Особенности поглощения и миграции тяжелых металлов в органах растений в условиях среднего Приобья

БИОЛОГИЯ И ЭКОЛОГИЯ

Н.А.Иванова

— кандидат биологических наук, профессор кафедры экологии, Нижневартовский государственный гуманитарный университет;

Н. А. Шарф

— аспирант кафедры экологии, Нижневартовский государственный гуманитарный университет

ОСОБЕННОСТИ ПОГЛОЩЕНИЯ И МИГРАЦИИ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ В ОРГАНАХ РАСТЕНИЙ В УСЛОВИЯХ СРЕДНЕГО ПРИОБЬЯ

АННОТАЦИЯ. В представленной работе изучена способность растений поглощать тяжелые металлы. На основе гистохимического анализа органов растений были выявлены растения-аккумуляторы: Trifolium repens, Melianthus annuus, Carex acuta, Silene vulgaris.

In the given work ability of plants to concentrate heavy metals is studied. The chemical analysis of fabrics of bodies of plants has revealed plants-stores: Trifolium repens, Melianthus annuus, Carex acuta, Silene vulgaris.

В условиях нарастания загрязнения городской среды тяжелыми металлами особая роль отводится зеленым насаждениям, которые выступают в качестве барьера на пути их распространения. Необходимо отметить, что влиянию тяжелых металлов на растения посвящено довольно большое число работ [2, 5, 6, 7, 8, 9].

Многие растения обладают способностью перераспределять и аккумулировать тяжелые металлы в большом количестве [12].

В связи с этим весьма актуальным является поиск растений, накапливающих тяжелые металлы в существенных количествах в надземных органах, для целей их использования в фиторемедиации — наиболее экологичном и эстетичном способе рекультивации загрязненных территорий как промышленного, сельскохозяйственного, так и рекреационного назначения [11].

Задачей нашего исследования является выявление видов растений, являющихся интенсивными накопителями тяжелых металлов на территории Среднего Приобья для целей фиторемедиации.

Исследования проводили на территории г.Нижневартовска Ханты-Мансийского автономного округа — Югры в период с марта 2007 г. по сентябрь 2009 г.

Объектами исследований выступили 19 видов дикорастущих растений: клевер ползучий, полынь обыкновенная, марь белая, подсолнечник однолетний, козлобородник сибирский, осока острая, горошек мышиный, смолевка обыкновенная, горец почечуйный, подорожник большой, донник лекарственный, подмаренник северный, рябина сибирская, осина обыкновенная, береза пушистая, ива козья, ива белая, ромашка пахучая, иван-чай.

Травянистые растения отбирали на участках улиц с интенсивным движением автотранспорта (Мира, Интернациональная, Дзержинского, Нефтяников, Северная) на расстоянии одного метра от дороги, а листья и стебли древесных растений — на расстоянии 20 м. Контрольный участок для отбора растений был расположен в сквере МОСШ № 13.

Для понимания механизмов поступления и распределения металлов в растительных организмах применяли дитизоновую методику, предложенную И.В. Серегиным и В.Б.Ивановым, успешно используемую ими и некоторыми другими авторами [1, 3, 4, 10] в собственных лабораторных исследованиях растений.

Основное действующее вещество используемого в работе реактива — дитизон, кристаллы которого приобретают красное окрашивание в присутствие металлов (Fe, Zn, Cu, Pb, Cd, Ш, ^, ^ и др.).

Реактив готовили по методике И.В.Серегина, В.Б.Иванова [14] непосредственно перед использованием. Обработанные реактивом срезы просматривали под бинокулярным микроскопом. Локализацию металлов определяли по характерному окрашиванию.

По интенсивности окраски срезов органов растений судили об их способности накапливать тяжелые металлы. Характер накопления зависит как от физико-химических характеристик субстрата и содержащихся в нем ионов, так и от эколого-биологических особенностей вида.

Изучение аккумуляции тяжелых металлов в растениях, собранных на участках улиц с интенсивным движением автотранспорта, позволило выявить ряд закономерностей.

Корневая система большинства видов растений обладает высокой аккумулирующей способностью.

Гистохимический анализ распределения тяжелых металлов в тканях смолевки обыкновенной, клевера ползучего, осоки острой и подсолнечника однолетнего показал, что тяжелые металлы интенсивно накапливались в корнях, стеблях и листьях. Данные виды растений можно отнести к группе растений-аккумуляторов.

Поступление тяжелых металлов в ткани центрального цилиндра растений-аккумуляторов доказывает, что эндодерма не является универсальным барьером, ограничивающим транспорт тяжелых металлов в стель [13].

По срезам корней, стеблей и листьев растений было обнаружено, что горошек мышиный, иван-чай, ромашка пахучая не накапливали тяжелые металлы в органах. Согласно классификации М.Г.Опекуновой [12], данные виды являются индифферентными.

Растения подмаренник северный, подорожник большой, горец почечуйный, козлобородник сибирский мы отнесли к растениям-исключателям, согласно классификации В.Б.Серегина, А. Д.Кожевниковой [13], поскольку у этих растений поглощаемые тяжелые металлы задерживались в корневой системе и практически не поступали в побеги.

По данным В.Б.Серегина, А.Д.Кожевниковой [13], у растений-исключателей низкое содержание металлов в надземных органах определяется барьерной функцией эндодермы корня.

Такие растения, как донник лекарственный, марь белая, полынь обыкновенная интенсивно накапливали тяжелые металлы в корнях и стеблях.

Среди изученных древесных видов растений высокая аккумуляция тяжелых металлов наблюдалась в первичной коре и ксилеме стебля ивы белой и ивы козьей. У осины обыкновенной и березы пушистой тяжелые металлы концентрировались во всех тканях стебля. Максимальная степень аккумуляции тяжелых металлов была обнаружена в коре березы пушистой. Листья всех представленных видов древесных и кустарниковых растений накапливали тяжелые металлы в значительно меньшем количестве.

Наибольшее загрязнение травянистых и древесных растений тяжелыми металлами наблюдалось на участках улицы Мира. В меньшей степени они аккумулировали тяжелые металлы на участке сквера в районе МОСШ № 13, где движение транспорта практически не наблюдается.

Исходя из результатов гистохимического анализа, по способности аккумулировать тяжелые металлы были выделены три группы растений: исключатели, индифферентные, аккумуляторы. Растения-исключатели: подорожник большой, подмаренник северный, козлобородник сибирский, горец почечуйный; индифферентные: горошек мышиный, иван-чай, ромашка пахучая; растения-аккумуляторы: клевер ползучий, подсолнечник однолетний, смолевка обыкновенная, осока острая.

Таким образом, главной задачей фиторемедиации почв по отношению к токсическим металлам является подбор культур фиторемедиантов. Они должны относиться к высокотолерантным растениям безбарьерного типа, обеспечивающим наиболее высокий вынос элементов-токсикантов в надземной массе [11].

На основе полученных результатов на территории г.Нижневартовска, относящейся к средней таежной подзоне, для фиторемедиации почв мы рекомендуем использовать следующие виды растений: клевер ползучий, подсолнечник однолетний, осоку острую, смолевку обыкновенную.

ЛИТЕРАТУРА

1. Аксютина Ю.В. Гистохимическое изучение распределения кадмия, цинка и меди в тканях и вегетативных органах некоторых сельскохозяйственных растений // Биология — наука ХХ1 века: Тез. докл. 6-й Пущинской школы-конференции молодых ученых. Тула, 2002. Т. 2. С. 6—7.

2. Алексеев Ю.В. Тяжелые металлы в почвах и растениях. Л., 1987.

3. Башмаков Д.И. Эколого-физиологические аспекты аккумуляции и распределения тяжелых металлов у высших растений: Автореф. дис. ... канд. биол. наук. Н.Новгород, 2002.

4. Башмаков Д.И. Поглощение и транслокация тяжелых металлов в проростках огурца // Экологическая ботаника: наука, образование, прикладные аспекты: Тез. док. междунар. конф. Сыктывкар, 2002. С. 33—34.

5. Гармаш Г.А., Гармаш Н.Ю. Распределение тяжелых металлов по органам культурных растений // Агрохимия. 1987. № 5. С. 40—47.

6. Гуральчук Ж.З. Механизмы устойчивости растений к тяжелым металлам // Физиология и биохимия культурных растений. 1994. Т. 26. № 2. С. 107—117.

7. Дмитриев М.Т., Казнина Н.И., Клименко Г.А. Загрязнение почв и растительности тяжелыми металлами. М., 1989.

8. Ильин В.Б. Тяжелые металлы в системе почва—растение. Новосибирск, 1991.

9. Кабата-Пендиас А., Пендиас Х. Микроэлементы в почвах и растениях. М., 1989.

10. Кожевникова А. Д. Распределение никеля, кадмия, свинца и стронция в прорастающих зерновках кукурузы // Мат-лы VII молодеж. конф. ботаников. СПб., 2004. С. 127—128.

11. Кудряшова В.И. Аккумуляция тяжелых металлов дикорастущими растениями: Дис. ... канд. биол. наук. Саранск, 2003.

12. Опекунова М.Г. Биоиндикация загрязнений: Учеб. пособие. СПб., 2004.

13. Серегин И.В., Кожевникова А.Д. Роль тканей и побега в транспорте и накоплении кадмия, свинца, никеля и стронция // Физиология растений. 2008. № 1. С. 3—26.

14. Серегин И.В., Иванов В.Б. Гистохимические методы изучения распределения кадмия и свинца в растениях // Физиология растений. 1997. Т. 44. № 6. С. 915—921.