Некоторые аспекты адаптации Polygonum aviculare L. к загрязнению почвы тяжёлыми металлами

Некоторые аспекты адаптации Polygonum aviculare L. к загрязнению почвы тяжёлыми металлами

О.Н. Немерешина, к.б.н., Оренбургская ГМА; Н. Ф. Гусев, д.б.н., Г.В. Петрова, д.с.-х.н., профессор, Оренбургский ГАУ; А.А. Шайхутдинова, к.т.н., Оренбургский ГИМ

Рост уровня загрязнения приводит к дестабилизации природной среды и существованию организмов в предельных режимах биологических возможностей [1, 2]. При интенсивном воздействии тяжёлых металлов и других радикал-инициирующих факторов на клетки растений происходят гиперпродукция активных форм кислорода и развитие окислительного стресса [12]. Тяжёлые металлы (ТМ) входят в число

наиболее опасных загрязнителей [3—5, 8, 11], что обусловливает актуальность исследований по выявлению закономерностей их миграции и перераспределения в компонентах экосистем.

Величины нормального содержания элементов в растениях сильно варьируют в зависимости от видовой принадлежности, а также от взятых для исследования органов [3, 6]. Биогенность большинства ТМ позволяет отнести их к микро- и ультрамикроэлементам. Употребление терминов «тяжёлые металлы» и «микроэлементы» связано с их концентрацией в организмах и окружающей среде [4—6, 10, 12]. Формирование химическо-

го состава растений в естественных условиях происходит при одновременном воздействии большого количества факторов внешней среды, что затрудняет изучение закономерностей поглощения химических элементов [6, 9, 11]. Основными факторами, определяющими содержание элементов в растениях, являются: 1) содержание элемента в почве; 2) относительное количество биодоступной формы в почве; 3) вид растения, фаза развития и распределение элемента по органам; 4) эволюция растений в данных геохимических условиях и адаптация к ним [6].

Растения более устойчивы к повышенным концентрациям тяжёлых металлов в почве, чем к пониженным, но повышение их концентрации до критических значений оказывает негативное влияние на жизнедеятельность [5]. Большинство тяжёлых металлов аккумулируется в тканях корня, что является одним из механизмов защиты надземных органов растений [4, 6, 7]. Поэтому нами была поставлена задача определить содержание тяжёлых металлов в надземных органах Polygonum aviculare L. и почве техногенных и контрольных участков. Параллельно проведено исследование полифенольного комплекса надземной части (травы) P. aviculare L., с целью оценки уровня антиоксидантной защиты вида.

Материалы и методы. Горец птичий (спорыш) Polygonum aviculare L. (сем. Polygonaceae Juss.) — однолетнее стелющееся травянистое растение высотой 15—35 см, анемохор с развитой корневой системой, распространившееся космополитно в северном полушарии. В Волго-Уральском регионе встречается повсеместно на лугах, вдоль дорог, на отмелях, возле жилищ, часто образует густые куртины. Является ценным лекарственным и кормовым растением [7]. При зарастании нарушенных территорий спорыш обычно выступает в роли пионерной растительности. Тем не менее механизмы адаптации спорыша к воздействию техногенных загрязнителей (в том числе ТМ) до сих пор не выявлены. Оценка содержания микроэлементов в надземной части спорыша актуальна с позиции оценки качества лекарственного растительного сырья, кормов, а также прогнозирования возможностей фиторемедиации.

Растительное сырье P. aviculare L. было собрано на территории Оренбургского газоперерабатывающего завода (ОГПЗ; предприятие 1-й кате-

гории опасности). Атмосферные выбросы ОГПЗ содержат сероводород, диоксид серы, нитрозные газы, оксид углерода, углеводороды метанового ряда, пыль цеолитовую, пыль металлическую, пыль серную, сажу, бенз(а)пирен, меркаптаны, метанол, угольную золу, пыль катализатора (оксид алюминия), марганец и его соединения, фтористый водород, ванадия пятиокись, соединения свинца, меди и другие примеси.

Растительное сырьё было собрано в период цветения (конец июля — начало июля) 2009 г. на территории санитарно-защитной зоны ОГПЗ (полигон), в количестве не менее 20 экземпляров с трёх учётных площадок. Определение элементного состава проводили методом атомной абсорбционной спектроскопии в лабораториях Оренбургского государственного аграрного университета и Оренбургского государственного университета.

Результаты исследований. Элементный анализ позволил выявить некоторые особенности накопления тяжёлых металлов в траве горца птичьего.

Содержание меди в сырье Р. аукШагв Ь. на территории ОГПЗ повышено по сравнению с контролем (табл. 1). Коэффициенты транслокации меди в системе «почва-растение» для ОГПЗ и контрольной зоны составляют 68,70/35,20 и 37,70/8,80 (рис.). Таким образом, наблюдается биоконцентрация меди в надземных органах горца птичьего, что обусловлено особенностями метаболизма вида. Медь входит в состав активного центра полифенолоксидаз - ключевых ферментов в биогенезе фенольных соединений, ряда пигментов, некоторых витаминов, ауксинов, белков, сапонинов и алкалоидов. Дегидратаза бутирил-КоА (фермент в-окисления жирных кислот в растениях) и аскорбатоксидаза также содержат в активных центрах ионы меди. Медьсодержащие белки пластоцианины участвуют в фотосинтезе [6, 7].

По результатам исследования спорыш является концентратором молибдена. Коэффициенты транслокации в зоне ОГПЗ составляют 3,49/1,20, а в контроле — 1,28/0,62. Содержание молибдена в растениях зависит от его концентрации в почвах и атмосфере, а также от особенностей метаболизма видов [6]. Молибден — активатор флавопротеиновых ферментов, влияет на синтез углеводов, аминокислот, хлорофилла, аскорбата, кумаринов и карденолидов; принимает участие в фотосинтезе [6, 11].

1. Содержание тяжёлых металлов в надземной части горца птичьего

Точка сбора сырья Объект Cu Mo Co Zn Cr Mn Ni Pb Cd

Оренбургский ГПЗ трава почва 68,70 35,20 3,49 1,20 1,11 5,90 34,07 70,2 4,23 65,7 59,05 678,6 3,99 65,7 0,11 13,7 0,09 1,54

Фоновые значения трава почва 37,70 8,80 1,28 0,62 1,01 0,38 22,25 13,0 1,05 3,90 8,10 109,0 0,99 6,81 0,04 4,10 0,02 0,78

Содержание кобальта в надземной части P. aviculare L. контрольной и техногенной зон отличается незначительно (табл. 1), что подтверждается литературными данными о способности многих видов растений накапливать значительное количество кобальта и при этом демонстрировать высокий физиологический барьер при загрязнении среды его соединениями [9]. Высокий коэффициент транслокации кобальта (1,01/0,38) в контроле свидетельствует о биоконцентрации этого элемента в надземной части спорыша. Кобальт активирует ферменты симбиотической фиксации азота, следовательно, связан с биосинтезом аминокислот и алкалоидов; участвует в фосфорилировании, входит в состав витамина В12 и некоторых других кис-лородсвязывающих соединений. Высказываются предположения о стимулировании этим элементом процесса оплодотворения [6, 11]. В техногенной зоне коэффициент транслокации составил 1,11/5,90, что свидетельствует о наличии физиологического барьера.

Коэффициент транслокации цинка на территории ОГПЗ составляет 34,07/70,20, что указывает на некоторый физиологический барьер для данного элемента в условиях техногенного загрязнения. В контроле отмечается биоконцентрация этого микроэлемента в надземной части растений (коэффициент транслокации — 22,25/13,0). Цинк входит в состав активных центров целого ряда ферментов (в частности, ферментов синтеза полифенолов). Имеются сведения, что цинк повышает устойчивость растений к засухе и гипертермии [10].

Коэффициент транслокации хрома в растениях спорыша техногенного участка составил 4,23/65,7, что указывает на существование физиологического барьера, препятствующего избыточному накоплению хрома в надземной части. Физиологическая роль хрома в растениях изучена недостаточно, предполагается его участие в фотосинтезе и продуцировании флавоноидов [6].

На территории ОГПЗ коэффициент транслокации марганца в надземной массе спорыша составляет 59,05/678,60, а в контрольной зоне — 8,10/109,0. Величины коэффициентов транслокации свидетельствуют о существовании физиологического барьера, препятствующего избыточному накоплению марганца в ассимилирующих и генеративных органах спорыша. Марганец является биогенным элементом, входящим в состав многих металлофлавопро-теидов, принимающих участие в окислительновосстановительных процессах (фотосинтезе, гликолизе, цикле трикарбоновых кислот) [7]. Марганец активирует ферменты биосинтеза углеводов, стероидов, танидов, алкалоидов, витамина В2 [6].

Коэффициенты транслокации никеля в растениях спорыша техногенных и фоновых участков также указывают на наличие физиологического барьера (для техногенных участков — 3,99/65,7; в контроле — 0,99/6,81). Никель оказывает неспецифическое действие на целый ряд ме-таллоферментов, участвуя таким образом во многих биохимических реакциях. Он активирует аргиназу, оксалоацетатдекарбоксилазу, транс-аминазы, ускоряет окисление сульфгидридных групп в дисульфидные, ингибирует фосфатазу, стабилизирует работу трансляционного аппарата, стимулирует синтез антоцианов [9]. Значительное количество никеля отмечено в цветках флаво-ноидсодержащих растений [6].

Свинец и кадмий считаются основными фитотоксикантами среди анализируемых нами тяжёлых металлов [2, 4, 6], так как они не относятся к биогенным, но отличаются высокой токсичностью и темпами накопления в окружающей среде. Свинец для растений менее токсичен, чем для человека и животных, так как соединения свинца малорастворимы, что до некоторой степени ограничивает его биодоступность. Для горца птичьего характерны выраженные коэффициенты транслокации свинца в системе «почва — растение» на территории ОГПЗ (0,11/13,7), что свидетельствует о наличии физиологического барьера.

Опасным для жизнедеятельности растений фитотоксикантом является кадмий, активно нарушающий работу ферментных систем [11, 12]. Кадмий легче, чем свинец, поглощается корневой системой и листьями, что подтверждают более высокие коэффициенты транслокации для данного элемента (на территории ОГПЗ — 0,09/1,54 и в контроле — 0,02/0,78). Для кадмия и некоторых других металлов установлена способность ингибировать антиоксидантные ферменты, особенно глутатионредуктазу [12].

На втором этапе исследований нами проведена оценка содержания в сырье горца птичьего антиоксидантов (факторов защиты от окислительного стресса). На сегодняшний день известно, что металлы с переменной валентностью (редокс-активные) способны в клетках растений повышать скорость образования активных форм кислорода, автоокисления и Фентон-реакции [12]. Вторым механизмом токсического действия тяжёлых металлов является блокирование функциональных групп в биомолекулах (в основном сульфгидридных), что характерно и для редокс-неактивных тяжёлых металлов. Воздействие на растения редокс-неактивных металлов также приводит к повышению пере-кисного окисления липидов, накоплению Н2О2 и окислительному взрыву [12]. Несмотря на то что ТМ способны вызывать окислительное повреждение клеток и тканей, в литературе отсутствуют

Cd

РЪ

Ni

Ми

Cr

Zn

Co

Mo

Cu

1 0,03 1 0,05

0,01 0,01

Н ОД 5  о,оё

0,07  0,09

Я 0,27  0,06

0,49

0,19

2,91

Коэффициент транслокации в контрольной зоне

Коэффициент транслокации в зоне ОГПЗ

а,28

Рис. - Коэффициенты транслокации элементов в системе «почва - растение» для горца птичьего

2. Сводные данные по содержанию БАВ в траве Polygonum aviculare L.

БАВ ОГПЗ (полигон) Санзона ГПЗ (граница) Контроль

Флавоноиды 1,90±0,05 2,07±0,05 1,63±0,04

Таниды 3,26±0,06 - 2,92±0,06

Фенолкарбоновые кислоты 1,42±0,07 1,56±0,04 1,07±0,05

сведения об адаптации растений путём активации ферментативного звена антиоксидантной защиты. Возможно, это связано с тем, что многие металлы инициируют образование гидроксильных радикалов, которые не обезвреживаются ферментами антиоксидантной защиты. Поэтому нами была предпринята попытка изучить некоторые компоненты неферментативного звена антиоксидантной защиты растений техногенных зон, что может предоставить дополнительный материал по механизмам клеточной адаптации.

В результате фитохимического исследования установлено, что трава горца птичьего содержит значительное количество флавоноидов, танидов, фенолкарбоновых кислот, следы сапонинов и алкалоидов. Производные фенолов играют важную роль в повышении стрессоустойчивости растений, так как обладают антиоксидантным действием [4]. В то же время некоторые исследованные нами микроэлементы (Си, Мп, /п, Мо) являются активаторами ферментов, участвующих в биогенезе полифенолов [4, 7].

Количественную оценку содержания флаво-ноидов, танидов и фенолкарбоновых кислот в сырье Р. ауки1агв Ь. проводили общепринятыми методами [8]. Максимальное количество фла-воноидов, танидов и фенолкарбоновых кислот отмечено у растений, произрастающих в загрязнённой атмосфере (табл. 2).

Результаты исследования содержания поли-фенольных соединений в траве Р. ауки1агв Ь. показали, что в образцах растений с техногенных участков происходит индукция синтеза полифе-нольных соединений (флавоноидов, танидов и

фенолкарбоновых кислот), что, на наш взгляд, связано с их антиоксидантным (мембраностабилизирующим, цитозащитным) действием в условиях загрязнения среды и окислительного стресса. Нельзя исключать вариант того, что в сложившейся экологической ситуации накопление микроэлементов (Cu, Mo, Co, Zn) может отчасти способствовать индукции синтеза антиоксидантов группы полифенолов.

Вывод. Характер накопления тяжёлых металлов в надземной части растений горца птичьего показывает неодинаковый уровень физиологического барьера для эссенциальных и токсичных элементов. Результаты исследования надземной части горца птичьего в зоне влияния ОГПЗ позволили распределить коэффициенты транслокации девяти исследуемых элементов в ряд по убыванию (среднее значение): Mo > Cu > Zn > Co > Mn > Cr > Ni > Cd > Pb (рис.). В контрольной зоне коэффициенты транслокации располагаются в ряд по убыванию следующим образом: Cu > Co > Mo > Zn > Cr > Ni > Mn > Cd > Pb (рис.). Для высокотоксичных элементов характерен более выраженный физиологический барьер, препятствующий их поступлению к ассимилирующим и генеративным органам растений. Таким образом, можно утверждать, что растения Polygonum aviculare L. способны регулировать поток тяжёлых металлов, что позволяет им, с одной стороны, активно противостоять избыточному поступлению ТМ и, с другой — избирательно накапливать эссен-циальные микроэлементы, необходимые для работы ферментов.

Литература

1. Алексеенко В.А. Экологическая геохимия. Изд.: Логос. Учебник для XXI века. 2011. 628 с.

2. Мёллер Ф. К вопросу определения показателей транслокационной вредности ксенобиотиков в почве // Сборник научных трудов Института гигиены. Потсдам (ГДР), 1990. С,'25—38.

3. ВиноградовА.П. Основные закономерности в распределении микроэлементов между растениями и средой // Микроэлементы в жизни растений и животных. М.: Наука, 1985. С, 7-20.

4. Кабата-Пендиас А., Пендиас X. Микроэлементы в почвах и растениях: пер. с англ. М.: Мир, 1989. 493 с.

5. Тарабрин В.П. Физиология устойчивости древесных растений в условиях загрязнения окружающей среды тяжёлыми металлами // Микроэлементы в окружающей среде. Киев: Наукова думка, 1980. С. 17.

6. Ноздрюхина Л.Р., Гринкевич Н.И. Нарушение микроэле-ментного обмена и пути его коррекции. М.: Наука, 1980. 280 с.

7. Гусев Н.Ф., Петрова Г.В., Немерешина О.Н. Лекарственные растения Оренбуржья (ресурсы, выращивание и использование). Оренбург: Издательский центр ОГАУ. 2007. 332 с.

8. Государственная фармакопея СССР. 11-е изд. М.: Медицина, 1990. Вып. 2. 400 с.

9. Austenfeld F.A. Zur Phytotoxizital von Nickel und Kobaltsalzen in Hydrokultur bei Phaseolum vulgaris Г. // Z. Pflanzenernahr. und Bodenkunde. 1979. Bd. 142, h. 6. S. 769-777.

10. Buszewski B., Jastrzebska A., Kowalkowski T. Monitoring of Selected Heavy Metals Uptake by Plants and Soils in the Area of Torun // Poland Polish Journal of Environmental Studies Vol. 9. No. 6 (2000). P. 511-515.

11. Cataldo D.A., Wildung R.E. Soil and plant factors influencing the accumulation of heavy metals by plants // Environ Health Perspect. 1978 December; 27. Pp. 149—159.

12. Schutzendubel A., Polle A. Plant responses to abiotic stresses: heavy metal and induced oxidative stress and protection by mycorrhization // Oxford Journals, life Sciences, Journal of Experimental Botany, Volume53. Issue 372. December 2, 2001. Pp. 1351-1365.