При возрастающем уровне загрязнения окружающей среды тяжелыми металлами вследствие быстрого развития различных отраслей химической промышленности, резкого увеличения числа автотранспортных средств, возрастания количества вносимых в почву минеральных удобрений [1] и т.д. изучение возможности приспособления растений к неблагоприятным экологическим факторам, в частности к действию таких металлов, как кадмий, молибден, кобальт и марганец, становится актуальной задачей экологии [1-3]. Биохимические, биофизические и физиологические механизмы адаптации растений к высоким концентрациям тяжелых металлов в окружающей среде обеспечивают их рост и развитие даже в неблагоприятных внешних условиях. Повышение устойчивости липидов биологических мембран к повреждающему действию свободных радикалов является одним из механизмов возникновения резистентности у растений [2; 4; 5]. Установление закономерности механизма усиления интенсивности перекисного окисления липидов мембран растений, подвергшихся токсическому действию металлов-поллютантов, и пути преодоления последствий их повреждающего эффекта является одним из перспективных направлений биофизической экологии [6; 7]. Перекисное окисление липидов, индуцированное токсическим действием тяжелых металлов, влияя на модификацию клеточных мембран, изменяя проницаемость мембран и мембранных транспортных систем, приводит к напряжению системы антиоксидантной защиты организма и вызывает оксидативный стресс, проявляющийся на молекулярном, клеточном и организменном уровне [2; 6; 8]. Становится понятным, что для защиты растений от окислительно-деструктивного стресса, вызванного действием тяжелых металлов, необходимо изучить особенность динамики накопления продуктов перекисного окисления липидов в разных органах растений под действием различных тяжелых металлов.
Цель исследования: изучить влияние тяжелых металлов на динамику накопления продуктов перекисного окисления липидов в вегетативных органах (корнях, стеблях и листьях) и семенах культурного злака – овса посевного (Avena sativa L.); сравнить действие высоких доз кадмия – как одного из широко распространенных металлов-токсикантов, и молибдена, марганца, кобальта – как микроэлементов, в низких концентрациях необходимых для роста и развития растения, но в высоких концентрациях проявляющих свое токсическое влияние на них; провести оценку устойчивости растения к их токсическому действию по уровню гидроперекисей и малонового диальдегида.
Материалы и методы исследования
В качестве объекта исследования были выбраны вегетативные органы и семена растения овса посевного (Avena sativa L.). Овёс посевной – однолетнее травянистое растение, широко используемый в сельском хозяйстве злак, со сравнительно коротким (75–120 дней) вегетационным периодом, что являлось удобным для проведения опытов. Исследования на семенах и проростках овса проводились в лабораторных условиях и на открытом грунте. Вначале семена обрабатывались 2 % раствором перманганата калия (KMnO4), затем раствором CaCl2×10-5 M, после чего их выдерживали 3 дня при температуре 24 °С в дистиллированной воде. Затем проростки овса высаживали в полиэтиленовые мешки, содержащие по 5 кг черноземной почвы, куда добавлялись растворы солей тяжелых металлов в различных концентрациях. Агрохимические показатели почвы варьировали в следующих пределах: содержание гумуса – 1,1–1,9 % (по Тюрину [9]); рН 4,2–5,7; степень насыщения основаниями 70–80 %, абсорбированные основания 10,5 мг / 100 г земли, гидроэлектрическая кислотность 1,94 мг / 100 г земли, подвижный Р2О5 15 мг / 100 г – 18 мг / 100 г земли, подвижный К2О 12 мг / 100 г – 18 мг / 100 г земли (по Кирсанову [10]).
Для проведения исследования в условиях, приближенных к естественным, на зеленых растениях, выращенных в открытом грунте, ставили следующие опыты: добавление в почву и применение аэрозолей на поверхностные части растений солей тяжелых металлов с различными концентрациями их растворов. Соли тяжелых металлов добавлялись в почву в концентрациях: CdSO4 – 10, 25, 50 мг/кг земли, CdCl2 – 10, 25, 50 мг/кг земли, CoSO4×7H2O – 25, 50, 100 мг/кг земли, CoCl2×6H2O – 25, 50, 100 мг/кг земли, MnSO4×5H2O – 100, 500, 1000 мг/кг земли, MnCl2×4H2O – 100, 500, 1000 мг/кг земли, Na2MoO4×2H2O – 100, 150, 200 мг/кг земли, (NH4)2Mo3О7×3H2O – 100, 150, 200 мг/кг
земли. Проростки растения опрыскивали аэрозолями солей в вышеуказанных концентрациях на 3, 7 и 14-й дни прорастания. Изучалось действие ионов тяжелых металлов (Co, Cd, Mo, Mn) на изменение интенсивности перекисного окисления липидов в корнях, стеблях, листья и семенах исследуемого растения. Об интенсивности ПОЛ судили по изменению содержания гидроперекисей (ГП), малонового диальдегида (МДА). Определяли содержание ГП и МДА по методу Асакава, Матсушита [11].
Также было исследовано влияние солей тяжелых металлов на прорастание, продуктивность и массу растения овса. Для этого по 1000 зерен овса было посажено в 4 горшка, где в почву были добавлены растворы тяжелых металлов в опытных концентрациях, и 4 контрольных без добавления солей тяжелых металлов. Было подсчитано число появившихся ростков. После созревания были подсчитаны: количество семян полученного урожая, процент прорастания, степень плодородности (продуктивности) и масса 1000 зерен семян овса второго года, которые являлись урожаем первого года и были также под наблюдением. Полученные данные подверглись статистической обработке по критериям Фишера, Стьюдента.
Результаты исследования и их обсуждение
В работе изучали особенности изменения процесса ПОЛ при условиях опыта. Результаты этих исследований представлены в табл. 1–3. Как видно из анализа данных, представленных в таблицах, соли тяжелых металлов при использовании в качестве аэрозоля и при внесении почву, где культивировались растения овса, изменяют интенсивность ПОЛ в семенах и вегетативных органах растений. Из таблицы 1 следует, что соли кадмия (CdSO4, CdCl2) в прямой зависимости от опытных концентраций увеличивали количество ГП и МДА в корне, стебле, листе и семенах. В этих опытах так же, как было выявлено в ранее проведенных исследованиях [8; 12], соли CdSO4 оказывали более значительное влияние на процесс ПОЛ, чем соли CdCl2. Это связано тем, что CdSO4 лучше всасывается корневой системой, чем CdCl2 [13; 14]. Что касается влияния солей кадмия на различные органы растения, то наиболее сильному повреждающему эффекту подвергалась корневая система. Например, у опытного образца овса, подвергшегося влиянию CdSO4 (50 мг/кг), количество ГП в корнях – в 1,65, в стеблях, листьях и семенах – в 1,4 раза увеличивалось по сравнению с контролем.
Таблица 1
Влияние внесения в почву растворов солей тяжелых металлов на интенсивность перекисного окисления липидов в различных органах овса
|
Концентрация солей тяжелых металлов, мг/кг земли |
Продукты перекисного окисления липидов |
|||||||
|
Гидроперекиси, нмоль/мг липид, X, ± m, n = 9 |
МДА, нмоль/мг белок, X, ± m, n = 9 |
|||||||
|
корень |
стебель |
листья |
семена |
корень |
стебель |
листья |
семена |
|
|
Контроль |
10,1 ± 0,61 |
8,2 ± 0,41 |
2,3 ± 0,4 |
0,9 ± 0,05 |
9,9 ± 0,61 |
6,3 ± 0,32 |
3,7 ± 0,23 |
0,6 ± 0,31 |
|
CdSO4 |
||||||||
|
10 |
10,0+0,52 |
7,9 ± 0,36 |
2,3 ± 0,11 |
0,9 ± 0,046 |
9,7 ± 0,55 |
6,6 ± 0,34 |
3,8 ± 0,28 |
0,6 ± 0,31 |
|
25 |
12,6 ± 0,48 |
9,1 ± 0,42 |
2,9 ± 0,18 |
1,0 ± 0,06 |
11,9 ± 0,61 |
7,1 ± 0,41 |
4,1 ± 0,28 |
0,7 ± 0,043 |
|
50 |
16,6 ± 0,81 |
11,48 ± 0,61 |
3,22 ± 0,12 |
1,26 ± 0,07 |
14,85 ± 0,87 |
8,82 ± 0,55 |
4,81 ± 0,25 |
0,84 ± 0,052 |
|
CdCl2 |
||||||||
|
10 |
10,3 ± 0,45 |
8,1 ± 0,48 |
2,2 ± 0,13 |
0,9 ± 0,035 |
918,0,53 |
6,5 ± 0,36 |
3,7 ± 0,28 |
0,6 ± 0,04 |
|
25 |
11,1 ± 0,51 |
8,4 ± 0,71 |
2,4 ± 0,15 |
0,9 ± 0,05 |
10,2 ± 0,42 |
6,8 ± 0,42 |
4,0 ± 0,25 |
0,6 ± 0,043 |
|
50 |
14,4 ± 0,68 |
10,2 ± 0,4 |
3,0 ± 0,18 |
1,0 ± 0,055 |
13,1 ± 0,77 |
7,5 ± 0,36 |
4,4 ± 0,26 |
0,73 ± 0,04 |
|
CoSO4×7H2O |
||||||||
|
25 |
11,1 ± 0,42 |
9,4 ± 0,52 |
2,3 ± 0,13 |
0,9 ± 0,04 |
11,3 ± 0,43 |
6,6 ± 0,43 |
3,8 ± 0,25 |
0,6 ± 0,036 |
|
50 |
14,6 ± 0,73 |
13,6 ± 0,18 |
4,08 ± 0,19 |
0,98 ± 0,5 |
15,4 ± 0,81 |
8,7 ± 0,54 |
4,2 ± 0,27 |
0,7 ± 0,42 |
|
100 |
20,2 ± 1,09 |
16,2 ± 0,94 |
6,67 ± 0,21 |
1,9 ± 0,11 |
21,78 ± 1,12 |
12,6 ± 0,78 |
7,03 ± 0,41 |
0,96 ± 0,05 |
|
CoCl2×6H2O |
||||||||
|
25 |
10,9 ± 0,48 |
8,4 ± 0,45 |
2,3 ± 0,14 |
0,9 ± 0,04 |
10,1 ± 0,61 |
6,3 ± 0,36 |
3,7 ± 0,21 |
0,6 ± 0,033 |
|
50 |
15,3 ± 0,79 |
11,1 ± 0,40 |
2,9 ± 0,40 |
0,9 ± 0,053 |
13,2 ± 0,82 |
7,1 ± 0,38 |
4,0 ± 0,24 |
0,7 ± 0,042 |
|
100 |
18,7 ± 0,95 |
13,2 ± 0,81 |
6,1 ± 0,19 |
1,2 ± 0,07 |
19,9 ± 1,14 |
10,9 ± 0,67 |
6,1 ± 0,36 |
0,86 ± 0,051 |
|
MnSO4×5H2O |
||||||||
|
100 |
11,6 ± 0,64 |
9,6 ± 0,52 |
3,0 ± 0,16 |
0,9 ± 0,03 |
10,4 ± 0,64 |
7,5 ± 0,46 |
3,7 ± 0,22 |
0,6 ± 0,035 |
|
500 |
13,2 ± 0,68 |
10 ± 0,44 |
3,6 ± 0,17 |
1,0 ± 0,07 |
11,8 ± 0,73 |
9,1 ± 0,56 |
4,2 ± 0,29 |
0,8 ± 0,044 |
|
1000 |
18,18 ± 1,06 |
13,12 ± 0,77 |
5,52 ± 0,32 |
2,61 ± 0,16 |
16,83 ± 1,02 |
11,34 ± 0,71 |
5,92 ± 0,37 |
1,2 ± 0,07 |
|
MnCl2×4H2O |
||||||||
|
100 |
10,8 ± 0,44 |
9 ± 0,52 |
2,3 ± 0,13 |
0,9 ± 0,05 |
9,9 ± 0,61 |
6,3 ± 0,36 |
3,7 ± 0,26 |
0,6 ± 0,03 |
|
500 |
12,4 ± 0,77 |
9,4 ± 0,43 |
3,0 ± 0,15 |
0,9 ± 0,057 |
10,8 ± 0,67 |
8,1 ± 0,73 |
3,9 ± 0,25 |
0,9 ± 0,052 |
|
1000 |
16,1 ± 1,1 |
11,2 ± 0,65 |
5,0 ± 0,3 |
1,61 ± 0,08 |
15,8 ± 1,1 |
9,9 ± 0,71 |
4,9 ± 0,31 |
1,0 ± 0,06 |
|
Na2MoO4×2H2O |
||||||||
|
100 |
11,0 ± 0,63 |
9,0 ± 0,05 |
2,3 ± 0,12 |
0,9 ± 0,045 |
9,9 ± 0,58 |
6,3 ± 0,39 |
3,7 ± 0,26 |
0,6 ± 0,02 |
|
150 |
11,4 ± 0,49 |
9,4 ± 0,46 |
3,0 ± 0,15 |
0,9 ± 0,16 |
10,1 ± 0,67 |
63 ± 0,39 |
3,4 ± 0,23 |
0,6 ± 0,024 |
|
200 |
15,6 ± 0,95 |
11,1 ± 0,65 |
4,7 ± 0,21 |
1,4 ± 0,08 |
14,1 ± 0,91 |
9,0 ± 0,52 |
5,4 ± 0,331 |
1,2 ± 0,06 |
|
(NH4)2Mo3О7×3 H2O |
||||||||
|
100 |
11,0 ± 0,55 |
9,1 ± 0,48 |
2,3 ± 0,15 |
0,9 ± 0,05 |
10,0 ± 0,67 |
7,0 ± 0,51 |
3,7 ± 0,28 |
0,6 ± 0,04 |
|
150 |
13,0 ± 0,7 |
10,1 ± 0,52 |
3,0 ± 0,16 |
0,9 ± 0,046 |
10,9 ± 0,61 |
8,0 ± 0,41 |
3,7 ± 0,21 |
0,6 ± 0,051 |
|
200 |
18,18 ± 1,15 |
12,3 ± 0,75 |
4,7 ± 0,29 |
1,62 ± 0,01 |
15,8 ± 0,98 |
9,45 ± 0,44 |
5,8 ± 0,35 |
1,86 ± 0,053 |
Таблица 2
Влияние применения аэрозолей тяжелых металлов на интенсивность перекисного окисления липидов в различных органах растения овса
|
Концентрация растворов тяжелых металлов |
Продукты перекисного окисления липидов |
|||||||
|
Гидроперекиси, нмоль/мг липид, X, ± m, n = 9 |
МДА, нмоль/мг белок, X, ± m, n = 9 |
|||||||
|
корень |
стебель |
листья |
семена |
корень |
стебель |
листья |
семена |
|
|
Контроль |
10,2 ± 0,63 |
8,2 ± 0,45 |
2,3 ± 0,12 |
0,9 ± 0,05 |
9,9 ± 0,51 |
6,3 ± 0,39 |
3,7 ± 0,14 |
0,6 ± 0,03 |
|
CdSO4 |
||||||||
|
10 |
11,0 ± 0,61 |
8,2 ± 0,41 |
3,1 ± 0,19 |
0,9 ± 0,046 |
10,1 ± 0,53 |
6,3 ± 0,24 |
4,1 ± 0,12 |
0,6 ± 0,04 |
|
25 |
13,2 ± 0,73 |
10,1 ± 0,67 |
4,6 ± 0,17 |
1,7 ± 0,1 |
11,7 ± 0,61 |
7,1 ± 0,31 |
5,8 ± 0,21 |
1,0 ± 0,06 |
|
50 |
15,15 ± 0,94 |
11,07 ± 0,71 |
6,44 ± 0,35 |
2,79 ± 0,14 |
13,86 ± 0,70 |
7,56 ± 0,32 |
7,58 ± 0,45 |
1,26 ± 0,07 |
|
CdCl2 |
||||||||
|
10 |
10,1 ± 0,51 |
8,0 ± 0,40 |
2,4 ± 0,11 |
0,9 ± 0,046 |
0,9 ± 0,05 |
6,3 ± 0,05 |
4,2 ± 0,14 |
0,6 ± 0,03 |
|
25 |
11,4+0,56 |
8,7 ± 0,41 |
4,1 ± 0,14 |
1,3 ± 0,08 |
10,1 ± 0,67 |
6,5 ± 0,36 |
4,9 ± 0,15 |
0,9 ± 0,052 |
|
50 |
13,0 ± 0,48 |
9,5 ± 0,52 |
5,1 ± 0,28 |
1,8 ± 0,1 |
11,0 ± 0,68 |
7,0 ± 0,29 |
5,8 ± 0,18 |
1,1 ± 0,04 |
|
CоSO4×7H20 |
||||||||
|
25 |
13,4 ± 0,51 |
11,2 ± 0,55 |
3,8 ± 0,13 |
1,1 ± 0,04 |
12,4 ± 0,61 |
9,1 ± 0,55 |
5,0 ± 0,55 |
1,2 ± 0,07 |
|
50 |
19,8 ± 1,23 |
16 ± 0,91 |
4,7 ± 0,18 |
2,1 ± 0,12 |
16,9 ± 0,82 |
12,4 ± 0,61 |
8,3 ± 0,4 |
1,9 ± 0,08 |
|
100 |
24,26 ± 1,41 |
21,32 ± 0,13 |
7,82 ± 0,44 |
3,51 ± 0,13 |
22,77 ± 1,08 |
15,75 ± 0,8 |
11,1 ± 0,61 |
7,16 ± 0,44 |
|
CoCl2×6H2O |
||||||||
|
25 |
11,2 ± 0,56 |
9,4 ± 0,51 |
3,0 ± 0,15 |
1,1 ± 0,07 |
10,1 ± 0,51 |
8,1 ± 0,44 |
4,2 ± 0,16 |
1,1 ± 0,068 |
|
50 |
16 ± 0,7 |
14,1 ± 0,73 |
4,6 ± 0,17 |
1,6 ± 0,06 |
13,9 ± 0,78 |
10,1 ± 0,61 |
5,1 ± 0,31 |
1,6 ± 0,071 |
|
100 |
21,01 ± 0,95 |
17,8 ± 0,91 |
6,2 ± 0,41 |
2,7 ± 0,13 |
18,9 ± 1,08 |
13,2 ± 0,66 |
9,4 ± 0,51 |
2,7 ± 0,13 |
|
MnSO4×5H2O |
||||||||
|
100 |
11,4 ± 0,58 |
9,5 ± 0,04 |
3,8 ± 0,11 |
1,3 ± 0,07 |
11,1 ± 0,71 |
4,7 ± 0,29 |
4,8 ± 0,22 |
0,6 ± 0,02 |
|
500 |
13,6 ± 0,71 |
10,1 ± 0,64 |
4,1 ± 0,16 |
1,46 ± 0,0 |
12,9 ± 0,76 |
8,9 ± 0,56 |
5,9 ± 0,36 |
1,0 ± 0,05 |
|
1000 |
20,2 ± 0,25 |
13,2 ± 0,71 |
5,75 ± 0,24 |
2,16 ± 0,13 |
15,84 ± 0,81 |
10,08 ± 0,68 |
7,4 ± 0,44 |
1,26 ± 0,07 |
|
MnCl2×4H2O |
||||||||
|
100 |
11,0 ± 0,59 |
9,2 ± 0,50 |
3,8 ± 0,14 |
0,9 ± 0,05 |
10,6 ± 0,55 |
6,5 ± 0,4 |
4,0 ± 0,41 |
0,6 ± 0,03 |
|
500 |
12,6 ± 0,61 |
10 ± 0,58 |
4,0 ± 0,15 |
1,2 ± 0,04 |
11,4 ± 0,71 |
7,1 ± 0,44 |
5,1 ± 0,3 |
0,85 ± 0,053 |
|
1000 |
18,4 ± 0,01 |
11,7 ± 0,66 |
5,03 ± 0,36 |
2,0 ± 0,12 |
12,5 ± 0,66 |
8,2 ± 0,48 |
7,0 ± 0,41 |
1,0 ± 0,06 |
|
Na2MoO4×2H2O |
||||||||
|
100 |
10,4 ± 0,75 |
9,2 ± 0,51 |
3,8 ± 0,2 |
1,3 ± 0,08 |
11,6 ± 0,61 |
7,9 ± 0,46 |
4,6 ± 0,17 |
0,6 ± 0,025 |
|
150 |
14,1 ± 0,8 |
11,5 ± 0,64 |
4,2 ± 0,22 |
2,0 ± 0,11 |
12,7 ± 0,69 |
8,8 ± 0,48 |
5,1 ± 0,14 |
1,0 ± 0,067 |
|
200 |
17,4 ± 0,86 |
12,76 ± 0,79 |
5,5 ± 0,31 |
2,2 ± 0,31 |
13,4 ± 0,71 |
9,7 ± 0,56 |
6,2 ± 0,21 |
1,2 ± 0,07 |
|
(МН4) Мо3О7×3Н2О |
||||||||
|
100 |
11,7 ± 0,59 |
9,9 ± 0,6 |
4,0 ± 0,21 |
1,3 ± 0,08 |
12,1 ± 0,61 |
7,5 ± 0,42 |
4,7 ± 0,15 |
0,6 ± 0,02 |
|
150 |
14,3 ± 0,061 |
10,9 ± 0,67 |
4,6 ± 0,19 |
1,7 ± 0,1 |
13,5 ± 0,66 |
8,9 ± 0,51 |
5,6 ± 0,21 |
0,9 ± 0,05 |
|
200 |
18,18 ± 0,91 |
14,76 ± 0,92 |
5,75 ± 0,3 |
2,25 ± 0,14 |
14,85 ± 0,74 |
0,1 ± 0,64 |
6,66 ± 0,41 |
1,2 ± 0,065 |
Таблица 3
Физиологические и биохимические изменения у семян растения овса
под действием тяжелых металлов
|
Условия опыта |
Урожай 1-го года |
Урожай 2-го года |
||||
|
Прорастание, % |
Продуктивность, г/гор. |
Масса |
Прорастание, % |
Продуктивность, г/гор. |
Масса |
|
|
Контроль |
96 |
18,7 |
34,4 |
97 |
16,4 |
35,1 |
|
CdSO4 |
95 P < 0,05 |
17,7 P < 0,05 |
34,1 p > 0,02 |
90 p > 0,01 |
14,1 P < 0,01 |
32,21 P = 0,02 |
|
CoSO4×7H2O |
88 P > 0,01 |
15,5 p > 0,02 |
31,64 p < 0,05 |
82 P < 0,02 |
12,8 p > 0,01 |
28,08 P < 0,02 |
|
MnSO4×5H2O |
96 P = 0,05 |
17,2 p < 0,05 |
31,99 P < 0,05 |
86 P < 0,02 |
13,77 P < 0,05 |
29,48 P < 0,05 |
|
Na2MoO4×2H2O |
95 p > 0,05 |
17,01 P < 0,05 |
31,95 P < 0,02 |
86 p < 0,02 |
13,44 P < 0,05 |
28,7 P < 0,05 |
Такие же изменения наблюдались в количестве МДА. Так, у овса, подвергшегося влиянию CdSO4 (50 мг/кг земли), по сравнению с контролем увеличение количество МДА в корнях – в 1,5 раза, а в листьях – в 1,3 раза, в стеблях, семенах было в 1,4 раза. Это можно объяснить нарушением ионами кадмия активности ферментов, участвующих в процессах транспирации и фиксации СО2, торможение фотосинтеза, ингибирования биологического восстановления NO2 до NO, затруднением поступления и метаболизма в растениях ряда элементов [3]. Также необходимо отметить, что в отличие от опытов на этилированных растениях [8; 12], в полевых исследованиях отношение увеличения концентрации солей кадмия было пропорциональным увеличению интенсивности ПОЛ.
Соединения кобальта, как тяжелого металла, также оказывали влияние на интенсивность ПОЛ в различных органах растений овса. Причем влияние сульфата кобальта на интенсивность ПОЛ было более выраженно, чем хлоратов. Также отличительным являлось то, что под влиянием солей кобальта накопление ГП в листьях достигло уровня в корнях. После экстракции в солях CoSO4 в количестве 100 мг/кг земли в листьях овса накопление ГП было даже выше, чем в корнях. При увеличении количества ГП в корнях в 2 раза, в стеблях – в 1,97, в листьях это составило в 2,9, в семенах – в 2,1 раза. В отношении в накоплении МДА такой порядок не наблюдался. Как видно из табл. 1, после применения CoSO4 в количестве 100 мг/кг земли при возрастании количества МДА в корнях в 2,2 раза, в стеблях – в 2 раза, в листьях и семенах это было в 1,9 и 1,5 раза соответственно выше по сравнению с контролем.
Повышение уровня окислительных процессов в листьях под влиянием ионов кобальта, возможно, связано с тем, что высокие концентрации ионов кобальта препятствуют поглощению корнями ионов железа и марганца и ингибируют транспорт этих ионов в побеги, создавая у растения симптомы вторичного хлороза, которые, по всей вероятности, и являются провоцирующими окисление липидов мембран.
Результаты исследования выявили, что и соли Мn также усиливали ПОЛ у растения овса (табл. 1). Однако следует указать, что соединения Мn в исследованных нами органах растения только в высоких концентрациях оказывают влияние на процесс ПОЛ. Влияние соединения Мn в концентрации 100 мг/кг земли на окисление липидов было незначительным, граничащим с ошибкой опыта. Ощутимое влияние на изменение ПОЛ начинается с концентрации 1000 мг/кг земли. По результатам исследования после воздействия соединениями марганца на опытные растения уровень ГП и МДА был наиболее высок в семенах. После введения MnSO4 в количестве 1000 мг/кг земли в корнях овса количество ГП выросло в 1,7 раза, а семенах – в 2 раза выше по сравнению с контролем. Из табл. 1 видно, что MnSO4 влияет на интенсивность ПОЛ значительнее, чем МnСl2. При сопоставлении результатов исследования нами различных вегетативных органов растения можно отметить, что наиболее чувствительным к высоким дозам солей марганца оказался корень овса. Передозировка этого элемента способствует уменьшению количества хлорофилла. Незначительное влияние марганца на интенсивность ПОЛ может быть объяснена значительным потреблением его растениями. Этот элемент, участвуя в регуляции водного режима и окислительно-восстановительных реакций, повышает устойчивость растений к неблагоприятным условиям среды, влияет на репродуктивность растений. В то же время токсичность этого микроэлемента проявляется в различных концентрациях.
Влияние соединения Мо на интенсивность ПОЛ в вегетативных органах и семенах овса также зависело от концентрации. Экстракция в солях Na2MoO4 в количестве 100 мг/кг земли не оказывает влияние на интенсивность ПОЛ, и его уровень держится, как у контрольных растений (табл. 1). Начиная с концентрации 150 мг/кг в корнях, стеблях, листьях и семенах наблюдается увеличение содержания ГП и МДА. Причем влияние 4-валентного соединения Mo(NH4)2Mo3O7 на интенсивность ПОЛ значительнее, чем 6-валентного Na2MoO4. По полученным результатам можно сделать заключение, что в листьях и семенах количество МДА и ГП выше, чем в корнях [12]. Например, после экстракции в 4-валентном соединении Мо в количестве 200 мг/кг земли в корнях количество ГП возросло в 1,5 раза, в листьях – в 1,8 и в семенах – в 3,1 раза по сравнению с контролем. Количество МДА в корнях в 2 раза, в листьях – в 2,3 и в семенах – в 1,8 раза возрастало по сравнению с контролем. Скорее всего, это связано с тем, что молибден локализируется в молодых органах растений, а в конце вегетации сосредотачивается преимущественно в семенах.
Следующим шагом наших исследований было использование аэрозолей тяжелых металлов с целью выявить различие в действии тяжелых металлов, поглощенных растениями из почвы и воздуха, исследуя изменения содержания продуктов ПОЛ в испытуемых образцах растений. Результаты проведенных исследований представлены в табл. 2. Было установлено усиление интенсивности ПОЛ после опрыскивания испытуемых растений аэрозолем солей кадмия в концентрации 10, 25 и 50 мг/кг земли в вегетативных органах овса.
Использование растворов солей кадмия в виде аэрозоля по-разному влияло на интенсивность ПОЛ в различных органах растений. Например, после применения аэрозоля соли кадмия CdSO4 в концентрации 50 мг/кг земли количество ГП в корнях овса – в 1,5 раза, в стеблях – в 1,35 раза, в листьях – в 2,8 раза, а в семенах – в 3,1 раза возрастало по сравнению с контролем. Таким образом, накопление тяжелых металлов в листьях и семенах было значительно выше, чем в корнях и стеблях. Такое же соотношение наблюдалось в накоплении МДА в органах растений после применения аэрозоля в той же дозировке соли кадмия. Так, количество МДА в корнях и стеблях возросло в 1,4 и 1,2 раза, в то время как в листьях и семенах это составило 2,1 и 2,1 раза.
Применение солей кобальта в виде аэрозоля резко увеличивало накопление ГП и МДА в испытуемых органах растений. Наибольшее значение ГП и МДА после применения солей кобальта в виде аэрозоля наблюдалось в листьях и семенах.
Как видно из табл. 2, после применения аэрозоля соли кобальта CoSO4 в концентрации 25 мг/кг земли, аэрозоля соли кадмия CdSO4 в концентрации 25 мг/кг земли и аэрозоля соли марганца в концентрации 100 мг/кг земли не было достоверных различий в количество ГП и МДА. Кроме того, после применения аэрозоля соли марганца в концентрации 1000 мг/кг земли наибольшие изменения наблюдались в процессе ПОЛ в листьях. Что касается влияния солей молибдена на развитие ПОЛ у исследованного растения, то при использовании аэрозоля, так же как при внесении в почву его солей, 6-валентное соединение молибдена оказывало более слабое влияние на интенсивность ПОЛ, чем 4-валентное. По полученным данным можно судить о возрастании интенсивности ПОЛ в вегетативных органах и семенах растения и при опрыскивании солями тяжелых металлов. Однако при внесении растворов солей тяжелых металлов в почву перед посевом, она в корнях и стеблях была выше, чем при использовании аэрозолей солей тяжелых металлов. В отличие от корней и стеблей, в листьях и семенах процесс ПОЛ при опрыскивании растворами тяжелых металлов значительнее активней. Следует отметить, что при применении аэрозолей сульфаты также имели больший токсический эффект на растения, чем хлораты.
Имеющиеся данные в литературе и полученные нами результаты поставили перед нами вопрос о том, какие биохимические и физиологические изменения происходят в семенах растений под влиянием солей тяжелых металлов? Чтобы ответить на этот вопрос, были проведены следующие опыты. Образцы семян были посажены в 4 отдельных горшка с землей, содержащей CdSO4 в концентрации 50 мг/кг земли, CoSO4 в концентрации 100 мг/кг земли, MnSO4 в концентрации 1 г/кг земли, Na2MoO4 в концентрации 200 мг/кг земли соответственно. 4 горшка с посаженными семенами без тяжелых металлов были взяты для контроля (табл. 3). В каждый горшок было посажено 1000 зерен овса и подсчитано число появившихся ростков. Количество семян полученного урожая, процент прорастания, степень плодородности (продуктивности) и масса 1000 зерен были подсчитаны после созревания. Семена второго года, являясь урожаем первого года, также были под наблюдением. Во время эксперимента были подсчитаны процент прорастания, продуктивность 1 горшка и масса 1000 семян овса первого и второго года урожая. В конце первого года результаты опыты показали, что в контрольных горшках не проросли 3–5 семени. Было установлено незначительное влияние Cd на процент прорастания, в то время как CoSO4 снижал степень прорастания на 9 ± 0,8 %. По сравнению с контролем Cd снижал общую продуктивность, но не снижал общую массу 1000 семян. В отличие от Cd, Со снижал продуктивность на 17 %, а массу семян на 8 %. Мn и Мо снижали общую продуктивность соответственно на 8 % и 9 %, а массу 1000 семян на 7 %. При посадке урожая первого года в землю с солями Cd прорастание на 7 % уменьшилось. Прорастание под влиянием Со, Мn и Мо уменьшилось на 15, 11 и 11 % соответственно. Под влиянием Cd общая продуктивность на 14 %, масса 1000 семян на 8 % уменьшились. Под влиянием Со общая продуктивность на 22 %, масса 1000 семян на 20 % уменьшились. Мо и Мn уменьшали общую продуктивность на 16 % и 18 %, массу 1000 семян на 16 % и 18 % соответственно.
По результатам, изложенным в таблицах, видно, что внесение соединений тяжелых металлов в почву перед посевом в значительной степени усиливает ПОЛ в исследованных органах овса. Среди испытуемых тяжелых металлов наибольшей токсичностью обладали соединения Со и Мn.
Заключение
Результаты исследования указывают на то, что ионы всех испытуемых тяжелых металлов имели повреждающий эффект на рост и развитие растения овса посевного, несмотря на существенные различия в органах-мишенях. Так, ионы кадмия оказывали значительное действие на накопление продуктов ПОЛ в корнях, а ионы марганца – в листьях и стебле. Чтобы оценить повреждающее действие солей молибдена на вегетативные органы и семена растения, использовали достаточно высокие концентрации солей молибдена, однако такие концентрации при загрязнении почвы и воздуха соединениями молибдена встречаются редко. Что в общем свидетельствует о незначительной токсичности молибдена для злаковых растений в изученных концентрациях.
Представленные результаты позволяют сделать выводы, что наиболее токсичными для злаковых растений являются соединения кобальта. Соли кобальта, примененные как в виде аэрозоля, так и внесённые в почву, в значительной степени влияли на интенсивность перекисного окисления липидов во всех вегетативных органах и семенах овса посевного. Причем растворы хлоратов кобальта оказались менее токсичными, чем сульфатов. Также ионы кобальта накапливаясь в листьях и семенах, влияли на всхожесть семян и продуктивность растения овса, что делает его первостепенным токсикантом не только для культурных растений, но также опасным для здоровья человека.