Влияние загрязнителей на растения

2.2. Распределение и токсическое действие кадмия и свинца на корни кукурузы.

Среди тяжелых металлов, не являющихся необходимыми для растений и животных, Cd н РЬ являются наиболее распространенными. Поступая главным образом через корневую систему, эти металлы накапливаются в различных тканях и органах растений. Большинство видов растений относятся к группе так называемых "исключителен", накапливающих тяжелые металлы в подземных органах. Считается установленным, что ограниченное поступление Cd и РЬ в побеги является результатом барьерной роли эндодермы корня, пояски Каспари которой препятствуют их поступлению в центральный цилиндр. Однако являются ли пояски Каспари единственной причиной ограниченного транспорта Cd и РЬ через эндодерму в ткани центрального цилиндра остается неясным.

Передвижение Cd и РЬ в радиальном направлении осуществляется главным образом по апопласту. Однако на корнях лука и гипокотилях салата была показана возможность и симпластного транспорта РЬ.

Изучение влияния на рост корня различных тяжелых металлов показало, что несмотря на то, что отдельные металлы различаются по своей токсичности, существуют общие закономерности их действия: узкий диапазон действующих концентраций, отсутствие существенного усиления эффекта со временем, а также устойчивость ветвления корня на фоне сильного ингибирования роста главного корня.

И. В. Серёгин  и Л. К. Шлигун (2004) проводили следующий опыт по действию кадмия и свинца на корни кукурузы.

Задачей работы было сравнить распределение Cd и РЬ по тканям в различных участках корня, а также по отмиранию клеток выявить ткани и участки корня, наиболее чувствительные к действию этих металлов.

Семена  кукурузы проращивали на смоченной дистиллированной водой фильтровальной бумаге в течение 2 сут. в темноте. Проростки с длиной главного корня 20 - 30 мм пересаживали в чашки Петри фильтровальную бумагу, смоченную растворами Cd(NO₃)₂ и Pb(NO₃)₂, в концентрациях, ингибирующих рост главного корня примерно на 50% за двое суток или останавливающих рост главного корня в течение первых суток. Проростки выдерживали в темном термостате при температуре в течение двух суток. Затем их окрашивали специальными красителями. После инкубации корней проростков в течение 24 ч, окрашивался преимущественно апикальный участок корня (примерно 15 мм), тогда как базальная часть оставалась неокрашенной.

В распределении отмерших клеток по тканям были выявлены существенные различия. Наблюдали окрашивание клеток корневого чехлика и меристемы и выше расположенных клеток ризодермы и наружной коры на протяжении примерно 15 мм.

Таким образом, исходя из полученных результатов, очевидно, что наибольшему токсическому воздействию подвергаются меристематические ткани, клетки корневого чехлика, а также клетки ризодермы и коры апикального участка корня, где содержание тяжелых металлов было наибольшим.

В апикальной части корня содержание РЬ на единицу сухой массы было выше, чем в базальной. Со временем оно увеличивалось, особенно при летальных концентрациях. В надземных органах проростков накапливалось много меньше РЬ, чем в корне.

Cd и РЬ, поступая в корни, распределяются в них неравномерно и характер этого распределения зависит от концентрации металлов в растворе и длительности воздействия на корни. Cd действует при более низких концентрациях, чем РЬ. Однако распределение обоих металлов сходно в корнях.

РЬ  прочнее связывается с карбоксильными группами углеводов, чем Cd. Поэтому скорость его движения по апопласту будет ниже, чем Cd. При инкубации только кончиков корней в растворах солей этих металлов Cd поступает в верхние части корня над раствором, а РЬ почти не поднимается по корню. Скорость передвижения по фильтровальной бумаге Cd гораздо выше, чем РЬ. Вероятно, по этим причинам токсичность Cd заметно выше, чем РЬ.

При нелетальных концентрациях большая часть металлов обнаруживается в слизи, окружающей корень, а также в апопласте клеток ризодермы и коры. Лишь незначительное количество металлов выявляется в стели, в оболочках клеток. Таким образом, большая часть Cd и РЬ, попадающих в корень, сосредотачивается в апопласте клеток периблемы, и их распределение в корне характерно для положительно заряженных соединений разной природы, которые слабо проникают через плазмалемму.

Слабое  проникновение металлов в стель  может быть обусловлено препятствием в виде поясков Каспари в клетках эндодермы. Возможно, в этом причина преимущественного накопления металлов во всех тканях апикального участка корня, так как пояски Каспари еще не развиты в зонах деления и растяжения клеток. В зоне корневых волосков Cd и РЬ практически не проникают в стель при нелетальных концентрациях, что может быть связано с формированием поясков Каспари.

Накопление  металлов в клеточных оболочках и их связывание с углеводами может уменьшать пластичность оболочек, из-за чего уменьшается размер заканчивающих рост клеток. Это вызывает замедление роста корня. Накопление РЬ в клеточных оболочках корней сопровождается их утолщением, а также усилением синтеза полисахаридов (даже при очень низких концентрациях металла в растворе), что увеличивает способность оболочек связывать РЬ .

Связываясь  с клеточными оболочками, тяжелые металлы иммобилизуются и не оказывают токсического действия на метаболически активные компартменты клеток. В литературе есть данные о том, что это характерно для разных металлов. Например, соль ртути не оказывает токсического действия на мох из-за образования сульфида ртути в клеточных оболочках. Устойчивость Anthoxanthum odoratum к РЬ определяется его задержкой в оболочках клеток корней. Однако надо отметить, что значительная часть РЬ аккумулируется не в оболочках, а на поверхности плазмалеммы. Способность корней задерживать благодаря наличию эндодермального барьера большую часть металлов в периблеме определяет барьерную функцию корневой системы, выраженную у многих растений. Основное количество тяжелых металлов задерживается в корневой системе и не попадает в побеги. Благодаря этому возможны рост и воспроизведение ряда видов растений на почвах с высоким содержанием тяжелых металлов.

При летальных концентрациях металлы  проникают не только в кору, но и в стель и выявляются в цитоплазме и оболочках всех клеток. Проникновение тяжелых металлов через энтодерму не может быть результатом изменения свойств гидрофобного слоя поясков Каспари или особенностей упаковки и состава углеводов клеточных стенок в корнях, инкубированных на растворах с летальными концентрациями солей металлов. Для преодоления эндодермального барьера ионы должны поступить в цитоплазму клеток эндодермы, как это показано для ионов Са, который до эндодермы движется по апопласту. Известно, что при повреждениях нарушается барьерная функция плазмалеммы и избирательная проницаемость плазмалеммы и тонопласта. Клетка теряет вещества, находящиеся в вакуолях, например, антоцианы, и становится проницаемой для соединений типа кислотных красителей, которые обычно не проникают в неповрежденные клетки. Эти красители поступают только в поврежденные клетки и окрашивают цитоплазму и ядра. Полученные данные показали, что значительная часть РЬ локализуется на поверхности плазмалеммы, а не в самих оболочках. Поэтому можно ожидать, что в высоких концентрациях Cd и РЬ нарушают избирательную проницаемость плазмалеммы и проникают в клетки, причем в клетку поступают не только эти металлы, но и другие соединения. По этим причинам характер распределения металлов в корнях, инкубированных на растворах с летальными и более низкими концентрациями солей Cd и РЬ, существенно различается. При низких концентрациях основной поток ионов Cd и РЬ идет по апопласту, а при высоких концентрациях нарушается барьерная функция плазмалеммы, и значительно большее количество металлов входит внутрь клетки. Это приводит в первую очередь к гибели клеток наружных тканей, где накапливается больше металлов. Кончики корней, в которых при летальных концентрациях особенно усиливается накопление Cd и РЬ также, судя по окрашиваемости проционовыми красителями, погибали раньше более базальных частей корня. Кроме того, при высоких концентрациях возможно проникновение ионов тяжелых металлов через каналы в мембране, задействованные для других ионов, например, Са-каналы, которые при меньших концентрациях специфически участвуют в прохождение ионов Са.

Таким образом, Cd и РЬ накапливаются главным образом в поверхностных тканях корня: ризодерме и коре, что является характерной чертой соединений, транспорт которых осуществляется преимущественно по апопласту. Ограниченное поступление Cd и РЬ в центральный цилиндр при нелетальной концентрации является результатом барьерной роли поясков Каспари и плазмалеммы клеток эндодермы.

2.3. Влияние никеля на начальные этапы биосинтеза хролофилла и его феофитинизацию в Euglena graciles

В литературе имеются многочисленные данные о влиянии катионов тяжелых металлов на накопление хлорофилла, как в высших растениях, так и в водорослях, однако действие катионов на отдельные этапы процесса хлорофиллообразования изучено еще недостаточно хорошо. Сведения о влиянии катионов тяжелых металлов на начальные, наиболее чувствительные к внешним воздействиям участки цепи биосинтеза хлорофилла - образование 5-аминолевулиновой кислоты (АЛК) и активность АЛК-дегидратазы – фермента.

Представляло  существенный интерес изучить модифицирующее действие катионов Ni²⁺ - опасных загрязнителей окружающей среды, на процесс биосинтеза хлорофилла. Не меньший интерес представляло изучение влияния катионов Ni²⁺ на пигментный фонд клеток эвглены.

Учёные  Е.Е. Монанкина и С.С.Мельников (2003) изучали влияние никеля на начальные этапы биосинтеза хролофилла и его фиофитинизацию в следующем эксперименте.

Целью их работы было изучение модифицирующего действия катионов Ni²⁺ на начальные этапы биосинтеза хлорофилла и содержание пигментов в клетках эвглены.

Одноклеточную водоросль Euglena gracilis культивировали на жидкой минеральной среде. Суспензию клеток освещали люминесцентными лампами, поддерживая температуру в пределах 22-24°С. Катионы Ni²⁺ вносили в виде хлорида в культуру эвглены, находящейся в фазе роста, и продолжали выращивать еще в течение 7 сут. Контролем служила культура эвглены, выращиваемая на питательной среде без введения катионов Ni²⁺. Пробы для анализа были взяты на 2-е и/или 7-е сутки инкубации через 4 ч после начала светового периода.

При использовании относительно низкой концентрации Ni²⁺  содержание хлорофилла (а + b) в клетках эвглены после 7 сут инкубации не отличалось от его количества в контрольных клетках, инкубированных без катионов металла. При концентрации Ni²⁺ (10 М) наблюдали незначительную стимуляцию накопления хлорофилла, которая составляла 123% от контрольного уровня. При более высокой концентрации катионы Ni²⁺ оказались токсичными. В таком варианте содержание хлорофилла (а + b) в клетках эвглены к концу инкубации составило около 17% по сравнению с уровнем хлорофилла (а + b), зарегистрированным в контроле.

Соотношение количеств  хлорофиллов alb и содержание каротиноидов в клетках эвглены при концентрации Ni²⁺ в среде инкубации, равной 10³-10⁴М , практически не отличалось от контрольного варианта. Однако при увеличении концентрации катионов  в инкубационной среде соотношение количеств хлорофиллов а/b в клетках эвглены сильно возрастало, увеличиваясь почти в 1.7 раза. Содержание же каротиноидов в таких клетках составляло лишь 5% от контроля. Очевидно что снижение содержания хлорофилла b происходило с большей скоростью, чем уменьшение количества хлорофилла а. По-видимому, это обусловлено преимущественным разрушением в присутствии катионов Ni²⁺ фотохимических систем фотосинтеза, содержащих в основном хлорофилл b . Таким образом, полученные данные указывают на то, что при высокой концентрации катионов Ni²⁺ наряду с отмеченным выше ингибированием синтеза хлорофилла может происходить и разрушение пигментов, встроенных в пигмент-белковые комплексы.

Известно, что клетки эвглены содержат прижизненный феофитин - пигмент бурого цвета, количество которого в зависимости от условий культивирования может составлять 20-30% от уровня хлорофилла. В условиях эксперимента содержание феофитина в клетках эвглены контрольного варианта к концу инкубации составляло 24%. Однако и при таком количестве феофитина окраска клеток контрольного варианта оставалась зеленой. Полученные данные указывают на то, что в присутствии катионов Ni²⁺ происходит феофитинизация хлорофилла. Опыты, проведенные с добавлением катионов Ni²⁺ к экстракту из необработанных клеток и последующей инкубацией в темноте в течение 7 сут, показали, что при длительной инкубации экстракта с катионами Ni²⁺ происходило разрушение как хлорофилла, так и феофитина. Полученные данные указывают на то, что катионы Ni²⁺ не могут непосредственно модифицировать молекулы хлорофилла с образованием феофитина. Показано, что катионы тяжелых металлов могут изменять рН клетки, нарушая их проницаемость. По-видимому, наблюдаемая феофитинизация хлорофилла в клетках эвглены в присутствии катионов Ni²⁺ может быть обусловлена снижением рН внутри клетки, что в свою очередь может быть связано с нарушением в присутствии катионов Ni²⁺ проницаемости клеточных мембран.

Таким образом, полученные данные свидетельствуют о том, что токсический эффект катионов Ni²⁺ на процесс биосинтеза хлорофилла заключается в сильном ингибировании катионами активности АЛКД - фермента, превращающего АЛК в порфобилиноген, что приводит к практически полной остановке образования хлорофилла.

2.4. Влияние кадмия на состав жирных