Влияние загрязнителей на растения

 кислот липидов в побегах  карельской берёзы

Среди тяжелых  металлов одним из наиболее токсичных  является кадмий, поскольку он обладает высоким кумулятивным эффектом, не подвергается биодеградации и практически не выводится из организма.

Как известно, наиболее общими проявлениями действия тяжелых металлов, в том числе и кадмия, на растения являются ингибирование фотосинтеза, нарушение транспорта ассимилятов и минерального питания, изменение водного и гормонального обмена, торможение роста и развития. Гораздо хуже изучено влияние тяжелых металлов на состав липидов растений, хотя именно липиды, будучи каркасообразующим элементом клеточных мембран, во многом определяют особенности реакции растении на действие неблагоприятных факторов внешней среды. В литературе имеются указания о влиянии тяжелых металлов на синтез, элонгацию и десатурацию липидов у животных организмов. Однако в отношении растений, особенно древесных, подобного рода данные практически отсутствуют.

В связи с вышеизложенным, учёными Т.Ю.Кузнецовой, М.К.Ильиновой (2008) была проведена работа по изучению влияния ионов кадмия на состав нейтральных липидов глико - и фосфолипидов, содержащихся в побегах березы на ранних этапах развития.

Объектом исследования служили побеги карельской березы, полученные из апикальной меристемы.

Исходная меристематическая  ткань перед началом эксперимента представляла собой сегменты побегов, состоявшие из стебля (длиной около 5 мм) и 1-2 листьев. Культивирование осуществляли в стеклянных сосудах на питательной среде  при температуре 25 ± 2°С, в 16-часовом фотопериоде и искусственном освещении.

В питательную  среду одноразово вносили соль кадмия (Cd²⁺). Контролем служили побеги, полученные на питательной среде без внесения кадмия. Длительность наблюдений составляла 30 суток.

Проведенные исследования показали, что у карельской березы с увеличением концентрации кадмия в питательной среде происходит его накопление в растущих побегах. Это определенным образом сказывалось на процессах их морфо - и органогенеза. В частности, отмечено небольшое стимулирующее влияние кадмия в низких концентрациях на рост апикальной меристемы стебля и развитие листовой пластинки. Увеличение концентрации кадмия сопровождалось угнетением роста побегов, но без нарушения процессов закладки и формирования новых органов. Очевидно, ингибирование роста тяжелыми металлами явилось следствием их негативного влияния как на деление, так и на растяжение клеток. Присутствие в питательной среде кадмия в концентрации 10³М оказалось критическим и сопровождалось гибелью меристемы уже в первые 5 дней. По-видимому, в этом случае нарушался процесс избирательного поглощения ионов, в результате чего кадмий беспрепятственно поступал в растения, а механизмы детоксикации с ним уже не справлялись.

Из полученных данных следует, что внесение кадмия в питательную среду существенно влиялет не только на рост апикальной меристемы стебля и развитие побегов, но и на состав  липидов тканей. В присутствии кадмия соотношение липидов отличалось от такового в контрольном варианте, но степень различий зависела от фракции липидов и от концентрации металла.

2.5. Влияние стронция на длину клеток корня

В земной коре Sr является вторым по распространению щелочноземельным металлом после Са и образует около 40 минералов, основными из которых являются целестин и стронцианит. Несмотря на активное изучение действия радиоактивных изотопов стронция на растения распределение его по тканям и органам растений остается практически не изученным. Известно лишь, что Sr является чрезвычайно мобильным металлом и легко поступает в наземные органы в составе ксилемно-инкубаций.

 Ученые И.В.Серегин и Г.П.Кожевникова (2006) проводили исследование, которая заключалась в разработке гистохимического метода для определения стронция в тканях и органах растений, а также в выяснении характера транспорта и распределения металла по тканям корня и побега в зависимости от его концентрации в среде и времени инкубации.

Семена кукурузы проращивали на смоченной водопроводной водой фильтровальной бумаге в течение 2 сут в темноте при 27°С. Проростки с длиной первичного корня 15-30 мм пересаживали на растворы Sr(NO₃)₂ .Соли вносили однократно. Контролем служила дистиллированная вода. Токсическое действие Sr оценивали по приросту главного корня за первые - четвертые сутки после начала инкубации, а также по длине корня и побега на седьмые сутки инкубации.

Результаты  опыта показали, что при изученных концентрациях Sr не вызывал торможения роста корня в первые сутки.

Двухдневные проростки  кукурузы инкубировали на растворах Sr. Используя родизонат натрия, который дает окрашенный комплекс со Sr, выявили распределение Sr по тканям и органам растений. Sr был найден во всех тканях корня уже после первых суток инкубации. Sr накапливался главным образом в апопласте клеток, а его содержание в протопластах было существенно ниже. Свободно проникая через эндодермальный барьер по симпласту, Sr иммобилизовался преимущественно в клеточных оболочках перицикла в результате чего он не оказывал токсического действия на ветвление корня. Sr не влиял на длину закончивших рост клеток и ингибировал рост корня за счет подавления делений клеток. В побегах Sr был обнаружен в клеточных оболочках ксилемы проводящих пучков и листьях на вторые сутки инкубации, что свидетельствует о его высокой мобильности. Можно сделан вывод о том, что транспорт Sr отличается от транспорта таких тяжелых металлов, как Cd, Pb и Ni, и имеет много общего с распределением другого щелочноземельного элемента - кальция, что, возможно, определяется сходством физико-химических свойств их ионов.

В связи  с возрастающим загрязнением окружающей среды солями металлов, в последнее время все большее внимание уделяется их распределению по тканям и органам растений. Разными методами было установлено, что имеются существенные различия в распределении металлов на тканевом и клеточном уровнях. Так, например, Cd, Pb и La при нелетальных концентрациях накапливались главным образом в апопласте клеток ризодермы и коры, в то время как Ni аккумулировался преимущественно в протопластах клеток всех тканей корня. Подобные различия можно объяснить различной способностью металлов проникать через физиологические барьеры, главными из которых являются плазмалемма на клеточном уровне и эндодерма — на тканевом.

Различные механизмы транспорта металлов по тканям корня, а также морфо-функциональные особенности различных видов растений определяют неодинаковое распределение металлов по органам растений. Большинство видов растений относится к исключителям, в которых поддерживается низкая концентрация металлов в побегах, несмотря на их высокую концентрацию в окружающей среде. У таких видов содержание металлов в корнях может быть во много раз выше, чем в побегах. Механизмы, ограничивающие поступление металлов в надземные органы растений-исключителей до сих пор до конца не выяснены.

Независимо  от концентрации, Sr не ингибировал ветвление корня. В присутствии Sr, также как и у контрольных корней, боковые корни появлялись примерно через 50 ч. после начала инкубации. Через 4 сут. они равномерно располагались по соответствующему участку корня .

Sr практически не ингибировал рост побега.

Таким образом, несмотря на ингибирование роста главного корня, Sr не оказывал токсического действия на ветвление корня и на рост побега.

2.6. Влияние тяжёлых металлов на

движение устьиц в листьях конских бобов.

И.В.Серегин  и Л.К.Шпигун (2004) изучали влияние тяжелых металлов на движения устьиц в листьях конских бобов и участие водных каналов в этих движениях. Срезали выросшие трехнедельные листья, сдирали с них полоски эпидермиса и погружали их в буфер, содержащий соли тяжелых металлов. После чего измеряли ширину устьичных щелей под микроскопом. При субмиллимолярных концентрациях тяжелые металлы, такие как ртуть, свинец, цинк и лантан влияли на открвание устьиц на свету и их закрывание в темноте. Напротив, калий, натрий и магний не влияли на движение устьиц. Ртуть влияла заметно сильнее, чем La³⁺. Комбинация Hg²⁺ и La³⁺ почти полностью подавляла движение устьиц. La³⁺, блокатор Са²⁺-каналов, очевидно, препятствует изменениям концентрации Са²⁺ в цитозоле замыкающих клеток устьиц и таким образом влияет на движения устьиц.

Ингибирующее влияние Hg²⁺ направлено на водные каналы. Zn²⁺ и РЬ по-видимому, действуют так же, как Hg²⁺. Можно сделать вывод что субмиллимолярные концентрации тяжелых металлов подавляют движения устьиц.

Различные металлы могут по-разному влиять на потоки воды через мембраны замыкающих клеток, а именно, ртуть, свинец   и цинк блокируют водные каналы, a La³⁺ - ионные каналы. Водные каналы могут регулировать потоки воды при движении устьиц и играть главную роль в этом процессе.

Многочисленные  исследования показали, что растения реагируют на внешние стимулы, такие как недостаток воды, высокие концентрации СО₂, высокую температуру и др., регулируя степень раскрытия устьиц. Хорошо известно, что высокие концентрации тяжелых металлов смертельны или почти смертельны для растений. О влиянии более низких концентраций тяжелых металлов на движение устьиц известно немного. Также не изучен способ их действия. В плазматической и вакуолярной мембранах замыкающих клеток устьиц обнаружена сеть ионных каналов, которые могут влиять на движения устьиц . Водные каналы, которые могут специфически и очень быстро усиливать транспорт воды, также найдены в этих мембранах в замыкающих клетках устьиц. Пока неясно, участвуют ли водные каналы в движении устьиц и какова относительная роль водных и ионных каналов в этом процессе. HgCl₂ регулирует транспорт воды блокируя водные каналы. Можно предположить, что и другие тяжелые металлы могут также подавлять устьичные движения, влияя на транспорт воды в замыкающие клетки и блокируя водные каналы.

Опыты показали, что тяжелые металлы  в суб-миллимолярных концентрациях сильно влияют на движение устьиц. Способы их действия различаются. LaCl₃, блокатор Са²⁺-каналов, влияет на концентрацию Са²⁺ в цитозоле замыкающих клеток, косвенно влияя на активность других ионных каналов, таких как каналы для К⁺, СГ и иона малата и, в конце концов, на открывание и закрывание устьиц . Подавление тока воды по водным каналам низкими концентрациями соединений ртути исследовались во многих работах. Ртуть, хотя она может действовать на растения и другими путями, например, на метаболические пути или ферменты, влияет на движение устьиц, главным образом, ухудшая проницаемость водных каналов. Кроме того, HgCl₂ может только слегка влиять на другие каналы или ферменты. РЬ²⁺ и Zn²⁺ также подавляют движения устьиц, и ингибирование возрастает с увеличением их концентраций. Ширина устьичной щели после инкубации с РЬ²⁺ и Zn²⁺ близка к значению после инкубации с Hg²⁺ .Pb²⁺, Zn²⁺ и Hg²⁺ сходны по радиусу атомов и валентности и, очевидно, используют один и тот же механизм для влияния на водные каналы. В целом, можно предположить, что тяжелые металлы влияют на движения устьиц, по крайней мере, двумя разными путями, а именно, меняя проницаемость водных или ионных каналов.

Таким образом, тяжелые и щелочноземельные металлы являются распространенными загрязнителями окружающей среды, губительное действие которых проявляется и на растениях. Находясь главным образом в почве, тяжелые металлы способны поступать через корневую систему, где могут накапливаться и/или распространятся по всем тканям и органам растения. Поступая внутрь любой клетки даже небольших количествах, тяжелые металлы оказывают токсическое действие на самые разнообразные процессы. Они ингибируют активность большинства ферментов, нарушают минеральное питание и водный режим, изменяют гормональный баланс и структуру мембран, вследствие чего снижается активность многих физиологических процессов, а при высоких концентрациях тяжелых металлов клетки растения могут погибнуть.

Глава 3.

Влияние радиоактивных веществ

на  растительный организм

1. Радиоактивное загрязнение

Некоторые химические элементы радиоактивны: их самопроизвольный распад и превращение в элементы с другими порядковыми номерами сопровождается излучением. При распаде радиоактивного вещества его масса с течением времени уменьшается. Теоретически вся масса радиоактивного элемента исчезает за бесконечно большое время. Время, по истечении которого масса уменьшается вдвое, называется периодом полураспада. Для разных радиоактивных веществ период полураспада изменяется в широких пределах: от нескольких часов (у 41 Ar он равен 2 ч) до нескольких миллиардов лет (238U - 4,5 млрд. лет).

Борьба с  радиоактивным загрязнением среды  может носить лишь предупредительный  характер, поскольку не существует никаких способов биологического разложения и других механизмов, позволяющих  нейтрализовать этот вид заражения  природной среды. Наибольшую опасность представляют радиоактивные вещества с периодом полураспада от нескольких недель до нескольких лет: этого времени достаточно для проникновения таких веществ в организм растений и животных.

При одинаковом уровне загрязнения среды изотопы простых элементов являющиеся основными слагаемыми живого вещества (растений и животных), более опасны, чем редко встречающиеся радиоактивные вещества, слабо поглощаемые организмами.

Наиболее опасные  среди радиоактивных веществ 90 Sr м 137Сs образуются при ядерных взрывах в атмосфере, а также поступают в окружающую среду с отходами атомной промышленности. Излучения радиоактивных веществ оказывают следующее воздействие на организм:

Наибольшее  загрязнение радиоактивного распада  вызвали взрывы атомных и водородных бомб, испытание которых особенно широко проводилось в 1954-1962 гг. Второй источник радиоактивных примесей - атомная промышленность. Примеси поступают в окружающую среду при добыче и обогащении ископаемого сырья, использовании его в реакторах, переработке ядерного горючего в установках.