Исследование повреждающего действия тяжелых металлов Zn и

УДК 574.5:57.045:556.55
Ратушняк А.Ю.1, Абрамова К.И1., Трушин М.В2,3, Ратушняк А.А.1
ОСОБЕННОСТИ ДЫХАТЕЛЬНОГО МЕТАБОЛИЗМА ОРГАНОВ
РОГОЗА УЗКОЛИСТНОГО В УСЛОВИЯХ НАГРУЗКИ ПО СВИНЦУ
1
Государственное бюджетное учреждение Институт проблем экологии
и недропользования Академии наук Республики Татарстан;
2
Казанский федеральный университет, Казань, Россия,
3
Казанский институт биохимии и биофизики РАН
Аннотация. Данная работа посвящена исследованию влияния свинца на
особенности дыхательного метаболизма рогоза узколистного. Эксперименты
проводились в условиях in vitro. Интенсивность дыхания зависела от типа
корней рогоза.
Ключевые слова: свинец; рогоз узколистный; дыхательный метаболизм.
Растения в течение жизненного цикла подвергаются разнообразным
неблагоприятным воздействиям, при этом на любое варьирование условий
среды обитания они отвечают комплексом адаптационных перестроек – не
только
анатомо-морфологических,
но
и
физиолого-биохимических,
направленных на сохранение жизнеспособности организма в изменившихся
условиях [1]. Cпособность растения сохранять гомеостаз, поддерживать
внутренние параметры на постоянном уровне в условиях изменения среды
обитания достигается, прежде всего, за счет энергетических перестроек.
Исследования проводили на протяжении трех вегетационных сезонов в
условиях мезокосм, включавших природную воду (ПВ), объемом 30 литров, с
сопутствующими гидробионтами и куртинами рогоза узколистного (ВВР),
взятых из чистой заросли рогоза озера Средний Кабан на территории г. Казань
республики Татарстан, высаженные в пластмассовые емкости объемом 50
литров. Создавали варианты – вариант с нагрузкой по свинцу (0,25 мг/л) и
контроль (без нее). Использовали концентрацию свинца – 0,25 мг/л – в 10 раз
превышающую
предельно
допустимую
концентрацию
для
водоемов
рыбохозяйственного использования. Используемое вещество добавляли в
мезокосмы после того, как растения прижились (июнь). Свинец вводили в
форме соли Pb(CH3COO)2. Опыты проводили в сезонной динамике (в период с
июня по октябрь) в трехкратной повторности.
Установлено (в контроле), что дыхание листьев рогоза узколистного
превышает дыхание корней в несколько раз. Подобная закономерность –
высокая доля дыхания надземной части – прослеживается в общем онтогенезе
растения.
Пик
интенсивности
поглощения
кислорода
листьями
отмечен
с
наступлением летнего вегетационного периода (514,9 ± 57,9 мкл О2). К осени
он снижается (в октябре – 70,2 ± 7,1 мкл О2). Данная разница объясняется
особенностями направления оттока ассимилятов у рогоза узколистного в
период вегетации. Если весной наблюдается активный восходящий отток
питательных веществ – от запасающего органа (корневища) к надземным
органам в период активного их роста, то осенью – нисходящий отток.
Исследования
поглотительной
способности
кислорода
водных
и
почвенных корней в контроле показали их различия в сезонной динамике (рис.
1). Весной и вначале лета дыхание водных было выше по сравнению с
почвенными: в 1,3 раза в мае (144,1 ± 13,2 мкл О2 против 108,1 ± 7,3 мкл О2) и в
2,4 раза в июне (345,0 ± 2,1 мкл О2 против 143,7 ± 3,7 мкл О2). В процессе
вегетации соотношение менялось. В летний период почвенные корни
интенсивнее поглощали кислород, чем водные: в 1,7 раза в июле (184,5 ± 7,6
мкл О2 против 107,6 ± 5,3 мкл О2) и в 1,6 раза в августе (175,9 ± 7,8 мкл О2
против 111,4 ± 4,6 мкл О2). Осенью (сентябрь) же интенсивность дыхания двух
типов корней почти сравнивается – разница составила 1,1 раза (190,6 ± 15,8 мкл
О2 у водных против 175,0 ± 15,6 мкл О2 у почвенных).
По всей вероятности, в ходе онтогенеза способность придаточных корней
к поглощению метаболитов (субстратов дыхания) из надземной части различна.
Данные свидетельствуют о более высокой аттрагирующей способности
почвенных корней по сравнению с водными в летний период вегетации.
Вероятно, это связано с более интенсивными ростом, поглощением и
утилизацией питательных элементов из водной среды почвенными корнями по
О2,мкл
сравнению с водными.
400
350
300
250
водные
200
почвенные
150
100
50
0
май
июнь
июль*
июль
август
сентябрь
дата
Рис. 1. Интенсивность дыхания двух типов придаточных корней
рогоза узколистного в сезонной динамике в контрольных вариантах, мкл
О2 (* - дополнительный отбор проб).
Таким образом, не вызывает сомнения, что соотношение между
интенсивностью дыхания органов рогоза узколистного в контрольных
вариантах определяется их физиологическими особенностями (степенью
адаптационных возможностей и аттрагирующей способностью) и периодом
вегетации.
Обзор литературы свидетельствует, что состояние механизмов регуляции
контролируется способностью растительных тканей изменять интенсивность
дыхания. Этот интегральный показатель жизнедеятельности клеток дает
возможность судить о надежности биологической системы в определенных
условиях, о границах адаптационных возможностей растений, направленности
приспособительного метаболизма. До тех пор, пока воздействия варьирующих
условий не выходят за критические пределы адаптационных возможностей
организма,
растение
продолжает
неблагоприятным факторам.
функционировать,
противоборствуя
Согласно Лукиной и Смирновой (1988) у водных макрофитов очень
лабильные
дыхательные
системы,
позволяющие
быстро
перестраивать
направленность процессов метаболизма.
Таблица 1. Интенсивность дыхания (Q, мкл О2 на грамм сырой массы за 1
ч) органов рогоза узколистного в сезонной динамике в вариантах опыта.
Вариант
Орган
Контроль Листья
Свинец
май
−
июнь
Месяц
июль июль
514,9±
−
368,9±
57,9
56,5
Водные корни 144,1± 345,0± 134,8 107,6±
13,2
2,1
±8,1
5,3
Почвенные
108,1± 143,7± 143,7 184,5±
корни
7,3
3,7
±6,8
7,6
Листья
−
461,7±
−
516,6±
17,3
35,5
Водные корни
−
282,6±
−
298,1±
13,2
13,3
Почвенные
−
225,9±
−
236,0±
корни
7,8
10,9
Примечание: − − не исследовали
август
380,1±
30,7
111,4±
4,6
175,9±
7,8
444,2±
52,9
149,2±
6,4
123,9±
5,2
сентябр
ь
70.2±
7,1
190,6±
15,8
175,0±
15,6
283,3±
27,2
215,3±
20,0
219,6±
28,5
Это свойство помогает им противостоять неблагоприятному воздействию
окружающей среды.
Нагрузка по свинцу в среде обитания рогоза узколистного способствует
изменению интенсивности темнового дыхания листьев, водных и почвенных
корней (табл. 1).
Через две недели (в опыте) после внесения нагрузки (июнь) отмечено
подавление поглощения кислорода листьями рогоза узколистного (на фоне
нитратного азота отмечен противоположный эффект). Интенсивность дыхания
в варианте со свинцом составила 461,7 ± 17,3 мкл О2 против 514,9 ± 57,9 мкл О2
в контроле. В июле зафиксирована активизация дыхательных процессов (как и
на фоне нитратного азота) – параметры составляли 516,6 ± 35,5 мкл О2 против
368,9 ± 56,5 мкл О2 в контроле. К осени параметры дыхательного метаболизма
снижаются (как и на фоне нитратного азота) (283,3 ± 27,2 мкл О2 ).
Теперь рассмотрим влияние различной одноразовой нагрузки по свинцу на
дыхательный метаболизм двух типов придаточных корней рогоза узколистного.
В подземной части растений происходит перераспределение интенсивности
дыхательного метаболизма с водных корней, на почвенные (как и на фоне
нитратного азота). Данный механизм защиты позволяет реализовать принцип
экономии
энергетических
ресурсов
водных
корней,
непосредственно
контактирующих с растворенными соединениями нитратного азота (табл. 1).
Замеры через две недели после внесения нагрузки (июнь) выявили
ингибирующее воздействие нагрузки по свинцу на интенсивность дыхания
водных корней (как
и на фоне нитратного азота). Отмечено подавление
интенсивности поглощения кислорода в 1,2 раза по сравнению с контролем
(282,6 ± 13,2 мкл О2 против 345,0 ± 2,1 мкл О2).
Сравнение по сезонам показало, что через несколько недель после
постановки опыта в варианте со свинцом направление дыхательного
метаболизма у водных корней изменилось (как и на фоне нитратного азота 40
мг/л) по сравнению с контролем в сторону активизации – к июню (через пять
недель после постановки эксперимента) интенсивность дыхания увеличилась в
2,8 раз и составила 298,1 ± 13,3 мкл О2 против 107,6 ± 5,3 мкл О2, в августе
(через девять недель) – в 1,1 раз (149,2 ± 6,4 мкл О2 против 111,4 ± 4,6 мкл О2
соответственно).
В варианте N400 отмечена иная картина. Дыхательный метаболизм в
данные периоды восстанавливался и стремился к контрольным значениям: в
июле – составил 105,2 ± 4,9 мкл О2 против 107,6 ± 5,3 мкл О2, в августе – 94,7 ±
4,7 мкл О2 против 111,4 ± 4,6 мкл О2 соответственно.
Анализ данных свидетельствует о более интенсивном протекании процесса
адаптации водных корней к нагрузке по нитратному азоту в варианте азот 400
мг/л по сравнению с вариантом N40 и со свинцом.
У почвенных корней мы наблюдаем противоположную реакцию на
нагрузку по нитратному азоту по сравнению с водными. Замеры через две
недели после внесения нагрузки (июнь) выявили активизирующее воздействие
нагрузки по свинцу на интенсивность дыхания почвенных корней (как и на
фоне нитратного азота). Интенсивность дыхания увеличилась в 1,6 раз по
сравнению с контролем и составила 225,9 ± 7,8
мкл О2 против 143,7 ± 3,7 мкл
О2 (табл. 1).
Анализируя описанные выше результаты, можно сделать вывод, что
водные и почвенные корни представляют собой взаимодополняющие по
функциям органы. Противоположная направленность ответной реакции на
нагрузку по нитратному азоту двух типов придаточных корней в анатомоморфологическом строении и в дыхательном метаболизме определяется их
разными адаптационными возможностями и условиями обитания (см.
диссертационную работу).
Дыхание, как и фотосинтез, является одним из фундаментальных
процессов в растении, составляющих энергетическую основу их жизни,
определяющих направленность других жизненно необходимых
процессов
(Гродзинский, 1973). Поэтому следующим этапом наших исследований было
выявление связи дыхания с анатомией.
В условиях нагрузки по свинцу (как и на фоне нитратного азота) выявлена
связь между процессами поглощения кислорода корнями и долей воздушных
полостей на поперечном срезе: с увеличением нитратной нагрузки повышается
интенсивность дыхания почвенных корней (контроль–143,7 ± 3,7 мклО2·г-1·ч-1;
свинец – 225,9 ± 7,8 мклО2·г-1·ч-1) и увеличивается площадь воздушных
полостей (контроль – 7,2 %; свинец – 12,9 %), и, напротив, снижается
интенсивность поглощения кислорода водными корнями (контроль – 345,0 ±
2,1 мклО2·г-1·ч-1, свинец – 282,6
± 13,2 мклО2·г-1·ч-1) и уменьшается доля
воздушных полостей (контроль – 37,2 %; N400 – 23,8 %).
Анализ полученных данных свидетельствует о перестройке механизмов
регулирования и функционирования придаточных корней корневища, в
условиях изменения среды обитания, за счет изменения их дыхательного
метаболизма и морфолого-анатомической структуры.
Литература
1. Клеточные механизмы адаптации растений к неблагоприятным
воздействиям экологических факторов в естественных условиях / Кордюм Е.Л.,
Сытник К.М., Бараненко В.В. и др.; Чл.-кор. НАН Украины Кордюм Е.Л. (ред.);
Нац. акад. наук Украины. Ин-т ботаники им. Н.Г.Холодного. - Киев : Наук.
думка, 2003. - 277 с. : ил.