Загрязнение почв тяжелыми металлами и качество растениеводческой продукции

РАДИОЭКОЛОГИЯ И РАЛИАПИОННЫЙ КОНТРОЛЬ

ЗАГРЯЗНЕНИЕ ПОЧВ ТЯЖЕЛЫМИ МЕТАЛЛАМИ И КАЧЕСТВО РАСТЕНИЕВОДЧЕСКОЙ ПРОДУКЦИИ

Н.А. Черных, И.С. Челтыгмашева, Ю.И. Баева

Экологический факультет, Российский университет дружбы народов, Подольское шоссе, 8/5, 113093, Москва, Россия

Проведена оценка действия различных уровней загрязнения почв тяжелыми металлами (РЬ, Cd, Си, Zn) на показатели качества растениеводческой продукции. Показано, что высокие концентрации металлов нарушают процессы синтеза хлорофилла, витамина С и каротина в клевере. При загрязнении тяжелыми металлами происходит увеличение содержания нитратов в растениях и подавление активности нитратредуктазы. Анализ фракционного и аминокислотного составов белка в зерне ячменя, возделываемого на загрязненных металлами почвах, свидетельствует о снижении его биологической ценности.

Высокие концентрации тяжелых металлов в почве снижают не только урожай сельскохозяйственных культур, но и качество полученного урожая, тогда как именно качество товарной продукции должно регламентировать ее пригодность в пищу и на корм скоту.

Многочисленные экспериментальные данные свидетельствуют о высокой фитотоксичности большинства тяжелых металлов, в связи с чем появилась необходимость изучения механизмов их действия на растительные организмы. Так, кадмий проявляет сильное сродство к сульфгидрильным группам некоторых соединений, однако данный металл обнаруживает также сродство к боковым цепочкам протеинов и фосфатным группам. Во многих исследованиях показано, что кадмий концентрируется в протеиновой фракции растений, что необходимо учитывать при производстве пищевых продуктов. Энзимы, нормальное функционирование которых зависело бы от кадмия, в настоящее время неизвестны. Есть данные, что Cd специфически вызывает синтез цистеина и метионина в сое, причем этот эффект зависит от степени устойчивости растений к повышению уровней загрязнения. Основная причина токсичности кадмия связана с нарушением энзиматической активности. Установлено также, что хлорофилл обладает способностью концентрировать кадмий в растительных тканях, в связи с чем было предложено использовать хлорофилл как индикатор для определения верхнего критического уровня накопления Cd в растениях. Кроме того, фитотоксичность кадмия проявляется в тормозящем действии на фотосинтез, нарушении транспирации и фиксации ССЬ, изменении проницаемости клеточных мембран (Кабата-Пендиас, Пецдиас, 1989).

В ряде работ описано токсическое действие РЬ на такие процессы, как фотосинтез, митоз, поглощение воды. Субклеточное воздействие свинца на ткани растений связано с ингибированием дыхания и фотосинтеза, вызванным нарушением переноса электронов. Установлено, что ингибирование этих процессов в митохондриях кукурузы происходит уже при таких низких концентрациях свинца, как 1 мг/кг (Zimdahl, 1975). В настоящее время имеется много сообщений о стимулирующем действии низких концентраций элемента на рост растений, хотя нет данных, свидетельствующих о жизненной необходимости свинца для растений. Более того, описаны эффекты торможения метаболизма растений, возникающие при низких концентрациях.

В отличие от Сс1 и РЬ, цинк и медь выполняют важные функции в метаболизме растений. Наиболее существенная из них — это вхождение в состав разнообразных энзимов. Цинк входит в состав дегидрогеназы, протеиназы, пептидазы и фосфогидролазы. Рядом авторов показано, что основные функции Ъа. в растениях связаны с метаболизмом углеводов, протеинов и фосфатов, а также с образованием ауксина, ДНК и рибосом. Фитотоксичность цинка отмечается довольно часто, особенно на кислых малоплодородных почвах. Являясь составной частью многих физиологически важных компонентов растительных тканей, Си играет значительную роль в фотосинтезе, дыхании, перераспределении углеводов, восстановлении и фиксации азота, метаболизме протеинов. Отмечается большое влияние меди на проницаемость для воды сосудов ксилемы, а следовательно, и на баланс влаги. Кроме того, Си контролирует образование ДНК и РНК, и ее дефицит заметно тормозит репродуцирование растений (Кабата-Пендиас, Пендиас, 1989). Несмотря на высокую биохимическую значимость меди, при высоких концентрациях данный элемент проявляет сильную токсичность: происходит повреждение тканей, изменение проницаемости клеточных мембран, наблюдаются пороки развития корней, замедляется прорастание семян.

Таблица 1

Изменение содержания хлорофилла, каротина, аскорбиновой кислоты и нитратов в клевере под действием различных количеств тяжелых металлов

Доза внесения металла в почву, мг/кг Содержание нитратов, мг/кг сырой массы Содержание, мг%

хлорофилл каротин аскорбиновая кислота

Свинец

0 30,9 312 4,60 147

60 38,4 280 4,54 153

125 36,2 300 4,70 149

250 34,1 272 4,31 185

500 44,0 260 4,45 193

1000 32.7 245 3,80 120

Медь

0 29,0 307 4,49 145

60 43,2 ЗЗБ 4,60 130

125 50,1 264 4,67 174

250 50,0 230 3,90 186

500 гибель

1000 гибель

Цинк

0 30,6 310 4,50 140

125 38.2 368 4,82 142

250 48,3 350 5,00 159

500 45,0 306 4,71 182

1000 60,5 220 4.10 212

2000 гибель

Кадмий

0 32,1 315 4,62 146

1 30,6 320 4,55 140

5 37,8 317 4,80 165

10 49,0 258 4,12 159

20 42,3 220 3.90 195

50 60,0 190 3,60 160

НСРпск 3,5 14 0,42 9,5

Нарушение важнейших физиологических процессов под действием тяжелых металлов приводит к изменению основных показателей качества расте-

ниеводческой продукции. На примере клевера в условиях микрополевых опытов с дерново-подзолистой почвой нами проведена оценка изменения содержания витаминов — аскорбиновой кислоты (витамина С) и каротина (провитамина А), а также хлорофилла и нитратов в растениях при разных уровнях загрязнения почвы (табл. 1). В листьях клевера параллельно с содержанием нитратов определялась активность нитратредуктазы (табл. 2).

Таблица 2

Влияние свинца на активность нитратредуктазы и содержание нитратов в клевере

Доза внесения Cd в почву, мг/кг Активность нитратредуктазы, мкг NaN03 на 1 г за 1 час Содержание нитратов, мг/кг сырой массы

0 19.8 38,7

60 23.6 37,5

125 20.5 39,0

250 25,3 33,0

500 15,2 56,5

1000 10,7 62,8

НСРпч, 1,6 1,9

Высокие концентрации всех изучаемых металлов привели к падению содержания хлорофилла в растениях клевера (рис.1). При этом доза меди в почве 60 мг/кг и дозы цинка 125 и 250 мг/кг стимулировали синтез хлорофилла.

Витамины составляют группу катализаторов с относительно низкой молекулярной массой, они тесно связаны с ферментами и часто входят в активные группы двухкомпонентных ферментов. По мере увеличения вносимых количеств металлов содержание аскорбиновой кислоты постепенно повышалось. Такая закономерность наблюдалась до определенной концентрации металлов, при дальнейшем повышении их количества содержание витамина резко падало (рис. 2).

Роль каротина в растениях определяется его участием в окислительновосстановительных процессах и связана с фотосинтезом, ростом и размножением. Известно по крайней мере пять биологически активных изомеров каротина. При расщеплении каротина с участием воды в организме человека и животных образуется витамин А. Содержание каротина в большей степени подвержено негативному действию металлов.

Большой интерес представляет отмеченный при проведении эксперимента рост содержания нитратов в растениях клевера при загрязнении тяжелыми металлами. Проведенное нами изучение действия тяжелых металлов на активность нитратредуктазы (фермента, катализирующего первый этап восстановления нитратов до аммиака) в листьях клевера in vivo показало ингибирующее действие высоких концентраций элементов на данный фермент. Так, при содержании свинца 1000 мг/кг его активность снизилась практически вдвое — с 19,8 до 10,7 мкг NaNCb на 1 г за 1 час. При снижении активности нитратредуктазы отмечено накопление в растениях нитратов. Можно предположить, что в результате инактивации нитратредуктазы происходит замедление процесса восстановления нитратов, что влечет за собой их накопление в тканях растений. Замедление редукции нитратов в растениях, вероятно, связано с недостатком непосредственно участвующих в данном процессе мик-

роэлементов, вызванным присутствием избыточных количеств тяжелых металлов. Так, активность нитратредуктазы может быть подавлена за счет конкуренции ТМ с Мо, а на последующих стадиях восстановительного процесса тяжелые металлы могут вступать во взаимоотношения с Си, Бе, Мв и Мп:

Мо Си, Ре, Мв Си. Ре. Мп

N03 -> N02 -> N202 -> ЫН4ОН -> ЫН3.

Нитратредуктаза Нитритредуктаза Гипонитритредуктаза Гидроксиламинредуктаза

60 125 250 500

Доза металла в почве, мг/кг

1000

РЬ

Си

Рис. 1. Влияние свинца и меди на содержание хлорофилла в клевере

Большое практическое значение имеют исследования по изучению действия тяжелых металлов на качество белка зерновых культур. Для оценки качества белков существует два основных показателя: фракционный и аминокислотный составы.

Каждая белковая фракция имеет довольно стабильный характерный аминокислотный состав. Однако изменение соотношений между отдельными фракциями приводит к некоторому изменению содержания аминокислот в суммарном белке.

Проведенные нами исследования показывают, что высокие концентрации свинца (рис. 3), меди (рис. 4), цинка и кадмия не влияют на содержание в белке зерна ячменя альбуминов и глобулинов. Увеличение содержания общего азота произошло за счет белкового, в частности за счет прола-минов и глютелинов. Это согласуется с установленным фактом, что при увеличении содержания белка в зерне возрастает доля запасных белков, главным образом проламинов (Павлов, 1972).

Повышение содержания белков в зерне ячменя, выраженное на почвах с высоким содержанием тяжелых металлов, связано с накоплением менее ценных в пищевом отношении фракций спирто- и щелочерастворимых белков. О снижении биологической ценности белков свидетельствует и их аминокислотный анализ (табл. 3).

О 60 125 250 500 1000

Рис. 2. Влияние свинца и мели на содержание аскорбиновой кислоты в

клевере

Под действием ТМ происходит увеличение суммы всех аминокислот, однако количество незаменимых аминокислот при этом снижается. Повышение общего содержания аминокислот вдет главным образом за счет увеличения количества пролина, глицина, глутаминовой и аспарагиновой кислот; снижение же суммы незаменимых аминокислот — преимущественно за счет лизина, лейцина, изолейцина и метионина. Большинство исследователей отмечает, что с увеличением содержания белка снижается содержание лизина, а количество глутаминовой кислоты увеличивается (Минеев и др., 1975; Головатый, 2002). В работе В.Г. Толоч-ко и КЛ. Загорча (1974) отмечается уменьшение содержания лейцина, изолейцина, цистина и гистидина при увеличении содержания белка. Бш^а! и МагаП (1976) установили, что тяжелые металлы могут непосредственно связываться с аминокислотами или способствовать синтезу специфического белка — металло-тионина. В поставленном ими опыте белок связывал кадмий, предохраняя клетки от его токсического действия. Непосредственная связь ТМ с аминокислотами выражается во взаимодействии металлов с функциональными группами аминокислот и образовании комплексных соединений, в результате чего аминокислоты утрачивают свои свойства. Аминокислоты и пептиды образуют группу комплек-

сов, в которых связь металла с этими соединениями не настолько прочна, чтобы исключалась возможность обмена на другие металлы. Как известно, прочность связи металлов с органическими соединениями определяется величиной константы стабильности образующегося соединения. Процесс хелатообразования подчиняется закону действующих масс: Ме + X = МеХ; [МеХ] / [Ме] • [X] = Кр, где [Ме] и [X] — молярная концентрация металла и хелатирующего агента, находящегося в ионной форме; [МеХ] — молярная концентрация образовавшегося внутрикомплексного соединения; Кр — константа равновесия.

О 60 125 250 500 1000

Доза свинца в почве, мг/кг

0 Альбумины щ Глобулины д Проламины Щ Глютелины

Рис. 3. Влияние различных количеств свинца на фракционный состав белка зерна ячменя

Константа равновесия характеризует устойчивость комплекса, а отрицательный десятичный логарифм этой константы (— ^ Кр) является константой стабильности.

Сравнивая константы стабильности комплексов тяжелых металлов (напри мер, Сё, РЬ и 2п) с аминокислотами, можно предположить, с какими метал лами аминокислоты вероятнее всего будут образовывать комплексы (табл. 4).

Большинство аминокислот имеют близкие константы стабильности, и только две из них — цистеин и гистидин — связывают металлы значительно прочнее. Изолейцин имеет также достаточно высокую константу стабильности — для кадмия она равна 7,0. При одновременном поступлении в растения цинка, свинца и кадмия наибольшей способностью к образованию комплексов с органическими соединениями обладает цинк, что следует из сравнения констант стабильности. Следует отметить, что величина Кр зависит от многих факторов, таких как заряд и радиус ионов, доступные орбиты и относительная степень образования донорно-акцепторной связи металла, поляризуемость комплексирующих групп, их основность, статический эффект, эффект энтропий и др. (СаМп, 1954).

8

О 60 125

Доза меди в почве, мг/кг

0 Альбумины ц Глобулины д Проламины д Глютелины

Рис. 4. Влияние различных количеств мели на фракционный состав белка зерна ячменя

Таблица 3

Влияние высоких концентраций кадмия на содержание аминокислот в зерне ячменя

Аминокислоты Содержание аминокислот, г%

Доза кадмия в почве, мг/кг 0 10 50

Содержание С<3 в зерне, мг/кг 0,02 1,23 5,09

незаменимые:

Треонин 0,44 0.42 0,40

Валин 0,58 0.62 0,56

Метионин 0.30 0,28 0,20

Изолейцин 0,45 0,36 0,35

Лейцин 1,18 1,24 1,00

Фенилаланин 1,52 1,34 1,46

Лизин 1,27 1.25 0,90

сумма: 5,74 5,51 4,87

Аспарагиновая кислота 1,14 1,32 1,59

Серии 1,00 0,92 1,10

Глутаминовая кислота 3,90 4,33 4,49

Пролин 2,12 2.55 2,80

Аргинин 0.65 0,59 0,80

Глицин 0,75 0.64 1,20

Аланин 0,60 0,57 0,62

Тирозин 0.87 0,80 1,14

Гистидин 0,48 0,30 0,23

сумма всех аминокислот: 17,25 17,53 18,84

Таблица 4

Константы стабильности

Аминокислоты Металлы

РЬ Сс1 Хп

Треонин — — 4,74

Валин 4,02 3,46 5,00

Метионин 4,38 3.88 4,37

Изолейцин — 7,00

Лейцин — 3.99 4,92

Фенилаланин 4.01 3,87 4,28

Лизин — — —

Гистидин 6,84 5,65 6,84

Аспарагиновая кислота 5,88 4,37 5,84

Серии — — 4,66

Глутаминовая кислота 4.60 4.78 5,45

Пролин — 4,40 5,36

Аргинин — 3,27 4,19

Глицин 5,47 4.80 5,52

Аланин 5,00 3,96 5,21

Тирозин 4.14 3.57 4,16

Цистеин 11.39 — 9,04

Таким образом, все рассмотренные показатели в присутствии больших количеств тяжелых металлов значительно изменяются, что сказывается на качестве растениеводческой продукции. Прямое воздействие ТМ в растительных клетках обусловлено или блокировкой реакций с участием ферментов, или же коагуляцией белков. Прямое влияние избытка металлов сопровождается его косвенным воздействием — переводом питательных веществ в недоступное для растений состояние, нарушением поступления и распределения других химических элементов.

Заключение. Нарушение важнейших физиологических процессов под действием тяжелых металлов приводит к изменению основных показателей качества растениеводческой продукции. Высокие концентрации всех изучаемых металлов приводят к падению содержания хлорофилла и каротина в растениях. По мере увеличения вносимых количеств металлов постепенно повышается содержание аскорбиновой кислоты, однако при максимальных дозах металлов содержание витамина резко падает.

При загрязнении тяжелыми металлами происходит увеличение содержания нитратов в растениях клевера и подавление активности нитратредуктазы Можно предположить, что в результате инактивации нитратредуктазы происходит замедление процесса восстановления нитратов, что влечет за собой их накопление в тканях растений. Замедление редукции нитратов в растениях, вероятно, связано с недостатком непосредственно участвующих в данном процессе микроэлементов, вызванным присутствием избыточных количеств тяжелых металлов. Так, активность нитратредуктазы может быть подавлена за счет конкуренции ТМ с Мо, а на последующих стадиях восстановительного процесса изучаемые тяжелые металлы могут вступать во взаимоотношения с Си, Ре, Мб и Мп.

Повышение содержания белков в зерне ячменя, выраженное на почвах с высоким содержанием тяжелых металлов, связано с накоплением менее ценных в пищевом отношении фракций спирто- и щелочерастворимых белков

(проламинов и глютелинов). Содержание альбуминов и глобулинов при этом не изменяется. О снижении биологической ценности белков свидетельствует и их аминокислотный анализ. Под действием тяжелых металлов происходит увеличение суммы всех аминокислот (главным образом за счет пролина, глицина, глутаминовой и аспарагиновой кислот) на фоне снижения количества незаменимых аминокислот (лизина, лейцина, изолейцина, метионина).

ЛИТЕРАТУРА

Галоватый С.Е. Тяжелые металлы в агроэкосистемах / Республиканское унитарное предприятие «Институт почвоведения и агрохимии» / Минск, 2002. - 239 с. Кабата-Пендиас А., Пендиас X Микроэлементы в почвах и растениях. — М.: Мир, 1989. - 439 с.

Минеев В.Г.. Тищенко А.Т., Семихоеа О.Д. Удобрение и качество зерна озимой пшеницы. Обзорная литература. — М.: Колос, 1975. — С. 112.

Павлов А.Н. Некоторые закономерности накопления белка в зерне озимой пшеницы. - В сб.:Повышение качества зерна пшеницы. — М.: Колос, 1972. — С. 157-170. Толочко В.Г., Загорча КЛ. Влияние удобрений на фракционный и аминокислотный состав белков зерна кукурузы и озимой пшеницы. — В сб.: Питание растений и применение удобрений.- Кишинев, 1974. — Т. 131. — С.27-33.

Яцимирский К.Б., Крисс Е.Е., Гвяздовская ВЛ. Константы устойчивости комплексов металлов с биолигандами. — Киев: Наукова Думка, 1979. — С. 225.

Calvin М. Chelation and catalysis // Mechanism of enzyme action. — Baltimor, 1954. — P. 97-112.

Sindhal RL., Marali L.M. Aspect of biochemical toxicology of cadmium. // Federation proc., 1976. - Vol.35. - P.75.

Zimdahl RL. Entry and movement in vegetation of lead derived from air and soil sources. — Paper presented at 68th Annu. Meeting of the Air Pollution Control Association, Boston, Mass., June 15, 1975.

SOIL POLUTION AND QUALITY OF PLANTS PRODUCTION N.A. Chernykh, I.S. Cheltygmasheva, J.I. Baeva

Ecological Faculty, Russian Peoples' Friendship University,

Podolskoye shosse, 8/5, 113093, Moscow, Russia

Is lead an estimation of action of various levels of soil pollution by heavy metals (Pb, Cd, Cu, Zn) on parameters of plants productions quality. It is shown, that high concentration of metals break processes of synthesis of a chlorophyll, vitamin С and carotin in plants. At pollution by heavy metals there is an increase in the maintenance of nitrates in plants and suppression of nitratereductasa activity. The analysis fractional and aminoacids compositions of fiber in grain of the barley cultivated on polluted metals soil, testifies to decrease in its biological value.