Клеточно-тканевый уровень экотоксикологических эффектов

Клеточный уровень эффектов

Существенные нарушения в регуляции клеточного обмена и, как следствие, функционирования целого организма вызывают изменения физико-химических свойств клеточных мембран: мембран митохондрий, лизосом, хлоропластов, вакуолей, мембран эндоплазматического ретикулума и аппарата Гольджи и другие, возникающие под действием внешних стрессовых факторов (Барсукова, 1997; Herich et al., 1979). Устойчивость растений к тяжелым металлам на клеточном уровне достигается двумя основными путями: 1) предотвращением (ограничением) проникновения тяжелых металлов в клетку за счет селективного поглощения ионов и понижения проницаемости мембран; 2) запуском внутриклеточных механизмов устойчивости (Чиркова, 2002; Hall, 2002; Levitt, 1980).

Изменение свойств клеточных мембран.

К последствиям воздействия тяжелых металлов, оксидов серы, азота и органических поллютантов на структуры мембран и их функции относятся следующие:

• • нарушение проницаемости мембран за счет нарушения биосинтеза молекул в их структуре. Эффект связан со строением и составом бимолекулярной липидной пленки мембран. Обнаружено сходство в действии на проницаемость мембран разнообразных экстремальных факторов: низкой температуры (Santarius et al., 1979), нарушения водного режима (Simon, 1974), засухи (Маркаров, 1976), повышения кислотности (Christiansen et al., 1970), различных метаболитических ядов (Артамонов и др., 1975; Marschner et al., 1966), низких и высоких доз радиации (Савин, 1981; Динева и др., 1993; Влияние комбинированного…, 1996; Влияние раздельного…, 1996), избытка цинка, свинца, кадмия и других тяжелых металлов (Влияние комбинированного…, 1996; Влияние раздельного…, 1996; Барсукова, 1997). В ответ на действие тяжелых металлов наблюдается изменение транспорта через плазмалемму с помощью мембранных транспортных белков (The molecular physiology…, 2000). Например, под воздействием большинства пестицидов, металлов (медь), озона и ряда других агентов за счет перекисного окисления липидов увеличивается проницаемость мембран. Сернистый газ действует, прежде всего, на устьица листа, нарушая тем самым водный режим растения. Этот газ и окислы азота диффундируют через межклеточные пространства и в зависимости от pH образуют в межфибриллярной воде клеточных стенок серную и азотную кислоты, поражающие клеточные структуры;
• • истощение ресурсов биологически активных молекул. Нарушение проницаемости клеточных мембран ведет к истощению ресурсов естественных антиоксидантов. Этот эффект проявляется в снижении активности тиоловых групп белков, следствием чего становится подавление активности ферментов, нарушение транспорта через мембраны ионов калия, натрия. Такие механизмы поражения отмечены в печени при воздействии диоксинов.

Иногда наблюдается обратное. Активность ферментов может повышаться под влиянием пестицидов (например, трансферазы у крыс).

Показано, что у растений, произрастающих в условиях нефтяного загрязнения, можно поднять эффективность антиоксидантной системы в процессе нейтрализации продуктов окислительного стресса и способствовать повышению устойчивости растений к действию поллютантов (Чупахина и др., 2004). Эти же авторы подчеркивают, что эндогенный уровень антоциановых пигментов можно использовать как показатель физиологического состояния клеток растительных организмов, тканей и растительных экосистем в целом.

Фотодеструкция хлорофиллов, выраженная в подавлении процессов передачи энергии от молекул хлорофилла к следующим структурам. Задержка поглощенной энергии в электронно-транспортной цепи ведет к фотодеструкции хлорофилла. Проявлением этого процесса выступают хлороз листьев, белые полосы на зеленых семядолях типа хлорофильных мутаций viridoalbastriata, viridomaculata, albina, некроз листовой пластинки и др. Интересно, что повышенная устойчивость сорных растений связана с тем, что они имеют несколько измененный, более стабильный белок хлоропластной мембраны. В качестве адаптации пигментной системы к условиям среды можно рассматривать снижение разрушения пластидных пигментов и некоторое усиление процессов пигментообразования в пластидах (Устойчивость…, 2007).

Влияние тяжелых металлов на интенсивность фотосинтеза, дыхание, содержание пигментов и других параметров у растений показано рядом авторов. Поллютанты и S0₂ снижают общее количество пигментов, способствуют ослаблению процессов накопления хлорофилла b в большей степени, чем хлорофилла а, вызывают изменение в строении и функционировании некоторых пигментов и пластид (Тужилкина и др., 1998; Grill et al., 1981), приводят к уменьшению размеров хлоропластов (Рак, 1982).

Изучалось влияние отдельных ионов металлов на фотосинтезирующие системы листьев плавающих и погруженных растений (Малева и др., 2004). В эксперименте выявлено, что увеличение концентрации ряда металлов в воде приводит не только к их накоплению растениями, но и к нарушению основных процессов жизнедеятельности. Особенно токсичными были ионы Си и Cd, подавляющие синтез пигментов и интенсивность фотосинтеза. Максимальное влияние медь оказывала на гидрофиты, кадмий — на плейстофилы. Высокие коэффициенты корреляции между содержанием металлов в листьях водных растений и параметрами фотосинтеза свидетельствуют о прямой обусловленности этих процессов присутствием металлов (табл. 6.2).

По наблюдениям Н. С. Петруниной (1971) при избытке меди в почве листья травянистых растений приобретают красно-бурый вплоть до буро-черного оттенка. Поверхность хлоропластов у деревьев городских посадок была в 1,5—2 раза меньше, чем у тех же видов в лесу, а единица листовой поверхности содержала меньше хлорофилла. Содержание каротиноидов, наоборот, было выше по сравнению с содержанием аналогичного пигмента в листьях деревьев в чистых местообитаниях леса. Симптомом неудовлетворительного состояния растений может быть падение величины отношения числа зеленых пигментов к числу желтых (Рачковская и др., 1982).

Изменения в пигментном составе хвои ели (снижение абсолютного содержания хлорофиллов, особенно Ь, и их относительного количества по сравнению с каротиноидами) использовались в качестве диагностического признака в процессе дешифрирования аэроснимков при дистанционном зондировании лесных территорий Европы и Северной Америки (Hoshizaki et al., 1988).

Таблица 6.2

Коэффициенты корреляции между содержанием металлов в листьях гидрофитов и фотосинтетическими параметрами растений (по: Малева и др., 2004).

" -" — не определено; А+В — сумма хлорофиллов, К — каротиноиды, Ф — фотосинтез; * — статистически значимые коэффициенты корреляции, р < 0,05.

Нарушение в хлоропластах растений. Стрессовые факторы вызывают изменение структурно-функциональных свойств мембранной системы хлоропластов, что ведет к снижению фотосинтетической активности. Следствием этого является нарушение биоэнергетики за счет снижения синтеза соединений, важнейших для обеспечения энергетики метаболизма (АТФ, неорганического фосфата, калия и др.). Например, у берез повислой (Betula pendula) и пушистой (Betula pubescens) показано старение клеток ассимиляционной ткани и хлоропластов листьев (Голубева и др., 2006). В ряде работ рассмотрено нарушение электронно-транспортных реакций в тиллакоидной мембране у растений при избытке тяжелых металлов (Rauser, 1981; Padmaja et ah, 1990).

Изменение элементного состава растительных тканей. Ряд авторов (Влияние промышленных выбросов…, 2006; Илькун, 1978) отмечают повышенные уровни Na, Са, Mg в хвое угнетенных аэрозольными выбросами деревьев. Это может быть обусловлено, с одной стороны, присутствием элементов в атмосфере, с другой — проявлением защитной реакции на воздействие химического стрессора. Содержание других элементов (R, Mn, N) в условиях загрязнения может возрастать.

Следует отметить, что многие токсические вещества действуют на уровне клеточных структур неспецифическим образом, нарушая или дезорганизуя генетическую, мембранную или белково-ферментную системы клетки.

Накопление защитных веществ в клетке. Для стабилизации внутриклеточных структур существенное значение имеет накопление защитных веществ, в качестве которых выступают сахара, водорастворимые белки, фосфолипиды, свободные аминокислоты, пигменты.

Накопление щелочных и щелочно-земельных элементов (К, Са, Mg) может увеличивать буферную емкость цитоплазмы и клеточного сока и способствовать нейтрализации поглощаемых анионов (S0₂ и NO_x) и, возможно, тяжелых металлов (Рожков и др., 1989). Насыщенность клеток свободными минеральными катионами задерживает наступление в них необратимых изменений. Биохимический механизм толерантности к металлам во многом связан с проявлением антагонизма между элементами (Кабата-Пендиас и др., 1989; Черненькова, 2004).

В качестве основных внутриклеточных механизмов устойчивости растений к действию тяжелых металлов выступают: иммобилизация (связывание) металлов компонентами клеточных стенок (Серегин и др., 2006); детоксикация металлов в результате образования комплексов с органическими кислотами, в том числе аминокислотами (Haydon et al., 2007; Subcellulm localization…, 2000), металлотионеинами (Enchanced…, 2001; The isolation…, 2003), фитохелатинами (Cobbett, 2000; Cadmium uptake…, 2002), полифенолами (Шебалова и др., 2000); транспорт и аккумуляция металлов в вакуоли в виде нерастворимых комплексов с органическими кислотами (Meharg, 2005); выведение избытка металла из клетки (Серегин и др., 2006).