Львівський національний університет імені Івана Франка,
вул. Грушевського, 4, 79005, Львів, Україна
Е -mail: biofr@franko.lviv.ua
Останніми десятиріччями значно посилився вплив антропогенного чинника на біосферу Землі, що призводить до екологічного дисбалансу в навколишньому середовищі. Особливо небезпечне забруднення повітря, води, ґрунту та рослинності хімічними елементами, зокрема важкими металами, рівень яких зростає внаслідок техногенного пресу на довкілля.
Досліджено, що в багатьох регіонах вміст важких металів у ґрунті, воді і повітрі значно перевищує допустимі концентрації [3,5]. Завдяки високій токсичності і здатності акумулюватися в рослинах, що сприяє їхній міграції у трофічних ланках біосистем, важкі метали можуть спричинити дистрофічні зміни в організмах. З’ясовано, що функціональна активність іонів важких металів пов’язана із їхньою здатністю витісняти життєво необхідні мікроелементи з активних центрів ферментів та структурних білків, а це призводить до змін функціональної активності та структурної організації клітин [10].
Один із найтоксичніших і поширених елементів у біосфері - свинець, вплив якого ми досліджували на рослинах кукурудзи. В літературі є багато даних про вплив свинцю на рослинний організм, зокрема описано зменшення вмісту фотосинтетичних пігментів, інтенсивності фотосинтезу, синтезу крохмалю, органічних кислот, сповільнення поглинання мінеральних елементів живлення тощо [2,7,8,9,11,12]. Однак експериментальних даних, які б пояснювали дію металу на біохімічному рівні, ще недостатньо.
Наша мета – дослідити часову і концентраційну дії іонів свинцю на активність АТФаз, ферментів, пов’язаних з активним транспортом іонів. Кожна з відомих АТФаз відповідає за важливу функцію. Зокрема, К+, Na+-АТФаза мітохондрій бере участь у транспортуванні іонів [4], Са2+- та Mg2+АТФази вважають компонентами спряженого чинника, який забезпечує синтез АТФ у електронтранспортному ланцюгу [1]. Хоча функції та властивості різних рослинних АТФаз ще не достатньо вивчені, не викликає сумніву їхня важливість для організму. Свинець має властивості вступати в ковалентні зв’язки з різними молекулами, що викликає зміни у метаболізмі. Є дані про вплив свинцю на ліпідний склад мембран і зміни активності Mg2+-АТФази у рослин [1]. Локалізація АТФаз у клітині також пов’язана зі структурами, які беруть участь у транспортуванні речовин і постачанні енергії для процесів поглинання [4].
Об’єктом наших досліджень були рослини кукурудзи сорту Закарпатська жовта зубоподібна. Насіння, попередньо продезинфіковане розчином перманганату калію, пророщували в затемненому термостаті при +25°С. Тридобові паростки для подальшого росту поміщали в умови водних культур на розчин ацетату свинцю у концентраціях 10 і 1 мг/л, 10 і 1 мкг/л. Контролем були рослини, вирощені на дистильованій воді. Ростові показники та активність ферментів вивчали у 5-, 8-, 12- та 16-добових рослин. Щоб послабити негативну дію свинцю на рослини, їхню надземну частину обприскували фізіологічно активною речовиною – піразолоном (С5H40). Відомо, що піразолон у дііміноформі утворює похідні антипірину, амідопірину й анальгіну, які можуть формувати комплекси з іонами важких металів. Тому 10-добові рослини кукурудзи п'ять разів обприскували 1%-ним розчином піразолону. Активність Mg2+- та К+, Na+- АТФаз визначали згідно із методикою (6).
Результати наших досліджень дали змогу виявити активне поглинання свинцю коренями рослин, що зумовлено високою спорідненістю свинцю з карбоксильними групами компонентів матриксу клітинних стінок, які здатні утримувати велику кількість двовалентних іонів. Завдяки цьому понад 70% поглинутого свинцю затримують тканини кореня, а в листках осідає близько 30%.
Зазначимо, що негативна дія свинцю на рослини кукурудзи посилюється з часом і на 16-ту добу (фаза трьох листків) спостерігаються помітні зміни - в’янення та скручування листків, яскравий хлороз та зміна забарвлення коренів у рослин. які росли на високих концентраціях ацетату свинцю. Збільшення концентрації свинцю в розчині призводить до зростання інгібуючого впливу на ріст коренів та пагонів рослин. Однак гальмування росту помітніше у коренів, сира маса яких зменшується залежно від концентрації і часу дії свинцю на 19.3-63.3% щодо контролю. Це може бути пов’язане з тим, що велику кількість свинцю поглинають корені, мобілізують диктіосоми, а також він відкладається в клітинній стінці. Наявність у стінках клітин заряджених груп – карбоксильних, гідроксильних, фосфатних – сприяє зв’язуванню катіонів свинцю завдяки силам електростатичного притягання та специфічного зв’язування за типом хелатування.
Результати наших досліджень свідчать, що обробка рослин піразолоном знімає токсичну дію свинцю на ростові процеси, зокрема у пагонів рослин, що росли на концентрації 1 мг/л, висота яких переважала контрольні рослини на 17%.
Визначаючи активність К+, Na+ - АТФаз у рослинах кукурудзи, ми виявили незначне інгібування при концентрації свинцю 10 і 1 мг/л та активацію ферменту низькою концентрацією свинцю – 10 і 1 мкг/л (табл. 1).
Ефект інгібуючої дії свинцю на активність АТФаз зі збільшенням його концентрації в середовищі залежить, можливо, від високої спорідненості з SH-групами АТФаз, потрібних для їхньої каталітичної активності. Щодо стимулювальної дії малих концентрацій свинцю на АТФазну активність, то цей ефект є, ймовірно, наслідком стресу у рослин, коли у відповідь на дію свинцю збільшується витрата АТФ. У цьому разі порушується гомеостаз, однак починають діяти компенсаторні механізми, які відновлюють його, що забезпечує інтенсифікацію біохімічних процесів і збільшення активності АТФаз. Також зазначимо, що дія свинцю на активність АТФаз більша в коренях, ніж у пагонах, що пов’язано з вищим вмістом металу, який у коренях адсорбується і нагромаджується.
Таблиця 1
Активність К+-Na+-АТФази у рослин кукурудзи у процесі дії свинцю,
мкМ Р на 1 мг білка за 1 год
Концентрація свинцю Pb(CH3COO)2 | Орган | |||
Корені | Пагони | |||
М±m | % до контролю | М±m | % до контролю | |
5 діб | ||||
Контроль (H2O) | 1,60±0,01 | 100 | 3,19±0,09 | 100 |
10 мг/л | 1,46±0,08 | 93 | 3,04±0,05 | 96 |
1 мг/л | 1,53±0,02 | 96 | 3,15±0,08 | 98 |
10 мкг/л | 1,68±0,05 | 105 | 3,49±0,05 | 104 |
1 мкг/л | 1,76±0,05 | 109 | 4,97±0,05 | 107 |
16 діб | ||||
Контроль (H2O) | 1,60±0,11 | 100 | 3,30±0,06 | 100 |
10 мг/л | 1,15±0,07 | 72 | 2,64±0,08 | 80 |
1 мг/л | 1,32±0,09 | 83 | 2,75±0,12 | 86 |
10 мкг/л | 1,80±0,05 | 113 | 3,69±0,07 | 115 |
1 мкг/л | 20,1±0,07 | 126 | 3,89±0,09 | 121 |
16 діб + піразолон | ||||
Контроль (H2O) | 1,61±0,07 | 100 | 3,25±0,10 | 100 |
10 мг/л | 1,41±0,10 | 88 | 2,91±0,08 | 90 |
1 мг/л | 1,51±0,07 | 94 | 3,04±0,04 | 93 |
10 мкг/л | 1,75±0,05 | 109 | 3,34±0,04 | 105 |
1 мкг/л | 1,80±0,05 | 112 | 3,61±0,04 | 106 |
Щодо вікового чинника, зазначимо таке: активність АТФаз суттєво змінюється із ростом рослин на розчинах зі свинцем. У цьому випадку більше інгібування виявлено в коренях, ніж у пагонах рослин, що, як уже відомо, є наслідком інтенсивного поглинання коренями свинцю. Наведені в табл. 1 і 2 дані свідчать також про однотипність дії різних концентрацій свинцю на активність Mg2+ і К+, Na+- АТФаз.
Таблиця 2
Активність Mg2+-АТФази у рослин кукурудзи у процесі дії свинцю
мкМ Р на 1 мг білка за 1 год
Концентрація свинцю Pb(CH3COO)2 | Вік і орган | |||
Корені | Пагони | |||
М±m | % до контролю | М±m | % до контролю | |
5 діб | ||||
Контроль (H2O) | 3,00±0,01 | 100 | 4,48±0,10 | 100 |
10 мг/л | 2,79±0,03 | 93 | 4,21±0,06 | 94 |
1 мг/л | 2,88±0,02 | 96 | 4,25±0,09 | 95 |
10 мкг/л | 3,12±0,03 | 104 | 4,61±0,08 | 105 |
1 мкг/л | 3,24±0,02 | 108 | 4,97±0,05 | 107 |
16 діб | ||||
Контроль (H2O) | 3,18±0,06 | 100 | 4,70±0,04 | 100 |
10 мг/л | 2,35±0,06 | 74 | 3,47±0,03 | 79 |
1 мг/л | 2,54±0,03 | 80 | 4,08±0,05 | 87 |
10 мкг/л | 3,65±0,04 | 115 | 5,35±0,05 | 114 |
1 мкг/л | 3,81±0,03 | 120 | 5,73±0,01 | 122 |
16 діб + піразолон | ||||
Контроль (H2O) | 3,13±0,04 | 100 | 4,72±0,05 | 100 |
10 мг/л | 2,75±0,05 | 88 | 4,43±0,02 | 92 |
1 мг/л | 2,87±0,03 | 92 | 4,48±0,02 | 95 |
10 мкг/л | 3,44±0,04 | 110 | 4,95±0,04 | 105 |
1 мкг/л | 3,59±0,01 | 115 | 5,14±0,03 | 109 |
Піразолон послаблює токсичну дію свинцю на активність АТФаз. У цьому випадку ефективність піразолону вища у рослин, які росли на високих концентраціях свинцю, і не помітна у рослин, які росли на низьких концентраціях. Можливо, це пов’язано з тим, що піразолон зв’язує надлишки свинцю, утворюючи з ним комплекси.
Отже, у низьких фізіологічних концентраціях (1 та 10 мкг/л) ацетат свинцю виявляє стимулювальну дію на ріст рослин кукурудзи в перші 16 діб росту, а в концентрації 1 та 10 мг/л – інгібуючу. Унаслідок цього простежується, відповідно, активування або інгібування активності К+, Na+- та Mg2+АТФаз. Піразолон діє як антиоксидант і нівелює інгібуючий вплив високих концентрацій свинцю.
___________________
1. Андреева И.Н. Локализация Ca2+, Mg2+АТФаз, идентифицированных в клетках клубеньков люпина желтого. Электронно-микроскопическое исследование // Докл. АН (Россия).1992. Т.325. №3. С.633-635.
2. Демків О.Т., Хоркавців Я.Д., Кардаш О.Р., Речевська Н.Я. Вплив свинцю на ферментативну активність в клітинах протонеми Funaria hydrometrica Hedw // Укр. ботан. журн. 1997. Т.54. №4. С.337-341.
3. Ильин В.Б. Буферные свойства почвы и допустимый уровень ее загрязнения тяжелыми металлами //Агрохимия. 1997. №11. С. 65-70
4. Палладина Т.А. Ионстимулируемые АТФазы растительных тканей // Успехи совр. биологии. 1987. Т.74. Вып.2. С.292-303
5. Сатаева Л.В., Вертинская Г.К., Малахов С.Г. Загрязнение атмосферного воздуха, природных вод и почв. М.,1990. С. 3-8
6. Сидоренко А.А. Методы физиолого-биохимического исследования водорослей в гидро-биологической практике. К., 1975.
7. Степанюк В.В. Влияние высоких доз свинца на элементарный состав растений // Агрохимия. 1998. №7. С.69-76
8. Терек О.І., Баранов В.І., Ігнатьєва-Грановська О.А., Комісарчук Ю.А. Вплив свинцю на ростові та деякі фізіолого-біохімічні показники у рослин // Вісн. Львів. Ун-ту. Сер. біол. 1997. Вип.24. С. 3-8
9. Тужилкина В.В., Ладанова Н.В., Плюснина С.Н. Влияние техногенного загрязнения на фотосинтетический аппарат у сосны // Экология, 1998. №2. С. 3-8
10. Феник С.И., Трофимляк Т.Б., Блюм Я.Б. Механизмы формирования устойчивости растений к тяжелым металлам // Успехи совр. биол. 1995. Т.115. Вып.3, С. 261-275
11. Barcelo J., Poshenrieder Ch. Plant water relations as affected by heavy metal stress: a review // J. Plant Nutr. 1990.Vol. 13. №1. P.1 – 37.
12. Terek O.I., Terek K.V., Zeruk V.V. The toxic influence of lead on maize plants // Stress of life: Stress and Adaptation from Molecules to Man. Budapest, Hungary, 1997. P. 36