Нагромадження і розподіл іонів важких металів в органах кукурудзи

Размещено на http://www.allbest.ru/

КИЇВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ ІМЕНІ ТАРАСА ШЕВЧЕНКА

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата біологічних наук

НАГРОМАДЖЕННЯ ТА РОЗПОДІЛ ІОНІВ ВАЖКИХ МЕТАЛІВ В ОРГАНАХ КУКУРУДЗИ

Спеціальність: Біологія

ГОЛОВАЧ ОЛЕКСАНДРА МИРОСЛАВІВНА

Київ, 2008 рік

1. ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Забруднення навколишнього середовища важкими металами є актуальною та одночасно складною для вирішення проблемою сьогодення. Оскільки функціонування сучасного суспільства неможливе без розвитку промисловості, видобутку корисних копалин, автоперевезень, розширення інфраструктури автошляхів, яка є одним із джерел важких металів, зрозуміло, що масштабність проблеми у майбутньому буде лише зростати. Одним з шляхів вирішення проблеми може бути фіторемедіація, яка полягає у використанні здатності деяких видів рослин поглинати полютанти та акумулювати їх у біомасі. Подальша утилізація біомаси елімінує нагромаджені забруднювачі з середовища (Кравець О.П., 2002, Huang J.W.W. et al., 1997, Lasat M.M., 2002, Pilon-Smith E., 2005, Salt D.E. et al., 1998, Saxena P.X.et al., 1999). У зв'язку з цим актуальним є пошук толерантних видів рослин, здатних накопичувати важкі метали, розподіляти їх у органах та тканинах і одночасно продукувати велику біомасу для зручного їх збору з забрудненої ділянки. Утворення біомаси тісно пов'язане з функціонуванням фотосинтетичного апарату рослин. Як відомо, однією з найвиразніших характеристик стану фотосинтетичного апарату рослин за впливу стресових чинників є вміст пігментів у листку та їх співвідношення (Таран Н.Ю., 1999, Тарчевcкий И.А., Андрианова Ю.Е., 1980).

Не менш важливими є дослідження захисних реакцій рослин, що активуються у відповідь на зростаючий вміст токсиканта у середовищі, та способів підвищення їхніх адаптаційних можливостей. Тому вивчення закономірностей нагромадження та розподілу важких металів в органах рослин, а також особливостей функціонування рослин за впливу важких металів є актуальним.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконана в рамках тем кафедри фізіології та екології рослин Львівського національного університету імені Івана Франка ОБ-175б “Роль регуляторів росту у формуванні адаптаційного потенціалу рослин до несприятливих умов довкілля ” №ДР 0103U001910 та БР-03П “Механізми стійкості рослин до антропогенного забруднення ґрунтів нафтопродуктами і важкими металами” №ДР 0105U002212.

Мета та задачі дослідження. Метою роботи було оцінити можливість використання рослин кукурудзи для фіторемедіації забрудненого важкими металами середовища.

Для досягнення мети поставлено такі завдання:

- виявити закономірності акумуляції іонів свинцю та кадмію у органах кукурудзи та вплив нагромаджених іонів на ріст рослин кукурудзи;

- вивчити вплив іонів свинцю на нагромадження калози у клітинних стінках кукурудзи;

- дослідити вплив іонів свинцю на вміст фотосинтетичних пігментів та активність ферменту карбоангідрази в органах кукурудзи;

- вивчити реакцію проростків кукурудзи на вплив зростаючих та спадаючих концентрацій іонів свинцю;

- визначити рівень забруднення важкими металами ґрунтів, що межують з автошляхами, та ступінь їх нагромадження у органах рослин кукурудзи.

Об'єкт дослідження - реакції рослин кукурудзи на присутність важких металів у субстраті.

Предмет дослідження - закономірності нагромадження та розподілу важких металів у органах кукурудзи.

Методи досліджень - морфометричні, люмінесцентні, спектрофотометричні, хроматографічні та атомно-адсорбційні, статистична обробка результатів досліджень.

Наукова новизна одержаних результатів. Уперше досліджено зміни у вмісті каротиноїдів - в-каротину, лютеїну, неоксантину, віолоксантину, антераксантину та зеаксантину у листках кукурудзи сорту Закарпатська жовта зубоподібна під впливом іонів свинцю. Показано зниження вмісту основних каротиноїдів рослин - неоксантину, лютеїну та підвищення вмісту в-каротину, пігментів віолоксантинового циклу під впливом іонів свинцю у межах досліджуваних концентрацій. Доведено зростання толерантності проростків кукурудзи, пророщених на розчині ацетату свинцю з концентрацією 10^-5 М, до вищих концентрацій важкого металу. Отримано нові дані щодо закономірностей нагромадження калози у клітинних стінках епідермальних клітин кукурудзи залежно від концентрації свинцю в субстраті та стійкості проростків кукурудзи.

Практичне значення одержаних результатів. У результаті проведених досліджень встановлено анатомічні, біохімічні та фізіологічні зміни, що лежать в основі формування стійкості рослин до токсичного впливу іонів свинцю. Визначено рівень забруднення ґрунтів, що межують з автошляхами. Дані про акумуляцію важких металів - свинцю та кадмію, залежно від відстані до автошляху, а також розподіл іонів важких металів у органах рослин мають важливе значення для практики сільського господарства. На підставі лабораторних та польових досліджень обґрунтовано можливість використання кукурудзи для фіторемедіації забрудненого середовища.

Матеріали дисертації використовуються при викладанні загальних курсів “Фізіологія рослин”, “Основи екології” та спецкурсів “Стійкість рослин до несприятливих умов довкілля”, “Фітомоніторинг”, “Ріст і розвиток рослин” на біологічному факультеті Львівського національного університету імені Івана Франка.

Особистий внесок здобувача полягає в оволодінні методами досліджень, виконанні експериментальної частини дисертації, статистичній обробці результатів, підборі та опрацюванні даних літератури, а також в аналізі й інтерпретації одержаних результатів за участю наукового керівника, співавторів.

Апробація результатів дисертації. Основні положення дисертаційної роботи доповідалися на наукових конференціях та семінарах: Міжнародній конференції “Photosynthesis and Crop Production” (Київ, 2002), Міжнародній конференції студентів і молодих вчених “Екологічні проблеми міст і промислових зон: шляхи їх вирішення” (Львів, 2003), Науковій конференції “Gospodarowanie metodami ekologicznymi na tle zrуwnowaїonego rozwoju poіudniowo-wschodniej Polski” (Жешів, Польща, 2003), Міжнародному науково-практичному семінарі “Перспективність екологічних (органічних) технологій виробництва продукції землеробства і тваринництва” (Львів, 2003), IV Міжнародній науковій конференції “Промислова ботаніка: стан та перспективи розвитку” (Донецьк, 2003), III Міжнародній науковій конференції “Регуляция роста, развития и продуктивности растений” (Мінськ, Білорусія, 2003), VIII Молодіжній конференції ботаніків у Санкт-Петербурзі (Санкт-Петербург, Росія, 2004), ІІ Міжнародній конференції “Онтогенез рослин у природному та трансформованому середовищі. Фізіолого-біохімічні аспекти” (Львів, 2004), ІІ Міжнародній науковій конференції студентів, аспірантів та молодих вчених, присвячені й 140-річчю Одеського національного університету ім. І.І.Мечнікова (Одеса, 2005), Науковій конференції молодих учених “Mіodzi naukowcy - praktyce rolniczej” nt. “Dziaіalnoњж rolnicza a ochrona њrodowiska” (Жешів, Польща, 2005), Міжнародному науково-практичному семінарі “Перспективність екологічних (органічних) технологій виробництва продукції землеробства і тваринництва” (Львів, 2005), Міжнародній науковій конференції “Інноваційний розвиток сучасного аграрного виробництва” (Львів, 2005), Науковій конференції молодих учених “Сучасні проблеми фізіології рослин і біотехнології” (Ужгород, 2005), Міжнародній науково-практичній конференції “Молоді вчені у вирішенні проблем аграрної науки і практики” (Львів, 2006).

Публікації.

За матеріалами дисертації опубліковано 7 наукових праць, із них 6 статей у фахових виданнях, які затверджені переліком ВАК України, та 10 тез доповідей у матеріалах вітчизняних та міжнародних наукових семінарів і конференцій.

Структура та обсяг дисертації.

Дисертація складається із вступу, огляду літератури, опису матеріалів та методів дослідження, результатів та їх обговорення, висновків, рекомендацій для виробництва та списку використаних джерел. Робота викладена на 147 сторінках друкованого тексту, ілюстрована 7 таблицями та 22 рисунками. Список використаних літературних джерел містить 323 найменування.

2. МАТЕРІАЛИ ТА МЕТОДИ ДОСЛІДЖЕНЬ

Досліди проводили у лабораторних та польових умовах на рослинах кукурудзи (Zea mays L.) сорту Закарпатська жовта зубоподібна. У лабораторних умовах насіння пророщували на дистильованій воді та розчинах ацетату свинцю з концентраціями 10^-5, 10^-4, 10^-3 М у темряві в термостаті при температурі 240С. Тридобові етіоловані проростки переносили на розчини ацетату свинцю у концентраціях 10^-5, 10^-4, 10^-3 М. За контроль слугували рослини кукурудзи, вирощені на дистильованій воді без додавання ацетату свинцю.

Для забезпечення сталого іонного складу розчини замінювали кожні 2 доби. Проростки вирощували у контрольованих умовах освітлення (2,0-2,2 тис. лк), температури (20-25°С) та 14-годинному фотоперіоді (Казаков Є.О., 2000). Для аналітичних та гістохімічних досліджень використовували 10-добові проростки кукурудзи. Індекс толерантності розраховували у відсотках як відношення середньої довжини коренів рослин за наявності іонів свинцю у середовищі до середньої довжини коренів контрольних рослин (Wilkins D.A., 1987). Інтенсивність люмінесценції калози визначали на цитофлуорометрі ЛЮМАМ - Р3 (Ленінград, СРСР) (Брайон О.В., 1973, Демкив О.Т., Сытник К.М., 1985). Свіжі поперечні зрізи осьових органів зафарбовували протягом 10 хвилин свіжоприготовленим 0,005% розчином водорозчинного анілінового синього у 0,15 М розчині К2НРО4 (рН 8,2) (Дженсен У., 1965), які у подальшому розглядали під люмінесцентним мікроскопом ЛЮМАМ - Р3 (Ленінград, СРСР), де калоза мала жовте забарвлення. Вміст фотосинтетичних пігментів визначали фотометрично (Методы биохим. исслед. раст., 1987). Паралельно проводили розділення пігментів методом HPLC (Waligуrski P., 2004). Пігменти розділяли на колоні RP-18 (Nucleosil gel, 250x4 mm, 5µm, TECNOCROMA, Барселона, Іспанія), при пропливі сольвенту А 2 мл/хв. Абсорбцію пігментів вимірювали при 440 нм, використовуючи детектор UV-970 (Jasco Corporation, Токіо, Японія) (Garcнa-Plazaola J.I., Becerril J.M., 1999). Площу поверхні під піками вираховували за допомогою програми Program Borwin Chromatography, Software, Version 1,20 (YMBS, Le Fontanie, Франція). Активність карбоангідрази визначали за методом Уілбурга-Андерсена (Косицин А.В., Игошина Т.И., 1986).

Польові дослідження проводили протягом 2002- 2004 рр., на дернових опідзолених глеєвих легкосуглинистих ґрунтах міської ради міста Мостиськ Львівської області, які межували з автошляхом Львів - Шегині, і були не захищені лісосмугою. Попередник - картопля. Розміри дослідних ділянок становили 10Ч200 м, повторність дослідів - 4-кратна. Інтенсивність руху на автошляху Львів-Шегині - 400-850 автомашин за годину. Польові досліди проводили згідно з загальноприйнятими методиками (Циков В.С., 2003). Перед оранкою у ґрунт вносили гній з розрахунку 40 т/га. Рослинні та ґрунтові проби у польових умовах відбирали періодично протягом вегетаційного сезону. Врожай збирали ручним способом. Середній врожай зерна кукурудзи перераховували до 14% вологості (Грицаєнко З.М. та ін., 2003). Кількісне визначення вмісту важких металів проводили методом атомно-адсорбційної спектрометрії. Для визначення вмісту важких металів рослинний матеріал та ґрунт висушували за температури 800С до постійного значення. Вміст важких металів визначали на спектрофотометрі С-115 М 1 (“Селмі”, Україна) у пропан-бутановому полум'ї з використанням електротермічного атомізатора “Графіт-2” (“Селмі”, Україна) (Методические рекомендации..., 1981).

Отримані результати опрацьовані статистично з використанням програмного пакету Microsoft Excel для персональних комп'ютерів, достовірність різниці оцінювали за критерієм Ст'юдента, вірогідними вважали зміни, де Р < 0,05 (Плохинский М.П., 1981).

ВИСНОВКИ

Реакція рослин кукурудзи на дію іонів свинцю залежить від концентрації і тривалості дії стресора та проявляється у пригніченні росту осьових органів. Водночас реакція рослин кукурудзи, насіння яких пророщували на розчинах ацетату свинцю (10^-5 - 10^-3 М) та дистильованій воді, на вищі чи нижчі концентрації металу різко відрізняється.

Рослини кукурудзи сорту Закарпатська жовта зубоподібна здатні нагромаджувати важкі метали у вегетативних органах. Вміст кадмію у коренях кукурудзи у 2,1-3,0 рази перевищує його вміст у ґрунті. Нагромадження іонів свинцю у коренях кукурудзи зумовлює сильніший інгібуючий вплив важкого металу на ріст коренів кукурудзи порівняно з пагонами. Нагромадження калози у клітинних стінках епідермісу коренів та пагонів кукурудзи під впливом свинцю є протекторною реакцією клітин на дію полютанта. У нестійких до стресового чинника проростків кукурудзи нагромадження калози корелює з вмістом свинцю у середовищі. З підвищенням стійкості проростків кукурудзи до іонів свинцю захисна роль калози, ймовірно, зменшується. кукурудза рослинний епідерміс

Під впливом свинцю відбуваються зміни у фотосинтетичному апараті листків кукурудзи: збільшується співвідношення хлорофілів а/b внаслідок сильнішого зменшення вмісту хлорофілу b порівняно з вмістом хлорофілу а. Зменшення вмісту основних пігментів фотосинтезу - хлорофілу а та хлорофілу b, та допоміжних - лютеїну та неоксантину супроводжується істотним збільшенням вмісту сильного антиоксиданта - в-каротину.

Деепоксидаційний статус пігментів віолоксантинового циклу, що за впливу стресового чинника зростає у рослин з підвищеною стійкістю до свинцю та знижується у чутливих, може бути інформативним показником фізіологічного стану рослин. Фермент карбоангідраза виявилась чутливою до впливу іонів свинцю. Рослини з більшою стійкістю до впливу іонів свинцю характеризуються вищою активністю карбоангідрази порівняно з нестійкими.

На підставі аналізу індексу толерантності, вмісту фотосинтетичних пігментів та калози встановлено, що пророщування насіння кукурудзи на 10-5 М розчині свинцю сприяло адаптації проростків до дії вищих концентрацій металу. Найвищий вміст важких металів виявлено у ґрунтах, що знаходяться 0-25 метрів від автошляху. На листках кукурудзи нагромаджуються свинець та кадмій, який міститься у викидах автотранспорту. Тому для фітоочищення забрудненого важкими металами субстрату та попередження переміщення металоносного пилу рекомендується вирощувати кукурудзу на ґрунтах, що межують з автошляхами.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Головач О.М, Демків О.Т. Фіторемедіація - ефективний метод очищення забруднених важкими металами ґрунтів // Науковий вісник Львівської національної академії ветеринарної медицини імені С.З. Гжицького. - 2003. - Т. 5, №4. - С. 21-27.

2. Головач О., Козловський В., Демків О. Забруднення сільськогосподарських ґрунтів важкими металами та характер їх перерозподілу у рослинах кукурудзи // Вісник. Львів. Ун-ту, біологія. - 2004. - Випуск 38. - С. 205-211.

3. Головач О.М., Демків О.Т. Поглинання і розподіл іонів свинцю у органах рослин та реакція на токсичну дію іона // Науковий вісник Львівської національної академії ветеринарної медицини імені С.З. Гжицького. - 2005. - Т. 7, №2, Ч. 6. - С. 33-38.

4. Головач О.М., Демків О.Т. Вплив іонів свинцю на проростання і ріст рослин кукурудзи // Науковий вісник Львівської національної академії ветеринарної медицини імені С.З. Гжицького. - 2005. - Т. 7, №4, Ч. 1. - С. 2.

Размещено на Allbest.ru