Поллютанты и их влияние на антиоксидантную систему растений

В последние десятилетия в связи с быстрым развитием промышленности во всем мире, происходит загрязнение среды тяжелыми металлами. Они являются одними из наиболее распространенных поллютантов в условиях города, оказывая токсичное, негативное влияние на все живые организмы, в том числе и на растения (Титов, Таланова и др., 2007).

К основным проявлениям токсического действия тяжелых металлов на растения относятся: нарушение процессов роста и деления клеток, приводящее к нарушению развития морфологических структур; усиление процессов свободнорадикального окисления и липопероксидации, угнетение процессов фотосинтеза и повреждение фотосинтетического аппарата (Ерофеева, Наумова, 2010).

Характеристика поллютантов.

К тяжелым металлам относят химические элементы, которые имеют плотность более 5 г/см3 и атомную массу свыше 40 Да, обладающие свойствами металлов. Среди них имеются элементы, жизненно важные для существования растений (Cu, Zn, Co, Cr, Mn), а также элементы (Cd, Hg, Pb), функциональная роль которых в настоящее время доподлинно неизвестна. Во всех международных документах, посвященным проблемам загрязнения окружающей среды, более 10 тяжелых металлов признаны опасными, а самыми токсичными из них являются ртуть, свинец и кадмий (Алексеев, 1987; Кабата-Пендиас, Пендиас, 1989).

Увеличение концентрации тяжелых металлов в растениях напрямую коррелирует с увеличением содержания их в почве. Однако прямая взаимосвязь обнаруживается не всегда, т.к. поток тяжелых металлов из почвы в растения определяется не только валовым содержанием, но и содержанием в почве их подвижных форм. Доступность металлов для поглощения растениями зависит от того, компонентами какой из почвенных фракций они являются:

• 1) свободные ионы металла и растворимые комплексы;
• 2) ионы металла, занимающие ионообменные сайты и специфически адсорбированные на неорганических почвенных компонентах;
• 3) металлы, связанные с органическими веществами (гумус, аминокислоты, сахара и т. д.);
• 4) преципитаты или нерастворимые соединения (оксиды, карбонаты, гидроксиды);
• 5) металлы в структуре силикатов

Растениям легко доступны металлы из первой и второй фракций.

Тяжелые металлы (в частности кадмий) в растения из почвы могут поступать несколькими путями.

Во — первых, в ризосферу секретируются молекулы веществ, хелатирующие ионы металлов (фитосидерофоры), что приводит к повышению их растворимости.

Во — вторых, доказана способность специфических металлоредуктаз восстанавливать связанные почвой ионы металлов.

В — третьих, в прикорневом слое почвы растворимость соединений тяжелых металлов может увеличиваться вследствие понижения pH почвенного раствора под действие протонов, поступающих из корня. Низкие значения pH обеспечивают перевод труднодоступных ионов тяжелых металлов в почвенный раствор.

Рис. 4. Модель возможных путей поступления кадмия в растения и его транспорта (по М.Н. Запрометову)

Ионы металлов могут поступать в корень апопластным или симпластным путем. Токсичные металлы могут эффективно поступать в клетку посредством трансмембранных переносчиков. Далее более подробно будет рассмотрен механизм поступления исследуемого поллютанта кадмия.

Считается, что кадмий, не входящий в число необходимых элементов, эффективно поглощается корневой системой растения. Поступление кадмия увеличивается с повышением его концентрации в почве или питательном растворе. Однако получить воспроизводимые результаты, которые раскрывают механизмы его поглощения, невозможно вследствие трудности удаления адсорбированного кадмия с поверхности корня и явных симптомов токсичности.

Факторы, влияющие на поглощение кадмия являются pH почвы (при значение pH = 6 и более, его растворимость и биодоступность снижается) и хелатирующие агенты. Агенты либо снижают доступность кадмия, либо повышают. Кромы вышеуказанных почвенных факторов на процессы аккумуляции кадмия влияет наличие некоторых катионов. Так, ионы Са2+ снижают поступление этого металла, вследствие уменьшения адсорбции корнями; высокие концентрации Zn2+, Fe3+ ингибируют поглощение и транспорт кадмия в надземные части растений.

Изучение Ю. П. Мельничуком и K. Tanaka поступления кадмия в стебель показало наличие нескольких периодов его передвижения. В лаг-фазе (первые 30 — 60 мин) он накапливается в стебле. На протяжении следующих 6 часов происходит насыщение кадмием ксилемы и примыкающих тканей. Потом наступает линейная фаза, характеризующаяся постоянной скоростью накопления кадмия. Кадмий из ксилемы попадает не только в паренхимальные клетки, связанные с сосудами, он распространяется радиально во все ткани, включая эпидермис.