Влияние тяжелых металлов (Cu и Zn) на окислительный статус проростков пшеницы сорта Мироновская 808

Всероссийский конкурс «Юность, наука, культура»

Муниципальное общеобразовательное учреждение

«Лицей № 43»

Исследовательская работа Влияние тяжелых металлов (Cu и Zn) на окислительный статус проростков пшеницы сорта Мироновская 808

Выполнила: Кудашкина Анастасия ученица 11 класса МОУ «Лицей № 43»

Руководитель: Аржанова В. И.,

учитель биологии Научный руководитель: Башмаков Д. И.,

к.б.н., доцент кафедры ботаники и физиологии растений МГУ им. Н. П. Огарева Саранск, 2011

Содержание Введение Литературный обзор

1.1 Характеристика пшеницы, как объекта исследования

1.1.1 Систематическое положение объекта исследования

1.1.2 Биологическое описание

1.1.3 Физиологические особенности пшеницы

1.2 Минеральные элементы в питании растений

1.3 Биологическая роль тяжелых металлов (ТМ) — мели и цинка, их химическая характеристика и встречаемость в почвах на территории РФ

1.3.1 Характеристика токсичности ТМ

1.3.2 Характеристика металлов меди и цинка и их физиологического действия

1.4 Характеристика понятия окислительной активности

1.5 Характеристика понятия супероксида анион-радикала (O2

2. Практическая часть

2.1 Постановка экспериментов

2.2 Результаты экспериментов

2.3 Обсуждение результатов

3.Заключение

4. Выводы Список литературы

Введение

Не будем, однако, слишком обольщаться нашими победами над природой. За каждую

такую победу она нам мстит. Каждая из

этих побед имеет, правда, в первую очередь

те последствия, на которые мы рассчитывали,

но во вторую и третью очередь

совсем другие, непредвиденные последствия,

которые часто уничтожают значение первых.

Ф. Энгельс Среди множества проблем, стоящих в настоящее время перед человечеством, охрана окружающей среды занимает, пожалуй, одно из первых мест. Интенсивная антропогенная нагрузка на природные ресурсы вызывает изменение направлений и темпов миграции микроэлементов, входящих в фоновый состав почв и поступающих дополнительно из различных источников загрязнении.

Растения являются хорошими индикаторами, позволяющими определить степень загрязнения почв соединениями тяжелых металлов. Степень накопления соединений тяжелых металлов в растениях определяется уровнем загрязнения почв, расстоянием от техногенного источника, количеством атмосферных выпадений и видовыми особенностями растений. При этом повышенные концентрации соединений ТМ содержатся в корнях и листьях. Содержание соединений тяжелый металлов в растениях сельскохозяйственных районов в семь раз меньше, чем в растениях, растущих в зоне городов. [1]

Появление в литературе термина «тяжелые металлы» было связано с проявлением токсичности некоторых металлов и опасности их для живых организмов. Однако в группу «тяжелых» вошли и некоторые микроэлементы, жизненная необходимость и широкий спектр биологического действия которых неопровержимо доказаны. [2]

Тяжелые металлы (Cu, Ni, Со, Pb, Sn, Zn, Cd, Bi, Sb, Hg) относятся к микроэлементам. То есть химическим элементам, присутствующим в организмах в низких концентрациях (обычно тысячные доли процента и ниже). Изучение минерального питания растительных организмов включает в себя знакомство и с микроэлементами.

Различия в «терминологии» в основном связаны с концентрацией металлов в природной среде. С одной стороны, концентрация металла может быть избыточной и даже токсичной, а с другой стороны, при нормальной концентрации или дефиците его относят к микроэлементам. В настоящее время в литературных источниках не проведена количественная граница этих понятий. [3]

Актуальность выбранного направления исследований обусловлена тем, что на сегодняшний день мало известно о механизмах накопления растениями тяжелых металлов, потому что до сих пор основное внимание уделялось усвоению соединений азота, фосфора и других элементов питания из почвы. Кроме того, в условиях возрастающего антропогенного воздействия на агроэкосистемы, проблема получения продукции с минимальным содержанием солей тяжелых металлов остается актуальной задачей.

Гипотеза: Металлы медь и цинк являются элементами минерального питания растений, а также относятся к разряду токсичных тяжелых металлов; существует граница токсичности концентраций этих металлов.

Таким образом, целью настоящей работы является изучение влияния солей тяжелых металлов различной концентрации на биохимические процессы, а именно на окислительный статус, проростков пшеницы рода Triticum L., сорта Мироновская 808.

Для достижения цели были поставлены следующие задачи:

Осветить теоретический аспект данной темы (познакомиться с литературными источниками: статьями, параграфами учебников, научной литературой);

Провести серию экспериментов по определению влияния тяжелых металлов (Cu и Zn) на активность каталазы в проростках пшеницы.

Провести серию экспериментов по определению влияния тяжелых металлов (Zn и Cu) на скорость генерации супероксидного анион-радикала в проростках пшеницы.

Провести систематизацию, полученных в ходе экспериментов, данных (оформить результаты опытов в таблицы, построить графики);

Сделать анализ полученных результатов и написать выводы.

Предметом исследования служат проростки семян пшеницы рода Triticum L., сорта Мироновская 808. В данной работе использовались эмпирические, теоретические и практические методы исследования.

Научная новизна работы заключается в определении способности тяжелых металлов влиять на окислительный статус проростков пшеницы.

Теоретическое значение работы: полученные результаты конкретизируют представление о механизмах негативного воздействия солей тяжелых металлов на растение семейства злаковых.

Практическая значимость работы заключается в том, что материалы, отраженные в исследовательской работе, могут быть использованы в области прикладной экологии и растениеводства.

пшеница минеральный металл почва

1. Литературный обзор

1.1 Характеристика пшеницы, как объекта исследования

1.1.1 Систематическое положение объекта исследования Пшеница относится к семейству Роасеае (мятликовые), роду Triticum L., который насчитывает 22 вида хорошо различимых по морфологическим и биологическим признакам.

1.1.2 Биологическое описание Корневая система пшеницы мочковатая. Она имеет два типа корней: зародышевые и придаточные (узловые) вторичные, причем число зародышевых корней у озимой пшеницы — 3 у яровой — 5.

Стебель (соломина) прямой, цилиндрический, полый по всей длине, имеет 5−7 междоузлий, разделенных стеблевыми узлами. Из узла нижней части стебля (узла кущения) образуются 1−2 боковых побега.

Лист состоит из влагалища и листовой пластинки.

Цветок имеет 2 цветковые чешуи: нижнюю, наружную, более плотную, у остистых форм несущую ость, и верхнюю, внутреннюю — тонкую и нежную. Между цветковыми чешуями расположена завязь с обратной семяпочкой, двумя перистыми рыльцами и тремя тычинками.

Соцветие — колос, состоящий из колосового стержня (оси соцветия) и колосков. Колосовой стержень членистый, имеет уступы (колена), на каждом из которых расположено по одному колоску. Колоски 2−4-5-цветковые, но только 2−3 цветка обычно образуют зерно. Пшеница является самоопыляемым растением, имеет плод зерновка, состоящую из зародыша, эндосперма, семенной и плодовой оболочек. [5]

1.1.3 Физиологические особенности пшеницы Пшеница — это растение длинного дня, достаточно холодостойкое. В процессе вегетации у пшеницы различают следующие фенологические фазы:

1) набухание семян;

2) прорастание семян;

3) всходы;

4) появление третьего листа;

5) кущение;

6) выход в трубку;

7) колошение;

8) цветение;

9) молочная спелость;

10) восковая спелость;

11) полная спелость.

В каждую из этих фаз растения проходят определенные этапы органогенеза, происходит формирование различных элементов структуры урожая, поэтому важно создать оптимальные условия для прохождения каждой фазы.

Отношение к температуре. Оптимальная температура для прорастания семян и появления всходов составляет +12 — 15 °C, минимальная — +1 — 2 °C. В эти фазы пшеница может переносить заморозки до −9…−10°С. У твердой пшеницы более низкая устойчивость к заморозкам. Для получения жизнеспособных всходов достаточно 4 — 5 °C, поэтому к посеву можно приступать при прогревании почвы до +5°C с целью эффективного использования запаса весенней влаги. Через 10 — 15 дней после всходов начинается кущение — образование узловых корней и боковых побегов из узла кущения (зона сближенных подземных стеблевых узлов). Оптимальные условия для кущения +10 — 12 °C, достаточное количество влаги, более короткий день.

В период выхода в трубку цветения оптимальная температура составляет 18 — 20 °C. Оптимальная температура в период налива — 22 — 25 °C. Высокая температура 35 — 40 °C и наличие суховеев ведут к снижению урожая и его качества. В фазе созревания благоприятно повышение температуры до 25 — 28 °C, что положительно сказывается на качестве. В период налива твердая пшеница лучше, чем мягкая переносит высокие температуры, лучше противостоит суховеям, но при недостатке тепла у нее слабее идет отток пластических веществ в зерно, и в холодную погоду ее созревание больше затягивается. Для хорошего роста яровой пшеницы, необходима определенная сумма температур за период вегетации.

Отношение к влаге. Пшеницу выращивают в районах с уровнем осадков 300−1130 мм. Для прорастания семян мягкой пшеницы требуется 50 — 60% воды от массы сухих семян, а семенам твердой пшеницы — на 5 — 7% больше, так как они содержат больше белка.

Потребление воды по фазам развития яровой пшеницы распределяется примерно следующим образом: в период всходов — 5 — 7% общего потребления воды за весь период вегетации, в фазе кущения — 15 — 20, выхода растений в трубку и колошения — 50 — 60, молочной спелости — 20 — 30 и восковой спелости — 3 — 5%.

Так, при недостатке влаги в почве происходит запаздывание кущения, вследствие чего наблюдается задержка в развитии побегов из боковых почек.

Узловые корни служат главным образом для питания побегов кущения и играют существенную роль в формировании урожая яровой пшеницы. Одни зародышевые корни не могут полностью обеспечить пшеницу пищей и влагой. Только при раннем формировании узловых корней она способна нормально развиваться. Узловые корни начинают появляться в фазу 3 — 4-го листа и развиваются только при наличии влаги в зоне узла кущения. В годы продолжительной засухой в начальный период развития запоздалые дожди нередко уже не могут исправить положение: они не вызывают образование корней у яровой пшеницы из огрубевших узлов, и растения продолжают рост и развитие в основном только за счет первичных (зародышевых) корней, которые достигают глубины 100 — 130 см.

У мягкой пшеницы в первоначальный период корни в большей степени распространяются вширь, нежели у твердых, быстрее направляющих корни в глубину. Твердая пшеница в начальный период развития уступает мягкой по рабочей поглощающей поверхности корней, но во второй период превосходит ее. Эти различия в значительной степени обусловливают меньшую чувствительность твердой пшеницы к почвенной засухе. Она лучше переносит и воздушную засуху, особенно в период формирования и налива зерна. Наиболее благоприятная для растений влажность почвы в пределах 70 — 75% ППВ.

Отношение к почве. Пшеница требовательна к наличию в почве легкодоступных питательных веществ, что объясняется сравнительно коротким периодом активного потребления питательных веществ и пониженной способностью корневой системы усваивать питательные вещества. Наиболее высокие требования к плодородию, чистоте и структуре почвы предъявляет твердая пшеница, которая лучше удается на почвах черноземных и каштановых; для мягкой пшеницы особенно благоприятны все виды черноземов, каштановые, среднеи слабоподзолистые почвы. На дерново-подзолистых почвах необходимо вносить известь, органические и минеральные удобрения. Большое влияние на урожайность пшеницы оказывают условия рельефа. Пониженные заболоченные места для нее также неблагоприятны. Пшеница не выносит кислых почв.

Пшеница в начальный период роста сильно угнетается сорными растениями, поэтому большое значение имеет посев ее на чистых от сорняков полях. На легких почвах она хорошо удается в более увлажненных районах. К засолению почвы мягкая пшеница менее чувствительна, чем твердая. В целом мягкую пшеницу можно охарактеризовать как более пластичную культуру. [6]

1.2 Минеральные элементы в питании растений Известно, что для нормального роста и развития растения необходимы вода, воздух, свет, тепло и питательные вещества. Эти факторы играют важную роль в жизни растений.

Азот, фосфор, калий, кальций, магний, железо содержатся в растениях в относительно больших количествах. Их называют макроэлементами.

Бор, марганец, медь, цинк, кобальт, молибден и некоторые другие элементы находятся в растениях в незначительных количествах и называются микроэлементами.

Среднее содержание основных макрои микроэлементов в растениях

Всего лишь 90 лет назад считалось, что около десяти элементов, составляющих основную массу живого вещества (~99,4%) таких, как углерод, кислород, водород, азот, фосфор, калий, кальций, магний, железо и сера, вполне достаточно для нормального роста растений. В настоящее время учеными доказано, что без микроэлементов невозможна нормальная жизнедеятельность растительных и животных организмов.

Бор, марганец, медь, цинк и другие микроэлементы по их количеству в земной коре принадлежат к распространенным элементам. Но содержание этих элементов неодинаково в различных почвах страны.

Исследования показали, что растения усваивают из почвы только те микроэлементы, которые переходят в почвенный раствор. Однако не все почвы содержат достаточное количество растворимых форм микроэлементов. Недостаток микроэлементов восполняется в настоящее время введением в почву микроудобрений, содержащих бор, магний, марганец, цинк и др. Потребность в микроудобрениях сельскохозяйственных культур определяется их биологическими особенностями и содержанием микроэлементов в доступной для растений форме. [7]

1.3 Биологическая роль тяжелых металлов (ТМ) — меди и цинка, их химическая характеристика и встречаемость в почвах на территории РФ

1.3.1 Характеристика токсичности ТМ В последние годы все сильнее подтверждается важная биологическая роль большинства металлов. Многочисленными исследованиями установлено, что влияние металлов весьма разнообразно и зависит от содержания в окружающей среде и степени нуждаемости в них микроорганизмов, растений, животных и человека.

Фитотоксичное действие ТМ проявляется, как правило, при высоком уровне техногенного загрязнения ими почв и во многом зависит от свойств и особенностей поведения конкретного металла. Однако в природе ионы металлов редко встречаются изолированно друг от друга. Поэтому разнообразные комбинативные сочетания и концентрации разных металлов в среде приводят к изменениям свойств отдельных элементов в результате их синергического или антагонистического воздействия на живые организмы. Например, смесь цинка и меди в пять раз токсичнее, чем арифметически полученная сумма их токсичности, что обусловлено синергизмом при совместном влиянии этих элементов. Подобным образом действует и смесь цинка с никелем. Однако существуют наборы металлов, совместное действие которых проявляется аддитивно. Ярким примером этого являются цинк и кадмий, проявляющие взаимный физиологический антагонизм. Очевидны проявления синергизма и антагонизма металлов и в их многокомпонентых смесях. Поэтому суммарный токсикологический эффект от загрязнения среды ТМ зависит не только от набора и уровня содержания конкретных элементов, но и особенностей их взаимного воздействия на биоту.

Таким образом, влияние ТМ на живые организмы весьма разнообразно. Это обусловлено, во-первых, химическими особенностями металлов, во-вторых, отношением к ним организмов и, в-третьих, условиями окружающей среды. [9]

1.3.2 Характеристика металлов меди и цинка и их физиологического действия

Cu — МЕДЬ (лат. Cuprum), химический элемент I группы периодической системы Менделеева, атомный номер 29, атомная масса 63,546. В периодической системе Менделеева медь расположена в четвертом периоде и входит в группу IВ, к которой относятся такие благородные металлы, как серебро (Ag) и золото (Au).

Простое вещество медь — красивый розовато-красный пластичный металл. [10]

Небольшие количества меди содержатся практически во всех почвах и в водах рек России. В природе медь встречается в основном в виде различных соединений, однако можно увидеть и самородок этого элемента. Распространенность меди в земной коре оценивается по-разному, но все ее количественные оценки находятся в пределах 0,003 — 0,01%.

Медь в почвах преимущественно двухвалентна. Важнейшими солями меди являются: сульфат меди CuSO4 или медный купорос CuSO4 • 5H2O, хлорид меди CuCl2 • 2H2O, нитрат меди Cu (NO3)2 • 3H2O. Эти соли хорошо растворяются в воде. Установлено, что если медь поглощается органическими веществами, то она труднее вымывается из почвы. Вот почему торфяно-болотные почвы, содержащие большое количество органических веществ, очень бедны медью.

Общее содержание меди в почвах нашей страны неодинаково и колеблется в значительных пределах — от 1 до 140 мг на 1 кг почвы.

Общее содержание меди в почвах (по данным В.А. Ковды)

Значительное количество меди содержится в черноземах.

Кроме того, растения используют из почвы только подвижные, растворимые в воде соединения меди. К сожалению, наличие хорошо усвояемых ее форм в почвах невелико и колеблется от 1,1 до 7,8 на 1 кг почвы. [7]

Содержание растворимых форм меди в почвах (по данным М.В. Каталымова)

Применение медных удобрений не только сказыва-ется на повышении урожайности, но и на качестве сель-скохозяйственных продуктов. Так, количество белка в зерне нарастает, сахаристость сахарной свеклы увеличи-вается, так же как процент выхода каучука у кок-сагы-за, содержание витамина C и каротина в плодах и ово-щах, улучшаются технологические качества волокна конопли. Под влиянием медных удобрений повышается ус-тойчивость озимой пшеницы к полеганию. [11]

Zn — ЦИНК — элемент II группы четвертого периода периодической системы элементов Д. И. Менделеева. В соединениях проявляет степень окисления +2. В природе встречается только в виде соединений, важнейшим из которых является цинковая обманка ZnS и цинковый шпат ZnСО3.

Цинк — голубовато-белый металл, хрупкий при комнатной температуре, а при 100−150°C поддается прокатке и вытягивается. [10]

Цинк относительно широко распространен в природе. Он встречается в почвах, горных породах, в воде рек, морей и океанов, во всех растительных и животных организмах. [7]

Среднее содержание цинка в почвах России составляет 0,005%; из этого количества на долю растворимого цинка приходится не более 1%.

Содержание цинка в почвообразующих породах и почвах (по данным В.Д. Ковды)

Солончаковые и солонцеватые почвы содержат боль-ше всего подвижного цинка (0,0087—0,014%), что связа-но с высокой дисперсностью солонцеватых почв и наличием в них соединений цинка типа цинкатов натрия и калия. Промежуточное положение по количеству подвиж-ных форм цинка занимают черноземы и серые лесные почвы; меньше всего таких форм в подзолистых почвах (0,185—0,241%). На кислых почвах республики цинк более под-вижен и выносится из почв в больших количествах; по-этому на кислых почвах чаще наступает дефицит цинка, на щелочных почвах цинк наименее подвижен.

В среднем в растениях обнаруживается 0,0003% цинка. В зависимо-сти от вида, местности произрастания, климата и т. п. со-держание цинка в растениях России весьма варьирует.

При обильном развитии ми-кроорганизмов па некоторых почвах они могут в значи-тельной мере поглощать цинк и создавать условия цинко-вого голодания для высших растений. Стерилизация почв, убивая микробы и, возможно, разрушая соединения, в виде которых цинк оказывается в связанном состоянии, ставят высшие растения в условия более полной обеспе-ченности цинком.

Цинковые удобре-ния используются для повышения урожайно-сти ряда культур: сахарной свеклы, озимой пшеницы, ов-са, льна, клевера, подсолнечника, кукурузы, хлопчатника, цитрусовых, других плодовых, древесных и декоративных растений. [11]

1.4 Характеристика понятия окислительной активности Наиболее часто при изучении устойчивости растений к неблагоприятным факторам среды учитывается активность антиоксидантных ферментов. Поддержание равновесия окислительно-восстановительных процессов в клетках при действии ТМ, имеет особое значение, так как последние вызывают сдвиг межклеточной и внутриклеточной среды в кислую сторону.

Поскольку оптимумы действия большинства гидролитических ферментов находятся в кислой зоне, падение рН клеточной среды способствует их активации, что в дальнейшем может привести к усилению окислительных процессов в клетках. При негативных воздействиях в клетках растений усиливается образование активных форм кислорода, что в итоге может привести к окислительному стрессу.

В последние годы образование и быструю диффузию через мембраны перекиси водорода рассматривают как проявление сигнальной функции, а именно как вторичный мессенджер при трансдукции стрессорного сигнала, включающего индукцию синтеза ферментов-антиоксидантов.

Каталаза, которая широко распространена в растениях, является одним из самых активных энзимов в природе, принадлежит к группе элитных ферментов, обладающих рекордными скоростями работы, играет определенную роль в процессах адаптации организма к стресс-факторам. Каталаза выполняет важную роль, разлагая токсичную для клеток перекись водорода, образовавшуюся в результате клеточного дыхания с участием флавиновых дегидрогеназ. Данный фермент принимает участие в разложении перекисей, регулируя смену фаз аэробных и анаэробных процессов, и участвует в окислении перекисей в пероксисомах при фотодыхании. Каталаза — самая распространенная у растений терминальная оксидаза. Этот фермент довольно чувствителен к комплексу загрязняющих веществ и возрастание ее активности, как мне кажется, может свидетельствовать о проявлении защитных реакций тканей в неблагоприятных условиях.

Известно, что активность фермента зависит от вида растения, возраста клеток, типа ткани и других факторов; оптимум действия каталазы наблюдается при рН=6,5, а в более кислых и щелочных средах активность фермента уменьшается.

1.5 Характеристика понятия супероксида анион-радикала (О2-)

Ключевой активной формой кислорода является супероксид анионрадикал (О2-), образующейся при присоединении одного электрона к молекуле кислорода в основном состоянии. Супероксид радикал сам по себе обладает малой реакционной способностью и в водной среде может спонтанно дисмутировать. Время его жизни в биологических субстратах составляет около 10−6 с. Супероксид анион-радикал представляет опасность тем, что способен повреждать белки, содержащие железо-серные кластеры, такие как аконитаза, сукцинат дегидрогеназа и НАДН-убихинон оксидоредуктаза. При кислых значениях рН супероксид анион-радикал может протонироваться с образованием более реакционно-способного пероксильного радикала. Присоединение двух электронов к молекуле кислорода или одного электрона к супероксид-аниону приводит к образованию перекиси водорода, которая является окислителем умеренной силы.

Если восстановление молекулярного кислорода происходит ступенчато, то при переносе 1 электрона на О2 образуется надпероксидный (супероксидный) анион:

О2 + е переходит в О2;

Последний содержит неспаренный электрон, поэтому является отрицательно заряженным радикалом (анион-радикалом). Он может протонироваться с образованием нейтрального гидропероксидного радикала:

О2- + Н+ переходит в НО2

Получила признание точка зрения, согласно которой основную опасность для организмов представляют продукты, образующиеся при одноэлектронном восстановлении молекулы О2, одним из которых является супероксидный анион.

Можно назвать много биохимических реакций, приводящих к его возникновению. Супероксидные анионы генерируются при взаимодействии с молекулами О2 различных компонентов (восстановленные флавины, хиноны, тиолы, FeS-белки), а также в реакциях, катализируемых рядом флавопротеиновых ферментов. Наконец, в процессе фотосинтеза имеет место поток электронов. Большинство реакций фотосинтеза — это реакции одноэлектронного переноса. Поэтому в системе часто возникают супероксидные анионы. Помимо реакций биологической природы О2 могут возникать вне клетки в водных растворах при воздействии на них ультразвуком, в результате фотохимических, химических и электрохимических процессов.

Опасность любых реакционно-активных соединений в значительной степени зависит от их стабильности. В этом плане ионы О2- весьма опасны, так как время их жизни в водной среде продолжительнее, чем у остальных О2- производных радикалов. Поэтому экзогенно возникшие О2- могут проникать в клетку и (наряду с эндогенными) участвовать в реакциях, приводящих к различным повреждениям: перекисном окислении ненасыщенных жирных кислот, окислении SH-групп белков, повреждении ДНК и др.

Токсичность супероксидных анионов может увеличиваться за счет вторичных реакций, ведущих к образованию гидроксидных радикалов (ОН) и синглетного кислорода (*О2).

В митохондриях генерируется больше всего супероксида, причем продукция этого вещества может приобретать характер саморазгоняющегося процесса. Чем больше образуется супероксида, тем выше вероятность повреждения митохондриальной ДНК, расположенной в матриксе митохондрий, т. е. рядом с местом образования супероксида в гребнях внутренней митохондриальной мембраны. Повреждение митохондриальной ДНК ведет к нарушению синтеза белков — переносчиков электронов дыхательной цепи. Торможение дыхательной цепи, в свою очередь, ускоряет генерацию супероксида и т. д. В конце концов, супероксида образуется достаточно для того, чтобы возникла определенная вероятность окисления также и ядерной ДНК, хотя она расположена гораздо дальше, чем митохондриальная ДНК, от генерирующей супероксид внутренней мембраны митохондрий. [14]

2. Практическая часть

2.1 Постановка эксперимента Семена пшеницы закладывали в чашки Петри, содержащие раствор солей тяжелых металлов (Cu и Zn) разной концентрации. Ставили чашки на инкубацию при освещенности 2000 лк на 12−14 часов в день при температуре 23 — 25? C. Спустя 7 дней сделали необходимые измерения.

2.2 Методика эксперимента Определение активности каталазы.

Определение активности каталазы проводили по методике C.N. Kumar, N. Knowles (1993) с модификациями. 1 г. листовой ткани растирали с 10 мл 50 мМ фосфорного буфера (pH 7,0). Гомогенат фильтровали и центрифугировали 10 мин при 8000 g. К 2,9 мл фосфорного буфера прилили 25 мкл полученного ферментного экстракта и непосредственно перед измерением добавили 90 мкл 3% перекиси водорода. Измеряли на СФ-46 при длине волны 240 нм падение оптической плотности за 1 мин, и активность рассчитывали в моль/г навески • мин по формуле:

где — падение оптической плотности

m — масса ткани

t — время, за которое произошло падение оптической плотности

E — коэффициент молярной экстинции (E=39,4 мМ-1см-1). [15]

Определение скорости генерации супероксидного анион-радикала.

В основе метода которого — способность этого радикала окислять адреналин в адренохром. Навеску молодых листьев пшеницы массой 300 мг гомогенезировали с 15-ю мл дистиллированной воды. Затем, в течение 15 мин центрифугировали при 3000 об/мин., после чего брали жидкость и разливали по трем пробиркам по 3 мл в каждую, после добавляли 100 мкл раствора адреналина (0,01%). Ставили пробирки на инкубацию при освещенности 2000 лк на 45 мин. После истечения времени измеряли оптическую плотность образовавшегося адренохрома против гомогената с водой на спектрофотометре СФ-46 при длине волны 480 нм, а полученные данные подставляли в формулу:

где C — концентрация, D — оптическая плотность, е — коэффициент молярной экстинкции (4020 М-1•см-1), m — масса навески — 300 мг, t — время инкубирования (45 мин.). [16]

Полученные данные подвергали стандартному статистическому анализу. Достоверность различий обсуждалась при подсчете ошибки.

2.3 Результаты эксперимента Таблицы и диаграммы Данные активности каталазы.

Каталаза широко распространена в растительных тканях. Она обнаружена во всех аэробно дышащих клетках и у некоторых факультативных анаэробов. Подобно пероксидазе и цитохромоксидазе каталаза относится к Fe-порфириновым ферментам. [13]

В данной работе определение активности каталазы проводились спустя неделю после высадки семян пшеницы в раствор, содержащий соли тяжелых металлов в разных концентрациях.

Таблица 1

Ряд показательных диаграмм.

Диаграмма 1

Диаграмма 2

Диаграмма 3

Данные концентрации супероксидного анион-радикала в растениии после проделанных опытов.

Ключевой активной формой кислорода является супероксид анион-радикал (О2.), образующийся при присоединении одного электрона к молекуле кислорода в основном состоянии. Супероксид радикал сам по себе обладает малой реакционной способностью и в водной среде может спонтанно дисмутировать. Время его жизни в биологических субстратах составляет около 10−6 с. При кислых значениях рН супероксид анион-радикал может протонироваться с образованием более реакционно-способного пероксильного радикала. [17]

В данном эксперименте по определению скорости генерации супероксидного анион-радикала, измерения проводились спустя 7 суток после высадки семян в раствор, содержащий соли тяжелых металлов в разных концентрациях.

Таблица 2

Ряд показательных диаграмм.

Диаграмма 4

Диаграмма 5

Диаграмма 6

2.4 Обсуждение результатов Опыт 1.

В ходе проведенных исследований было отмечено, что в наиболее оптимальных условиях — без влияния ТМ (контроль) — активность каталазы в тканях растений пшеницы была минимальной и, как видно из таблицы 1, составляла 0,073 ммоль/г•мин.

По мере увеличения концентрации ТМ происходило повышение активности каталазы в ассимиляционных тканях. Из диаграммы 1 видно, что растение находится в большем стрессе при концентрации цинка 1 мМ, по сравнению с 10 мкМ ионов Zn2+. При этом существенное увеличение исследуемого показателя по сравнению с контролем, наблюдалось у меди при сублетальной концентрации и равнялось 0,195 ммоль/г•мин. (диаграмма 2).

Из диаграммы 3 видно, что максимальную активность каталазы вызывают ионы Cu2+ концентрацией 1 мМ, а минимальную — ионы Zn2+. Таким образом, проанализировав полученные результаты, можно сделать заключение, что ионы тяжелых металлов вызывают окислительный стресс в клетках ассимиляционных тканей растений пшеницы. Наиболее токсичное действие оказывают ионы Cu2+, о чем свидетельствует максимальная активность каталазы.

Опыт 2.

В результате проведения второго опыта было отмечено увеличение стационарного уровня супероксидного анион-радикала в растениях при сублетальных концентрациях ионов ТМ. Так, из таблицы 2 видно, что наибольший уровень САР вызывают ионы Cu2+ при концентрации 1 мМ, по сравнению с 10 мкМ, которая составляет 31 мкмоль/г•мин.

В диаграмме 4 наглядно продемонстрировано, что по мере увеличения концентраций ионов Zn2+ в растениях, возрастает и уровень САР. Аналогичное действие оказывают и ионы Cu2+ (диаграмма 5).

Таким образом, сравнив по диаграмме 6, действие тяжелых металлов на концентрацию САР, необходимо отметить, что наиболее токсичное действие оказывают ионы Cu2+, о чем свидетельствует максимальное значение скорости генерации супероксидного анион радикала.

Следовательно, увеличение концентрации ТМ оказывает непосредственное влияние на изменение скорости генерации супероксидного анион-радикала у проростков пшеницы.

3.

Заключение

О загрязнении окружающей человека природной среды вредными веществами сейчас знают почти все. Средства массовой информации — печать, радио и телевидение — пытаются формировать такие знания у различных групп населения. Очевидно, что представить хороший обзор того, как, чем и в каких количествах загрязняется наш большой общий дом — биосфера — практически невозможно. К настоящему времени человечество ввело в биосферу более 4 миллионов ксенобиотиков (чужеродных для нее антропогенных веществ) и продолжает вводить по 6 тысяч веществ ежедневно.

Одной из основных задач современной агроэкологии является разработка стратегий реабилитации почв, загрязненных различными токсическими веществами. Среди загрязняющих веществ по масштабам загрязнения и воздействия на биологические объекты тяжелые металлы занимают особое место. Источником их являются минеральные удобрения, пестициды, известковые материалы, орошение сточными водами. Накапливаясь в почве в опасных концентрациях, они негативно влияют на жизнедеятельность почвенной бионты, загрязняют сельскохозяйственную продукцию.

Для обезвреживания ядовитых органических веществ, попадающих в окружающую среду с отходами химических предприятий, в настоящее время используют различные зеленые растения, которые извлекают из окружающей среды и концентрируют в своих тканях различные элементы. Растительную массу не составляет особого труда собрать и сжечь, а образовавшийся пепел или захоронить, или использовать как вторичное сырье.

Этот метод очистки окружающей среды был назван фиторемедиацией — от греческого «фитон» (растение) и латинского «ремедиум» (восстанавливать).

Однако, не только растения, но и люди могут внести ощутимый вклад в экологию растений, ведь причиной губительного действия тяжелых металлов на живые организмы, чаще всего, является бездумная деятельность человека. [18]

В заключение выделим несколько пунктов, как будущие «ориентиры» обществу:

Повсеместно внедрить безотходные технологии производства.

Усилить производственный, санитарный и экологический контроль с целью предотвращения загрязнения окружающей среды.

Грамотно использовать минеральные удобрения и подкормки.

Использовать на транспорте экологически чистое топливо.

В будущем, я планирую дополнить и обобщить данную работу, добавив в неё ряд тяжелых металлов (Ni, Pb) и проведя кондуктометрический метод определения выхода электролитов, чтобы глубже отразить негативное влияние больших концентраций тяжелых металлов в почвах на жизнедеятельность живых организмов.

4. Выводы В результате проделанной работы были достигнуты следующие результаты:

Освещен теоретический аспект данной темы (познакомились с литературными источниками: статьями, учебниками научной литературой);

Проведена серия экспериментов по определению влияния тяжелого металла (Cu) на активность каталазы в проростках пшеницы.

Проведена серия экспериментов по определению влияния тяжелого металла (Zn) на скорость генерации супероксидного анион-радикала в проростках пшеницы.

Проведена систематизация, полученных в ходе экспериментов, данных (результаты оформлены опытов в таблицы, построены графики);

Сделан анализ полученных результатов.

Таким образом, в данной работе все поставленные задачи были учтены и реализованы.

[1] Чиркова Т. В. Физиологические основы устойчивости растений. СПб.: Изд-во С.-Петерб. ун-та, 2002.-244 с.

2] Алексеев, 1987; Минеев, 1988

3] Пейве Я. В. Микроэлементы и ферменты. — М., 1960.

[4] Мироновские пшеницы, под ред. В. Н. Ремесло, М., 1972

[5] Лукьяненко П. П., Избр. труды. Селекция и семеноводство пшеницы, М., 1973

[6] Кузнецов Вл. В., Дмитриева Г. А. Физиология растений. — М.: Высш школа, 2006. — 742 с.

[7] Кабанов Ф. И. Микроэлементы и растения — М., 1977. — С.6−7.

[8] Химия…, 1985

[9] Овчаренко М. М. Тяжелые металлы в системе почва-растение. — М.: ЦИНАО, 1998. — 225 с.

[10] Габриелян О. С., Лысова Г. Г. — 4-е изд., стереотип. — М.: Дрофа, 2004. — 368 с.: ил.

[11] http://revolution./biology/1 800₀.htm

[12] Полесская О. Г. Растительная клетка и активные формы кислорода. М., 2007. — 140 с.

[13] Бояркин А. Н. Быстрый метод определения активности каталазы // Биохимия. — 1951. — Т. 16, вып.4. — С.73−77.

[14] Часов А. В., Гордон Л. Х., Колесников О. П., Минибаева Ф. В. Пероксидаза клеточной поверхности — генератор супероксид аниона в корневых клетках пшеницы при раневом стрессе // Цитология. — 2002. — V. 44(7). — P. 691−692.

[15] Белозерский А. Н., Проскуряков Н. И. Практическое руководство по биохимии растений. — М., 1951. — 216 с.

[16] Воскресенская О. Л., Грошева Н. П. Руководство к большому практикуму Ч.1. — Йошкар-Ола, 1994. — С.62.

[17] Мерзляк М. Н. Активированный кислород и жизнедеятельность растений // Соросовский образовательный журнал. — 1999. — № 9. — С. 20.

[18] Духовский П., Дкнис Р., Бразайтите А., Жукаускайте И. Реакция растений на комплексное воздействие природных и антропогенных стрессов // Физиология растений, 2003.-Т.50, .№ 2. — С.165−166.