Пути поступления тяжелых металлов в растения и их влияние - Влияние свинца и кадмия на активность окислительно-восстановительных ферментов урбанозема и фитоэкстракция тяжелых металлов

Важное место за оценкой экологического состояния природной среды и создания методик по охране окружающей среды от загрязнения ТМ отведено огромное место для изучения их аккумуляции растениями. Исходя из этого, все ТМ, проникая в растения, делятся на: 1) металлы, участвующие в метаболизме (Fe, Cu, Mn, Мо), становясь токсичными, если их уровень превышает необходимый для растений, и 2), металлы, не принимающие участия в метаболизме растений, которые токсичны доже в очень низких концентрациях (Pb, Cd, Hg), (Siedlecka, 1995).

Основные пути поступления ТМ в растения - это апоплазматический и симплазматический. Апоплазматический путь проходит по свободному пространству клеточных оболочек и межклетников, по принципу диффузии и потока воды, с растворенными в ней ТМ. Химические элементы, поступая в растения по этому пути, возрастают с увеличением их количества в почвенном растворе. При поступлении апоплазматическим путем ионы многих металлов преимущественно накапливаются в вегетативных частях растений. При накоплении ионов металлов в репродуктивных органах растений свойственен симплазматический путь. Помимо поступления ТМ в растительные организмы через корни, существует еще один путь - поглощение металлов через листовую поверхность. Содержащаяся в атмосфере растворенная пыль вследствие интенсивного развития промышленности и автотранспорта, способна проникать как прямо в устьица, так и диффундировать через покровные ткани листовой пластинки. При этом скорость проникновения элементов в организм зависит от толщины кутикулы. Поступление ТМ в растения обусловлено влиянием множества факторов, важнейшими из которых являются: свойства почв и динамика почвенных процессов, химические свойства металлов, состояние и трансформация их соединений, физиологические особенности растений (Матвеев и др., 1997).

Pb и Cd растения поглощают из двух видов источников: почвы и воздуха. Существуют два механизма поступления ТМ в растения: метаболический (активный - процесс поглощения клеткой против градиента концентрации) и неметаболический (пассивный - перенос ионов с градиентом их концентрации) (Lux et al., 2011).

Пассивном транспорт ТМ осуществляется в клетку при помощи трех каналов, в соответствии с законами осмоса и диффузии. Напротив активный транспорт ТМ в клетку идет с затратой энергии и сопровождается выборочным поглощением ионов из раствора. Условия внешней среды значительно влияют на соотношение активного и пассивного механизма поглощения веществ. (Uraguchi, Fujiwara, 2012; Khan et al., 2014).

По научным данным считать, что в основном ТМ перемещаются в надземные органы по апопласту, иногда транспорт ТМ идет по симпласту, что в свою очередь представляет угрозу отложения ТМ в клетках стеблей и листьев (Нестерова, 1989). Имеется также, что ТМ поступают апопластически в вегетативные части растений, а симпластически в репродуктивные органы (Алексеев, 1987).

По описанию А. Н. Нестеровой (1989), основной путь поступления Pb и Cd представлен двухэтапным поглощением, транспорт по апо и симпласту до эндодермы и в базальные участки корня. Далее происходит их проникновение в центральный цилиндр через молодую эндодерму поясками Каспари и частично через избирательно проницаемые мембраны протопласта в эндодерме, дальнейшее поступление части ионов или комплексных соединений металлов происходит по ксилеме в надземные органы.

Большим препятствием на пути поступления ТМ в надземные органы является корневая система растения. Она включает в себя слой клеток протодермы с прилегающими клетками меристемы, эндодерму и клетки центральной части апикальной меристемы (Серегин, Иванов, 1997).

Существуют механизмы, которые уменьшают концентрацию поступления ТМ в ризосфере. Клетки корня выделяют слизи, способные связывать металлы в почве, ограничивая тем самым их проникновение в растение (Милевская, 2007).

Также растения выделяют в ризосферу целый ряд соединений, связывающих ионы ТМ и осаждающих их на поверхности корня. Эти соединения называются органические кислоты, аминокислоты, фенолы, пептиды, ферменты (в частности, редуктазы). Благодаря этому, создается своеобразный барьер для проникновения свободных токсичных ионов в клетки корня растений (Чиркова, 2002). Растения семейства Poaceae помимо органических кислот выделяют в ризосферу фитосидерофоры - органические вещества, которые синтезируются из метионина и принадлежат к семейству мугеиновых кислот. Основной функцией фитосидерофоров является хелатирование, необходимое для лучшего его поглощения. Фитосидерофоры играют важную роль в поглощении цинка и в усилении поглощения растениями Cd. Так, выделение фитосидерофоров приводило к увеличению количества металла в клетках их корней. (Suzuki et al., 2008).

Кроме корневого у растений существуют еще как минимум два физиологических барьера, где возможно связывание тяжелых металлов: на границе корень-стебель и стебель-соцветие (Ильин, 1991).

Существуют почвенные факторы, которые влияют на поступление ТМ из почвы в растения такие как, тип почвы, рН почвы, форма нахождения ТМ и ее гранулометрический состав, содержание органических веществ (Гомонова и др., 2007; Синдирева и др., 2012).

К примеру, по исследованиям Гуннарссона (Gunnarsson, 1983), при снижении рН почвы с 7 до 5.5 содержание Cd в тканях райграса возрастало в 4 раза. В большинстве случаев поглощение ионов ТМ растениями находится в прямой зависимости от их доступного содержания в почве или почвенном растворе, например, в виде свободных ионов. Поглощение ТМ, кроме того, зависит от видовых особенностей растения и от фазы развития. Известно, что активное поглощение металлов наблюдается на ранних фазах онтогенеза, а у злаковых и в период созревания семян (Ильин, 1991).

Заметное влияние на растения может оказывать и поступление Pb и Cd из воздушных источников через листья. Делится на неметаболическую - проникновение через кутикулу (которое рассматривается как главный путь поступления) и метаболическую - накопление против градиента концентрации (Егошина, Шихова, 2008).

Металлы могут переноситься при поглощении листьями в другие органы и ткани растения, а также и в корни (Нестерова, 1989; Плеханова, Обухов, 1992;). Захваченные листьями металлы могут вымываться дождевой водой, так например, Pb легко удаляется с поверхности листа, потому что, присутствует в виде осадка (Reese, Roberts Robert., 1985), в отличие от Cd, который мало смывается и проникает в листья растений (Kabata-Pendias et al., 2005).

Прямой связи между корневым и воздушным поглощением ТМ в растительных тканях довольно трудно обнаружить, так как зависимости концентрации металла в окружающей среде и в растениях, не существует (Минкина и др., 2015).

Установлено, что чрезвычайно легко поглощаются растениями ионы Cd, Br, Cs (Kabata-Pendias et al., 2005). Pb медленнее других тяжелых металлов поступает в растения и транспортируется в надземные органы (Серегин И. В., Кожевникова А. Д., 2008).

Как правило, Pb, поглощенный корнями, накапливается в клеточных стенках. Там он связывается полиуроновыми кислотами полисахаридов. В коре корня Pb преимущественно передвигается по апопласту, в стеле он распределяется внутриклеточно. Существует два вида транспорта Pb и Cd из корней в надземные органы: по флоэме и ксилеме (Lane, Martin, 1982; Минкина и др., 2011). На ранних стадиях роль энтодермы корня растения развита слабо, поэтому Pb проникает в ксилему и уже оттуда в надземные части (Нестерова, 1989).

Поглощение Pb растениями происходит через листья из переносимого воздуха. Однако он плохо проникает в лист и почти не передвигается в нем. Так как барьером для него выступают эпидермис и особенно кутикула и наоборот, в условиях повышенной концентрации металла, может попадать до половины содержащегося в атмосфере Pb (Алексеев, 2015).

От видовых особенностей растения зависит поступление Pb в растения как корневым, так и воздушным путем. К примеру, большое количество Pb способны поглощать растения из семейств Rosaceae, Vacciniaceae и Роасеае (Милевская, 2000). По описаниям С. Ф. Покровской (1995), коэффициент биологического поглощения Pb для многих растений (овес, кукуруза, горох и т. д.) составляет 0,001-0,005, а Cd для этих же культур - 0,01-0,5. Отсюда следует, что одни и те же виды растений поглощают значительно больше Cd, чем Pb.

Влияние свинца и кадмия на организм человека: Данные Всемирной организации здравоохранения (ВОЗ) утверждают, что более 70% болезней вызвано выхлопными газами автомобилей (Шахраманьян, 2003). Известно, что в 150 городах России выбросы от автотранспорта намного превышают промышленные выбросы (Государственный..., 2008).

Соединения ТМ, поступающих в организм человека и их механизмы действия, не до конца известны. Существует предположение, что Pb является биологическим протектором при кадмиевой интоксикации (Гичев, 2003).

Биологическая роль Pb весьма мало изучена. Однако есть сведения, (Соколов, Черников, 1999), утверждающие, что малое количество металла жизненно необходимо для животных организмов, на примере крыс. Животные испытывают недостаток этого элемента при концентрации его в корме менее 0,05-0,5 мг/кг (Ильин, 1991; Кулинский, 1999).

Pb, относительно Hg и Cd, является менее токсичным, ввиду его меньшей подвижности в разных системах природной среды. Длительное воздействие Pb или превышающий показатель ПДК, способствуют негативному воздействию на здоровье человека. Он, проникая в организм, вызывает постоянные отравления с такими клиническими проявлениями как: поражение костного мозга, нарушение центральной и периферической нервной системы, изменение состава сосудов и крови (Понизовский, Мироненко, 2001).

При отравлении с Pb под удар вначале попадает нервная и кроветворная системы. Сильному свинцовому отравлению подвержены особенно дети. В организме у взрослых выводится Pb до 90 %, тогда как, у детей не выше 60 %.

Известно, что Pb у взрослых людей, в большей степени, накапливается в костях, а у детей от 30 до 40% откладывается в мозговой ткани и во внутренних органах. Признаками свинцового отравления служат: мышечная боль, анемия, постоянные головные боли. Pb - яд мутагенного и эмбриотропного характера. Однократный прием Pb для человека в дозе 155-454 мг на кг веса является летальный исход (Сотников, и др., 2013).

Cd, относительно Pb, аккумулируется в организме животных и человека значительно сильнее, потому что он легко усваиваясь из воды и пищи, который в дальнейшем попадает в органы и ткани (Сенцова, Максимов, 1985). Уже даже малая концентрация металла проявляет свою высокую токсичность. Избыток Cd способен ингибировать синтез ДНК, белков и нуклеиновых кислот, оказывает влияние на активность ферментов. К вышесказанному, можно добавить, что Cd нарушает усвоение и обмен некоторых микроэлементов (Se, Zn, Cu, Fe), вызывая их дефицит (Гальченко, 2002).

Характерной особенностью Cd в организме человека является его длительное удержание, которое сопровождается большим периодом полувыведения - 25 лет, отсутствием механизмов гомеостатнчеекого контроля. Проникает Cd в организм на тканевом уровне и в процессе всасывания. Преимущественно, накапливается в почках и печени, способен взаимодействовать с двухвалентными металлами.

Проявляет интоксикацию в нарушении почечной функции, анемии, остеомаляции, легочной недостаточности, и потере обоняния. Предполагают, что Cd участвует в развитии сердечно-сосудистых заболеваний и возможным канцерогенным эффектом (Сенцова, Максимов, 1985; Brown, 1999). Сильная интоксикация кадмием проявляется болезнью итай-итай.

Основными признаками служат: деформация скелета с видимым уменьшением роста, утиная походка, поясничными болями, боль в мышцах ног. Также, наблюдаются размягчение костей и их переломы при кашле, гипохромная анемия, изменения в желудочно-кишечном тракте, дисфункция почек, нарушение функции поджелудочной железы и др. (Abriano, 2001; Мотузова.2009).

Похожие статьи