referat

ВПЛИВ СЕЛЕНУ І ВАЖКИХ МЕТАЛІВ НА РІСТ І РОЗВИТОК МОХУ
FUNARIA HYGROMETRICA HEDW

О. Лобачевська, С. Маєвська

Інститут екології Карпат НАН України
вул. Козельницька, 4, 79026 Львів, Україна
E-mail: ecoinst@ instecoc.cscd.lviv.ua

        Невпинне зростання кількості та розмаїття полютантів у довкіллі призводить до дисбалансу взаємодії елементів і зміни екологічних умов. Уважають [3; 8], що внаслідок антропогенного впливу на стан довкілля, зокрема забруднення важкими металами і сіркою, посилюється прояв нестачі селену.
        Досліджено, що сполуки селену значно впливають на ріст мікроорганізмів і тварин [2; 13]. Нестача селену в раціонах зумовлює некротичну деградацію печінки, ураження підшлункової залози, кишківника та білом'язову дистрофію сільськогосподарських тварин. До селендефіцитних захворювань людини належать хвороба Кешана (кардіоміопатія) і хвороба Кашина-Бека (особлива зміна трубчастих кіcток) [6; 13]. Однак і надто високі концентрації елемента в середовищі або в раціонах негативно впливають на організми, спричинюючи сповільнення росту мікроорганізмів, хлороз і некроз листків рослин, "лужну" хворобу у тварин [7; 9].
        Участь селеновмісних сполук у біотичному окисненні, фотосинтезі та інгібуванні клітинного росту, а також терапевтична дія під час деяких захворювань тварин, без сумніву, цікаві і заслуговують на глибоке дослідження.
        На відміну від мікроорганізмів, тварин і людей, для вищих рослин необхідність селену не можна вважати доведеною. Наявність селену в рослинах і здатність акумулювати його із середовища [2; 8; 10] є лише побічними доказами поглинання елемента і спроможності рослин нагромаджувати його, як і інші важкі метали.
        Нашою метою було дослідження впливу селену і важких металів свинцю та кадмію на ріст і розвиток мохів.
        Об'єкт дослідження - поширений вид моху Funaria hygrometrica Hedw.
        Ми використовували молоду протонему, отриману зі спор. Протонему вирощували стерильно на агаризованому середовищі Кноп П з мікроелементами [11] у режимі 12-годинного освітлення (2500-3000 лк) при температурі 20 ± 2о С і вологості 90-95%. Динаміку проростання спор і швидкість росту протонеми досліджували в стерильних умовах шляхом підрахунку відсотка пророслих спор і щоденного приросту довжини протонеми протягом перших двох тижнів її розвитку.
        Важкі метали застосовували у вигляді солей CdCl2 і Pb(NO3)2. Робочі концентрації отримували шляхом розведення вихідної концентрації розчином Кноп П. Кадмій і свинець додавали перед стерилізацією у вигляді розчину їхніх солей з відповідними концентраціями. Суміші солей готували з робочих концентрацій.
        Найвищі діючі концентрації важких металів 0,06 мкмоль/л Cd2+ і 400 мкмоль/л Pb2+ використовували як робочі концентрації під час аналізу взаємовпливу елементів.
        У дослідах застосовували 0,01-100,0 мкмоль/л концентрації селену у вигляді водного розчину селеніту натрію Na2SeO3 в субстраті. Взаємовплив іонів селену з іонами важких металів досліджували у випадку їхньої сумісної дії та з кожним металом зокрема.
        Гаметофори дернинок вирощували з протонеми у горщиках з простерилізованим піском. Горщики з культурами обприскували один раз за тиждень протягом двох-трьох місяців: контрольний горщик - розчином Кнопа (1:5), а дослідні - відповідними концентраціями металів та їхніми сумішами, розведеними розчином Кнопа.
        Морфометричні аналізи гаметофорів виконували на матеріалі, отриманому в умовах лабораторної культури. Вимірювання довжини і ширини листків, підрахунок їхньої кількості та визначення приросту гаметофорів проводили окулярною лінійкою під бінокулярним мікроскопом "Jenaval".
        Інтенсивність люмінесценції хлорофілу в листках визначали за інтенсивністю червоної люмінесценції хлоропластів на цитофлуориметрі ЛЮМАМ-Р3. Вимірювання спектра люмінесценції хлорофілу проводили при максимальному пропусканні з Л=660 нм.
        Велика кількість селену земної кори зосереджена в розсіяних піритах і сульфідних рудах. Елемент тяжіє до деяких сульфідних мінералів, сірки, фосфоритів і оксиду заліза. Неоднорідний розподіл селену простежується не тільки в гірських породах, а й у грунтах [4]. Концентрація селену в різних типах грунтів змінюється в широких межах - від 1. 10-6 до 1. 10-3 % (приблизно від 10 до 1200 мкг/кг). Наприклад, грунти, які розвиваються на вулканічних і осадових породах, як звичайно, збагачені селеном. Оптимальні умови міграції елемента для організмів виникають на чорноземах і сіроземах, концентрація селену в яких не перевищує 4. 10-5 %. Кларк селену в грунтах становить 400 мкг/кг [9].
        Селен - один з найлеткіших елементів магми, в процесі вулканічної діяльності він інтенсивно виділяється в атмосферу разом з попелом і вулканічним газом. Завдяки цьому його виявлено і в атмосферних опадах, і в сніговій воді.
        У рослини селен потрапляє як з грунту, так і з опадів. У природних умовах токсикоз спостерігали переважно у тих видів, які слабко акумулюють елемент на грунтах і породах, збагачених селеном. Про токсичність селену для рослин зазначав ще в 1880 р. К. Камерон [2], який виявив ознаки хлорозу в рослин, вирощених на грунтах з додаванням сполук елемента. Ознаки селенової токсикації пшениці та інших зернових культур виявлялися у сповільненні росту, хлорозі листків, некрозах і передчасній загибелі. У цьому випадку хлороз поєднювався з появою рожевого забарвлення, яке змінювалося за інтенсивністю, однак виявлялося навіть у коренях.
        У результаті вирощування культури моху F. hygrometrica на середовищах з різними концентраціями селену (0,01-100 мкмоль/л) ми виявили, що лише високі його концентрації (50-100 мкмоль/л) сповільнюють розвиток мохової дернини: гальмують проростання спор, ріст і диференціацію протонеми моху. Внаслідок цього дернинки формуються витягнутими протонемними столонами, які слабко галузяться і зрідка утворюють бруньки гаметофорів.
        Нижчі концентрації селену (0,1-50,0 мкмоль/л) не впливають на швидкість росту протонеми моху, а лише сповільнюють диференціацію клітин. Як виявилося, лише найнижча концентрація селену (0,01 мкмоль/л), у порівнянні з контролем, стимулює галуження хлоронемних ниток і пришвидшує їхній перехід у каулонему (рис. 1).

       Рис. 1. Вплив металів на ріст F. hygrometrica:
               1 - контроль; 2 - 0, 06 мкмоль/л Cd2+; 3 - 400 мкмоль/л Pb2+;
              4 - 0,1мкмоль/л Se3+; 5 - 0,01мкмоль/л Se3+
        Отримані результати свідчать про те, що ріст і розвиток мохової дернини F. hygrometrica індиферентний до наявності селену в субстраті в досить широкому діапазоні концентрацій. Підвищення концентрації елемента зумовлює несуттєві зміни ростових процесів. Іони селену сприяють росту і розвиткові моху лише в разі дуже низьких концентрацій.
        На відміну від іонів селену, наявність у середовищі іонів важких металів зумовлює сильний токсичний вплив не тільки на проростання спор моху, а й на їхній розвиток. Найвища діюча концентрація кадмію (0,06 мкмоль/л) зменшує відсоток проростання спор і швидкість росту протонеми порівняно з контролем (див. рис. 1). Відмінність між варіантами виявляється на четверту добу після сіяння і поступово зростає зі старінням дернинок. Оскільки довжина клітин протонеми змінюється незначно, то зменшення швидкості росту столонів зумовлене переважно сповільненням темпу клітинних поділів.
        Аналогічні результати отримали у дослідах з внесенням до субстрату свинцю. На найвищій діючій концентрації свинцю (400 мкмоль/л) проростання спор сповільнюється більше ніж на дві доби порівняно з контролем і дослідами з кадмієм завдяки зниженню клітинних поділів і гальмуванню видовження клітин (див. рис. 1). Під впливом важких металів, таких як кадмій і свинець, сповільнюється процес диференціації утворених протонемних ниток на ризоїди і хлоронему, а потім і на каулонему. Якщо в контролі диференціація починається вже на другу добу після проростання спор, то під впливом іонів кадмію вона сповільнюється і починається лише на четверту добу. У дослідах зі свинцем процес диференціації порушується у більшості спор, ріст пророслих спор припиняється на початкових стадіях розвитку і лише в поодиноких протонемних нитках на шостий-сьомий день простежується утворення хлоронеми і ризоїдів.
        Взаємовплив селену з важкими металами спочатку вивчали для кожного металу зокрема. Досліджуючи взаємодію елементів, виявили, що селен посилює токсичність як кадмію, так і свинцю, тобто виявляє з ними синергічну дію (рис. 2).

        Рис. 2. Сумісний вплив селену і важких металів на розвиток протонеми моху F. hygrometrica:
              1 - контроль; 2 - 0, 06 мкмоль/л Cd2+ + 0,1 мкмоль/л Se3+; 3 - 0, 06 мкмоль/л
              Cd2+ + 0,01мкмоль/л Se3+; 4 - 400 мкмоль/л Pb2+ + 0,1мкмоль/л Se3+; 5 - 400
              мкмоль/л Pb2+ + 0,01мкмоль/л Se3+; 6 - 0, 06 мкмоль/л Cd2+ + 400 мкмоль/л
              Pb2+; 7 - 0, 06 мкмоль/л Cd2+ + 400 мкмоль/л Pb2+ + 0,01мкмоль/л Se3+

        Як свідчать отримані результати, синергізм у сумісній дії свинцю і селену виявляється сильніше, ніж у суміші кадмію і селену. Суміш селену і свинцю зменшує відсоток проростання спор (до 30-40%), сповільнює ріст протонеми та спричинює припинення розвитку і відмирання більшості утворених ниток унаслідок хлорозу та плазмолізу клітин. З літературних джерел відомо [8], що природні селенові токсикози посилюються під впливом деяких інших хімічних елементів-супутників селену (ванадій, молібден, хром, нікель, цинк і кобальт).
        Для з'ясування характеру взаємовпливу між важкими металами досліджували сумісну дію кадмію і свинцю на ріст протонеми F. hygrometricа. Виявлено, що між цими елементами є антагонізм: унаслідок взаємодії Cd2+ і Pb2+ у найвищих діючих концентраціях зменшується токсичність обох металів на розвиток мохів (див. рис. 2). На середовищі з обома металами (Cd2+ 0,06 мкмоль/л і Pb2+ 400 мкмоль/л) спори, як і в контролі, проростають вже на другу добу після сіяння та швидше диференціюються. Отже, суміш обох металів взаємовпливає не тільки на ріст протонеми моху, а й на диференціацію клітин.
        Провівши досліди з додавання різних концентрацій селену до суміші обох важких металів, з"ясували, що антагонізм взаємодії кадмію і свинцю найбільший на низьких концентраціях сполук селену (див. рис. 2).
        Отже, для селену виявлено синергічну дію з кадмієм, або свинцем зокрема, і посилення антагонізму взаємодії важких металів на найнижчих його концентраціях. Отримані результати дають підставу стверджувати, що селен по-різному взаємодіє з важкими металами і тому його не можна вважатися протектором токсичної дії забруднення середовища важкими металами.
        Досліджували і токсичний вплив важких металів на ріст гаметофорів моху F. hygrometrica. Обприскування металами спричинює зміну характеру їхнього росту і швидке побуріння стебел і листків (див.таблицю).
        Проникаючи у клітини, добре розчинні у воді іони важких металів негативно впливають на фізіологічні процеси і життєдіяльність рослин. Найтоксичнішою виявилася суміш свинцю із селеном, під впливом якої формувалися вкорочені стебла з густо розміщеними і зменшеними листками, в яких швидко буріли клітини (див.таблицю).
        У літературі вже описані [12] подібні зміни морфологічних ознак (зменшення розмірів листків, затримка росту, переважання розвитку кореневої системи над надземною) під дією важких металів, унаслідок чого рослини набувають ознак ксероморфності, які вважають виявом адаптації організму до стресових ситуацій.
        У дослідах важкі метали, спричинюючи деградацію хлорофілу, індукували хлороз листків і пришвидшували побуріння клітин листків і стебел. Як відомо, високі концентрації свинцю зумовлюють хлороз у рослинах здебільшого у результаті прямої або непрямої взаємодії цього металу із залізом у клітинах листків [1]. Досліджено, що суміш Cd2+ i Pb2+ найбільше знижує люмінесценцію хлорофілу в листках, що, очевидно, зумовлене інактивацією ферментів синтезу хлорофілу [5].
        На найнижчих концентраціях селену люмінесценція хлорофілу в листках зростає не тільки у дослідах з іонами одного металу, а й у випадку сумісної дії металів (див.таблицю). Під впливом іонів селену знижується хлороз листків, спричинений важкими металами, що, можливо, пов'язане з активацією ферментативних систем і збільшенням кількості АТФ, необхідного для акцептора СО2 [1]. Вплив полютантів на розвиток гаметофорів моху F. hygrometrica

Концентраціяполютанта,мкмоль/л	Розміри листків, мм		Довжина гаметофорів,мм	Інтенсивність люмінесценції хлорофілу листків, умовн. од.
	довжина	ширина
0 (контроль)	1.10 +/-/ 0.01	0.40 +/-/ 0.01	12.0 +/-/ 0.1	344.7 +/-/ 16.1
0.06 Cd2+	1.35 +/-/ 0.02	0.20 +/-/ 0.01	13.6 +/-/ 0.2	302.7 +/-/ 10.8
0.06 Cd2+ + 0.01 e3+	1.20 +/-/ 0.01	0.37 +/-/ 0.01	13.6 +/-/ 0.1	338.8 +/-/ 12.3
0.06 Cd2+ + 0.1 Se3+	1.50 +/-/ 0.01	0.41 +/-/ 0.01	13.5 +/-/ 0.2	293.1 +/-/ 13.6
400 Pb2+	0.78 +/-/ 0.02	0.20 +/-/ 0.01	9.8 +/-/ 0.1	226.2 +/-/ 9.6
400 Pb2+ + 0.01 Se3+	0.87 +/-/ 0.01	0.33 +/-/ 0.01	10.0 +/-/ 0.1	233.7 +/-/ 8.7
400 Pb2+ + 0.1 Se3+	0.80 +/-/ 0.01	0.30 +/-/ 0.01	8.8 +/-/ 0.1	242.4 +/-/ 10.5
0.06 Cd2+ + 400 Pb2+	0.77 +/-/ 0.03	0.26 +/-/ 0.01	22.0 +/-/ 0.2	204.5 +/-/ 7.0
0.06 Cd2+ + 400 Pb2++ 0.01 Se2+	1.10 +/-/ 0.03	0.37 +/-/ 0.02	23.4 +/-/ 0.1	268.6 +/-/ 12.6
0.06 Cd2+ + 400 Pb2++ 0.1 Se2+	0.80 +/-/ 0.01	0.28 +/-/ 0.01	23.5 +/-/ 0.1	221.5 +/-/ 10.3
0.01 Se2+	0.92 +/-/ 0.01	0.31 +/-/ 0.01	20.6 +/-/ 0.2	394.6 +/-/ 10.0
0.1 Se2+	0.94 +/-/ 0.02	0.36 +/-/ 0.01	20.2 +/-/ 0.1	395.0 +/-/ 10.4

Наведені результати свідчать про те, що біологічна потреба селену надзвичайно обмежена. Якщо селен і є необхідним для вищих рослин, то ця потреба в дуже незначних кількостях.
Отже, зі зниженням концентрації селену в середовищі синергізм взаємовпливу елементів набуває антагоністичного характеру,а з її збільшенням простежується зворотна залежність - токсичність важких металів зростає.

Гуральчук Ж.З. Механизмы устойчивости растений к тяжелым металлам // Физиология и биохимия культурных растений. 1994. Т. 26. № 2. С. 107- 117.
Ермаков В.В., Ковальский В.В. Биологическое значение селена. М.,1974.
Кирпичников Н.А., Черных Н.А., Черных И.Н. Влияние антропогенных факторов на распределение тяжелых металлов в почвах ландшафтов юга Московской области // Агрохимия.1993. № 2. С. 93-101.
Кононова Н.И. К вопросу о биогеохимии селена в различных геохимических условиях // Микроэлементы в СССР. 1992. Вып. 33. С. 43-48.
Мельничук Ю.П. Влияние ионов кадмия на клеточное деление и рост растений. К., 1990.
Мецлер Д. Биохимия. - М., 1980. Т. 3.
Селен в биологии // Материалы третьей науч. конф. Баку, 17-19 ноября 1977 г. Баку, 1981. С. 3-183.
Торшин С.П., Удельнова Т.М., Конова Н.И. и др. Селен в депонирующих средах нечерноземной зоны европейской части России и агрохимический метод коррекции дефицита селена // Экология. 1996. № 4. С. 253-258.
Ягодин Б.А. Микроэлементы в биологии и их применение в сельском хозяйстве и медицине. Архангельск,1990. Т. 1.
Banuelos G.S., Meek D.W. Accumulation of selenium in plants grown on seleniumtreated soil // J. Environ. Qual. 1990. Vol.19. P. 772-777.
Kofler L. Contribution a l'etude biologique des mousses cultivees in vitro: germination des spores, croissance et developpement du protonema chez Funaria hygrometrica // Rev. bryol. et lichenol. 1959. Vol.28. N1/2.
Proctor J., Woodell S.R.J. The ecology of serpentine soil // Adv. Ecol. Res. 1975. N 9. P. 255-366.
Stadtman T.C. Selenium Biochemistry // Science. 1974. Vol. 183. N 4128. P. 915-922.