с гумусовыми кислотами, при недостатке минерального питания всхожесть снижается, а в минеральной почве металлы могут переходить в ткани овса практически беспрепятственно, блокирования питания не происходит.

Взаимное влияние металлов в органогенной почве показало, что взаимное действие Cu и Zn на всхожесть является антагонистическим, Pb и Cd – синергическим, а во взаимном влиянии Fe и Mn преобладает эффект воздействия Fe, несмотря на одинаковые вносимые количества. Полученный результат, вероятно, связан с механизмами взаимодействия транслокации металлов: Cu2+ и Zn2+ совместно вступают в процессы комплексообразования, что приводит к уменьшению связанной доли металлов. Для Pb2+ и Fe2+ это также характерно, в то время как для Cd2+ и Mn2+ реакции комплексообразования не столь значимы, соответственно конкуренция в химических процессах почвы выражена слабее, как следствие, регистрируется синергический эффект.

Анализ морфометрических показателей овса показывает, что наибольшее влияние тяжелые металлы оказывают на корневую систему растений: количество корней и их длина была значительно снижена (до 30% и 50% соответственно) при действии Cu и Zn по сравнению с контрольным вариантом (рис. 4). В варианте с совместным действием двух металлов наблюдается синергизм по сравнению с моноопытами. Более выраженное токсическое воздействие металлов на корневую систему легко объясняется тем, что корни находятся в непосредственном контакте с поллютантом и обладают высокой аккумулятивной способностью. Известно, что корни блокируют поступление токсичных веществ в растение путем хелатирования металлов в клетках [18]. О высокой чувствительности корней в ответ на антропогенное загрязнение сообщается в работе [5].

Рис. 4. Морфометрические показатели овса, выращенного на загрязненной Cu и Zn органогенной почве

В меньшей степени воздействие тяжелых металлов сказывается на длине листа и длине растения: в вариантах О2 (Zn) и О3 (Zn) она уменьшается по сравнению с контролем на 5-15%. В случае с вариантом О1 статистически достоверных различий с контролем выявить не удалось. Меньшее токсическое воздействие тяжелых металлов на надземную часть растений может быть связано с двумя факторами: с меньшим транслокационым переносом токсикантов из подземной части растения, а также с различной активностью антиоксидантных систем в разных частях растения.

Увеличение длины гипокотиля, как в проведенном эксперименте, обычно происходит при недостатке света, но в ходе опыта свет между растениями был распределен равномерно, что говорит о способности тяжелых металлов усиливать рост гипокотиля и вытягивать проростки овса.

В эксперименте с использованием минеральной почвы токсический эффект от присутствия тяжелых металлов в целом выражен слабее (рис. 5). Корневая система растений также претерпевает угнетение, но в меньшей степени. Длина надземной части растений при действии тяжелых металлов практически не отличалась от контрольного варианта и находилась в пределах погрешности опыта.

Рис. 5. Морфометрические показатели овса, выращенного на загрязненной Cu и Zn минеральной почве

Анализ морфометрических показателей овса, выращенного в органогенной почве в эксперименте II, показал, что наибольшее влияние Fe и Mn оказывают на корневую систему растений: количество корней и их длина была значительно снижена, как и в эксперименте I до 30% и 50% соотвественно (рис. 6, 7).

Несмотря на то, что длина корней при загрязнении минеральной почвы Fe и Mn была снижена в 3 раза и более, их количество увеличивалось по сравнению с контролем на 10-15%, что говорит о попытке растений компенсировать качественную деградацию корневой системы количественным путем.

Рис. 6. Морфометрические показатели овса, выращенного на загрязненной Fe и Mn органогенной почве

Рис. 7. Морфометрические показатели овса, выращенного на загрязненной Fe и Mn минеральной почве

Действие Fe и Mn на надземную часть растений также было выражено: длина гипокотиля, листа и растений снижались на 30-60%,. Однако стоит отметить, что внесение Mn в органогенную почву в моноопыте О1 стимулировал рост листа и растения на 10-15%, что свидетельствует о том, что Mn является биогенным элементом и может выполнять ряд важных функций в жизнедеятельности растений.

Также обращает на себя внимание, что действие металлов в комбинированном варианте О3 (Fe+Mn) отличалось только от моноопыта О1 (Mn) и практически не отличалось от моноопыта О2 (Fe). Это явно указывает на большее негативное воздействие Fe, по сравнению с Mn на морфометрические показатели растений.

В целом, в эксперименте с минеральной почвой подземная часть растений была угнетена в большей степени, по сравнению с органогенной почвой, а надземная часть, наоборот, в меньшей степени, что может указывать на более неравномерное распределение металлов по органам растений.

Ниже представлена картина по всем морфометрическим показателям в эксперименте III (рис. 8, 9). Как и в ранее проведенных исследованиях, наибольшее влияние отмечается на корневую систему: количество корней и длина корней снижались в диапазоне от 5 до 45%. В варианте О3 в эксперименте с органогенной почвой наблюдалось увеличение длины корней, вероятно, для компенсации уменьшения их количества.

Рис. 8. Морфометрические показатели овса, выращенного на загрязненной Pb и Cd органогенной почве

Рис. 9. Морфометрические показатели овса, выращенного на загрязненной Pb и Cd минеральной почве

Длина листа и растения также снижалась, но только на 7-10%. Под действием Pb и Cd проростки овса вытягивались, возможно, для образования новых придаточных корней, что зафиксировано по возросшей на 5 - 20% длине гипокотиля.

Заключение

Таким образом, тяжелые металлы (Cu, Zn, Fe, Mn, Pb, Cd) снижают всхожесть семян овса в органогенной почве до 50% по сравнению с контролем, в минеральной почве такого эффекта зарегистрировано не было в связи с отсутствием блокирования питания проростков. Изучение морфометрических показателей растений показало, что тяжелые металлы подавляют морфофизиологическое развитие растений. Наибольшее влияние они оказывают на корневую систему растений, надземная часть растений была угнетена в меньшей степени. Была обнаружена способность металлов влиять на рост гипокотиля – подавлять его (Fe, Mn) или вытягивать проростки (Cu, Zn, Pb, Cd). В эксперименте с минеральной почвой изменение морфометрических показателей было менее выраженным, что коррелирует с вышеописанными результатами по всхожести семян и, вероятно, связано с питанием проростков. Наиболее сильное среди изученных металлов действие на морфометрические показатели было обнаружено у Fe, что также может быть связано с высоким сродством этого элемента к комплексообразованию.