10
Индекс адаптации растений к тяжелым металлам
Д. И. Башмаков
Аннотация
Актуальность и цели. Информации об адаптационном потенциале, устойчивости отдельных видов и экологических групп растений к тяжелым металлам (ТМ) крайне мало. Имеющиеся критерии оценки металлоустойчивости растений на техногенных территориях трудоемки или недостаточно объективны. Поэтому целью работы было разработать индекс адаптации растений, позволяющий оценить степень устойчивости отдельных видов, популяций, экологических групп растений к ТМ на основании интегрального отклика физиологических и биохимических параметров организма на конкретную дозу ТМ.
Материалы и методы. Семена рудеральных видов из разных по степени загрязнения ТМ биотопов и культурных растений проращивали в факторостатируемых условиях на воде (контроль) или на средах, содержащих от 1 до 10 000 мкМ ионов Cu2+, Ni2+, Zn2+ и Pb2+. Спустя 7-14 сут опыта измеряли адаптивные параметры: всхожесть семян, длину осевых органов, площадь листьев, сырую и сухую массу и содержание воды в органах растений, жизнеспособность клеток, выход электролитов из клеток, интенсивность ПОЛ, скорость генерации супероксидного аниона, концентрацию общих перекисей и каротиноидов, активность АПО, каталазы и СОД. Опыты и анализы проводили не менее, чем в трех повторениях.
Тесноту связи величин исследуемых индексов и концентраций ТМ в среде оценивали по таблице критических значений коэффициентов корреляции (r) Пирсона, рассчитанных в программе MS Excel.
Результаты и выводы. Разработанный индекс адаптации, рассчитываемый как среднее геометрическое исследованных адаптационных эффектов, более объективно (по сравнению с имеющимися тестами) отражает степень устойчивости растений к ТМ. Адаптационные эффекты могут быть определены по любым чувствительным к ТМ параметрам растений (6 < n < 8).
В перспективе индекс адаптации можно использовать для определения степени адаптации растений к другим токсичным поллютантам в окружающей среде.
Ключевые слова: индекс адаптации, экологические группы растений, тяжелые металлы, шкала толерантности
Abstract
Plant adaptation index to heavy metals
D.I. Bashmakov
Background. There is very poorly information about the adaptive potential and resistance of plant species or their ecological groups to heavy metals (HMs). The available criteria for assessing the condition of plants and their populations in technogenic territories are laborious or insufficiently objective.
Therefore, the aim of the research was to develop a plant adaptation index that allows assessing the degree of resistance of individual species, populations, and ecological groups of plants to HMs based on the integral response of physiological and biochemical parameters of the organism to a dose of the metal.
Materials and methods. Seeds of ruderal species from biotopes with different degrees of HMs contamination and seeds of cultivated plants were germinated under controlled conditions on water (control) or on media containing from 1 to 10,000 цМ of Cu2+, Ni2+, Zn2+ or Pb2+ ions. After 7 and 14 days of the experiment, we measured adaptive parameters: seed germination, length of axial organs, leaf area, fresh and dry mass and water content in plant organs, cell viability, electrolyte leakage from cells, intensity of LPO and superoxide anion generation, concentration of total peroxides and carotenoids, APO, catalase and SOD activities.
Experiments and analyses were carried out in at least three times. The relationship between the values of the studied indices and the concentration of HMs in the medium was evaluated according to the table of critical values of Pearson correlation coefficients (r) calculated in MS Excel.
Results and conclusions. Compared to the available tests, the adaptation index (AIhm) reflects more objectively the resistance of plants to HMs. AIhm can be calculated as the geometric mean of the studied adaptation effects (AE, % to water control). AE can be determined by any plant parameters (6 < n < 8) sensitive to HMs.
In perspective, AIhm can be used to determine the degree of plants adaptation to other toxic pollutants in the environment.
Keywords: adaptation index, ecological groups of plants, heavy metals, tolerance scale
Введение
Считается, что среди химических элементов тяжелые металлы (ТМ) являются наиболее токсичными [1]. В ходе эволюции возникает адаптация растений к среде обитания, которая предполагает перестройку строения и функций организмов, популяций или ценозов, позволяющую им сохранить гомеостаз и гомеорез в ответ на длительное воздействие неблагоприятных факторов окружающей среды [2, 3]. Имеются полевые и экспериментальные данные, свидетельствующие о способности ряда видов растений развивать устойчивость в условиях природного или антропогенного загрязнения почв ТМ [3-5]. толерантность биотоп экологический растение
Однако информации об адаптационном потенциале растений, устойчивости отдельных форм и видов растений к ТМ крайне мало. Также отсутствуют интегральные критерии оценки состояния растений и их популяций на техногенных территориях [5-7].
Одним из корректных способов оценки металлоустойчивости растений считается использование широкого диапазона концентраций ТМ [8]. В этом случае реакцию растении на действие токсиканта можно описать с помощью аппроксимации дозовой зависимости нелинейными моделями [9], например, сигмоидальной кривой, для характеристики которой используют эффективные концентрации токсиканта (ЕСХ), угнетающие рост на 10, 50 и 90 % от исходного уровня [10, 11].
Как правило, при подобном тестировании используют лишь один измеряемый показатель: увеличение длины корня [12, 13] или толерантность клеток листьев, побегов и пыльцы [14-16]. Однако это не вполне объективно отражает степень устойчивости растений к ТМ, поскольку каждый физиологический процесс может иметь различный отклик на конкретную концентрацию ТМ. Кроме того, краткосрочные тесты иногда недостаточны для оценки толерантности растений к ТМ, поскольку выживаемость проростков не обеспечивает выживания при продолжительной вегетации на загрязненном ТМ субстрате и не гарантирует размножения растений [4].
Цель работы: разработать индекс адаптации растений, позволяющий оценить степень устойчивости отдельных видов, популяций, экологических групп растений к ТМ на основании интегрального отклика физиологических и биохимических параметров организма на конкретную дозу ТМ.
Материалы и методы
В ходе предварительных исследований согласно ГОСТ Р 53123-2008 ГОСТ Р 53123-2008 (ИСО 10381-5: 2005). Качество почвы. Отбор проб. Часть 5. Руководство по изучению городских и промышленных участков на предмет загрязнения поч-вы; введ. 2010-01-01. заложены пробные площадки, располагающиеся в контрастных по степени загрязнения ТМ биотопах г. Саранска и его окрестностей. Отбор почвенных проб на площадках осуществляли методом «конверта» с глубины 0-10 см в середине вегетационного периода в соответствии с тем же ГОСТ. Валовое количество ТМ в почве определяли по ГОСТ 2642.3-2014 ГОСТ 2642.3-2014. Огнеупоры и огнеупорное сырье. Методы определения оксида кремния (IV). Взамен ГОСТ 2642.3-97; введ. 2016-01-01. на атомно-абсорбционном спектрометре АА-7000 (Shimadzu, Япония). Исходя из принятых норм Ориентировочно допустимые концентрации (ОДК) тяжелых металлов и мышьяка в почвах (Дополнения №1 к перечню ПДК и ОДК № 6229-91): гигиенические нормативы., суммарное загрязнение по четырем металлам - ведущим загрязнителям почв составило в незагрязненном биотопе (опушка пригородного леса) 2,58 ОДК, а в загрязненном (старые иловые площадки городских очистных сооружений) - 17,7 ОДК.
На пробных площадках были отобраны семена растений, большая часть которых встречалась в обоих биотопах и принадлежащих разным экологическим группам и жизненным формам: Acer negundo L., Amaranthus retroflexus L., Arctium tomentosum Mill., Arctium lappa L., Artemisia absinthium L., Artemisia vulgaris L., Betula pendula Roth., Bidens tripartita L., Chenopodium album L. s. 1., Calamagrostis epigejos (L.) Roth., Melilotus officinalis (L.) Lam., Taraxacum officinale F. H. Wigg. s. 1.
Кроме того, в качестве объектов исследования были использованы семена и проростки культурных растений: Cucumis sativus L. (сорт Изящный), Zea mays L. (сорт Царица), Secale cereale L. (сорт Радонь) Triticum aestivum L. (сорт Прохоровка), Hordeum vulgare L. (сорт Отра), Beta vulgaris L. (сорт
Бордо 237), Allium cepa L. (сорт Штуттгартер Ризен), Pelargonium zonale L. (сорт Колорама), Dahliapinnata Cav. (сорт Melody Dixie).
Семена проращивали в факторостатируемых условиях (фотопериод 16/8 ч (день/ночь), влажность воздуха ~ 70 %; освещенность люминесцентными лампами ~ 80 рМ-м-2х-1; температура 22-24 °С (для дикорастущих видов - 14-18 °С) в рулонной культуре [17] на воде (контроль) или на средах, содержащих от 1 мкМ/л до 10 мМ/л ионов ТМ (концентрации охватывают диапазон от дефицитных до сублетальных / летальных и подобраны с учетом загрязнения почв исследованных территорий).
Использованы соли ТМ квалификации ч.д.а.: CuS04-5H20; NiS04-7H20; ZnS04-7H20 и Pb(NO3)2.
Спустя 7-14 суток опыта измеряли адаптивные физиологические и биохимические параметры: всхожесть семян - по Г0СТ 12038-84 Г0СТ 12038-84. Семена сельскохозяйственных культур. Методы определения всхо-жести (с Изменениями № 1, 2, с Поправкой). Взамен Г0СТ 12038-66; введ. 19.12.1984 № 4710.; длину подземных (главный корень) и надземных (побег) органов - анализируя отсканированные изображения в программе Curvometer v.1.4 [17]; площадь листьев - расчетно-математическим методом или с помощью анализа сканированных изображений в программе Scion Image for Windows [17]; сырую / сухую массу и содержание воды в органах растений - высушивание до постоянной массы при 95-105 °С [17]; жизнеспособность клеток - методом плазмолиза [18]; степень повреждения клеточных мембран - по выходу электролитов кондуктометрическим методом на кондуктометре 0К-102 («Radelkis», Венгрия) с последующим расчетом величины коэффициента повреждаемости (КП) - по 0. А. Зауралов, А. С. Лукаткин [19]. Биохимические адаптационные параметры измеряли с помощью спектрофотометра UV-mini 1240 (Shimadzu, Япония): интенсивность перекисного окисления липидов - по накоплению малонового диальдегида в цветной реакции с тиобарбитуровой кислотой при длине волны 532 нм с последующим рассчетом содержания МДА по коэффициенту молярной экстинкции (е = 1,56 х 105 (М-см)-1) [20]; скорость генерации супероксидного аниона - по восстановлению адреналина в адренохром - при длине волны 480 нм, с последующим рассчетом скорости генерации по коэффициенту молярной экстинкции (е = 4020 (М-см)-1) [20]; содержание общих перекисей - ферротиоцианатным методом - при длине волны 480 нм [20]; содержание каротиноидов - по Г0СТ Р 5405 8-20 1 0 Г0СТ Р 54058-2010. Продукты пищевые функциональные. Метод определения каро тиноидов. Издание официальное. Москва Стандартинформ 2011. Введен впервые 2012-01-01; активность аскорбат- пероксидазы - по снижению оптической плотности раствора за первые 30 с реакции с последующим расчетом по коэффициенту молярной экстинкции (е = 2,8 мМ-1см-1) [20]; активность супероксиддисмутазы - по восстановлению нитросинего тетразолия супероксидным радикалом с образованием формазанов - при длине волны 540 нм [20]; активность каталазы (КАТ) - при длине волны 240 нм - по падению оптической плотности за минуту с последующим расчетом по коэффициенту молярной экстинкции (е = 39,4 мМ-1см-1) [20].
Все опыты и анализы проводили не менее, чем в трех повторениях. Приведение исходных данных к нормальному типу распределения и дескриптивный анализ полученных данных проводили в программе MS Excel (лиц. OfficeProPlus 2013 RUS OLP NL Acdmc №62526942).
Достоверность различий между вариантами оценивали по t-критерию Стьюдента при 5 % уровне значимости. Корреляционный анализ проводили в программе MS Excel. Тесноту связи измеренных показателей оценивали по таблице критических значений коэффициентов корреляции (г) Пирсона.
Результаты и обсуждение
Считается, что адаптация растений к воздействию ТМ связана с изменениями на уровне физиологических процессов [21]. Ростовые характеристики традиционно считают интегральным показателем адаптации растений к ТМ. Так, в классическом тесте для характеристики устойчивости к ТМ Д. Уилкинс использовал соотношение прироста корней растений в опыте и контроле за определенное время (например, за сутки), т.е. индекс толерантности рассчитывали по формуле:
12].
В частности, с помощью этих тестов W. H. O. Ernst показал более высокую металлоустой- чивость популяций из загрязненных местообитаний по сравнению с фоновыми, используя концентрацию металла, при которой не наблюдается полного угнетения контрольных растений, но сильно ингибируется рост устойчивых [4]. Однако ростовые характеристики проявляются лишь спустя несколько дней после начала воздействия. А изменения окислительного статуса и активация антиоксидантной системы в интактных растениях происходят гораздо быстрее (иногда в первые десятки минут от начала воздействия ТМ).
Совокупность данных по повреждающему действию ТМ в растительном организме можно представить следующей схемой. Когда ТМ находятся в небольшом избытке, в растении начинают включаться механизмы избегания на разных уровнях организации - исключение, секвестрирование или компартментация.
Если избыток ТМ достигает сублетальных концентраций, ТМ индуцируют окислительный стресс избыточным образованием активных форм кислорода (АФК), таких как супероксидный анион-радикал CO2-) [22]. Очевидно, что первичные эффекты ТМ связаны с генерацией АФК, происходящей на уровне клеток и их органелл. Они разрушают биомолекулы, что сильно нарушает метаболизм и в конечном счете приводит к ослаблению или остановке роста.
Поэтому и морфологические, и метаболические биоиндикаторы должны быть включены в интегрированную систему оценки полной фитотоксичности металлов и адаптации растений к ТМ [23-25].
Таким образом, интегральную картину, объективно отражающую степень устойчивости растений к различным дозам ТМ, может дать расчет обобщенного индекса адаптации, который основан не на способности растений к металлоаккумуляции и не на росте корня, как предлагалось ранее.