Фитоиндикация тяжелых металлов на примере нитрата кадмия
Авторы: Анциферова И., Хорина А.,
Профессиональный лицей садово-паркового
и ландшафтного искусства № 311
Научный руководитель: Сафонов С.И.
г. Москва
Цель: – Поиск новых биотестов и их применения для выявления эффектов тяжелых металлов.
Задачи:
– Выявление действия нитрата кадмия на рост проростков огурца
– Выявление морфологических изменений коней в зависимости от концентрации и времени пребывания в растворе
Литературный обзор
Фитотоксичность тяжелых металлов (ТМ) и устойчивость к ним растений зависят от многих условий. Существуют виды растений, способные концентрировать определенные металлы без видимых признаков угнетения. О механизмах устойчивости различных видов растений пока мало сведений. Устойчивость растений к одному металлу, как правило, не распространяется на другие. Можно предположить, что данные свойства организма находятся под генетическим контролем и могут использоваться при решении задач, связанных с выбором растений, наиболее выносливых к условиям повышенного загрязнения ТМ.
Таким образом, можно подбирать растения, накапливающие значительное количество ТМ без признаков угнетения, тем самым, связывая их на значительное время, уменьшая скорость их миграции в окружающей среде.
К.
Стайл установил фитотоксичность кадмия, хрома, меди, цинка, свинца, составив
следующий убывающий ряд фитотоксичности Cd < Ni <Cu < Zn < Cr < Pb. Было
установлено также, что токсичность одного металла в чистом виде меньше, чем в
сочетании с другими ТМ.
В последние 10-15 дней появилось много публикаций о влиянии кадмия на растения. Оказалось, что кадмий подавляет рост, фотосинтез, дыхание, активность ферментов. На почвах с повышенным содержанием кадмия заметно снижаются урожаи и увеличивается количество кадмия в продукции, являющейся источником питания для человека. Наиболее общими показателями токсичности кадмия являются хлороз, появление пурпурной окраски, скручивание листьев и задержка роста. В основе токсичного действия ТМ лежит их способность связываться с органическими молекулами, функциональными группами белков. При этом возможен перевод ряда элементов в труднодоступные формы. Отмечено также ингибирование ряда ферментов и снижение метаболической активности.
Известен ряд случаев, когда кадмий оказывает стимулирующее действие. Ионы кадмия способны активировать ростовые процессы. Есть основания считать, что ионы кадмия в низких концентрациях ускоряют деление клеток перицикла и стимулируют образование боковых корней. Обработка семян гороха ионами кадмия увеличивает гидролиз запасных белков и приводит к более интенсивному исполнению продуктов гидролиза для нового синтеза.
Из литературы известно, что у большинства видов растений кадмий локализуется в надземной сфере. Однако остается неизвестным, каковы пределы выносливости некоторых широко распространенных культур, которые используются в пищу. Поиск ответов на этот и другие вопросы составляет основную цель этой работы.
Материалы и методы исследования
В качестве тест-объекта был выбран огурец посевной, как наиболее распространенная овощная культура. Как оказалось в последствии, это очень удобный тест-объект, который отвечает всем требованиям. Растительные тесты – в большинстве своем краткосрочные тесты, не требующие больших материальных затрат. Среди растений много мелких видов, которые удобно содержать в лабораторных условиях. Также, в онтогенезе растений есть период, когда они особенно чувствительны к различным воздействиям и удобны для исследования. Этот период – период прорастающего семени.
В эксперименте использовались семена огурца посевного. Проростки получали проращиванием семян в чашках Петри по 6 штук на фильтровальной бумаге, при tº 23-25º C. Повторность трехкратная. Когда длина первичного корня достигала 8-11 мм, проростки переносили на фильтровальную бумагу, смоченную дистиллированной водой (контроль) или водным раствором Cd NO3 (рабочие концентрации 10-3М; 10-4М; 10-5М). Длину корней проростков и зону боковых корней измеряли линейкой через 24, 48, 72, 96, 120, 144, 168 часов. Тогда же фиксировали морфологические изменения.
Из полученных данных по приросту находили среднее значение, заносили в таблицы и строили концентрационные кривые.
Результаты
Семена огурцов начинают прорастать на вторые сутки после замачивания при tº 23-25º C. К этому моменту длина проросших корешков составляет 8-11 мм. Такие проростки брали как исходные (0 в таблицах и графиках).
Результаты эксперимента занесены в таблицы 1 и 2 и представлены на графиках 1 и 2.
Таб.1.
Влияние ряда концентраций нитрата кадмия на рост корней проростков огурца, мм
|
Концентрация\Время |
0 ч. |
24 ч. |
48 ч. |
72 ч. |
96 ч. |
120 ч. |
144 ч. |
168 ч. |
|
Контроль |
11,4 |
24,5 |
39,4 |
54,5 |
64,5 |
92,5 |
109 |
121 |
|
Cd(NO3)2 10-3м |
11,3 |
16,5 |
16,6 |
18,2 |
18,2 |
18,4 |
18,5 |
18,7 |
|
Cd(NO3)2 10-4м |
11,1 |
24,8 |
32 |
41,2 |
49,2 |
57,5 |
66,5 |
76 |
|
Cd(NO3)2 10-5м |
10,9 |
23,5 |
35,5 |
49,5 |
71,5 |
87,5 |
102 |
125 |
Из графиков видно, что в концентрации 10-5М рост корней проростков огурца на протяжении всего эксперимента практически ничем не отличался от контроля. При концентрации 10-4М в течение первых двух суток отмечается небольшая стимуляция роста, что подтверждает предположение о стимуляции роста некоторыми ТМ в малых концентрациях. После 48 часов наблюдается снижение ростовых процессов, что может быть связано с накоплением кадмия тканями корня и усилением токсического эффекта.
Рис.1. График прироста корней проростков огурца.
При действии концентрации 10-3М рост останавливается через сутки. В последующие 6 суток рост не возобновляется.
Приблизительно на 3 сутки у проростков огурца начинают развиваться боковые корни. У контрольных проростков зона боковых корней формируется равномерно и длина боковых корней пропорционально увеличивается от верхушки к основанию корня.
При действии кадмия на проростки были выявлены некоторые изменения в формировании зоны боковых корней. Во-первых: уменьшается длина зоны боковых корней, во-вторых: боковые корни могут развиваться очагами, и в-третьих – длина боковых корней может тоже меняться, но незначительно (рис. 2).
Таб. 2.
Длина зоны боковых корней проростков огурца
|
Конц. \ Время |
72 ч. |
96 ч. |
120 ч. |
144 ч. |
168 ч. |
|
Cd(NO3)2 10-3м |
5 |
8 |
9 |
9 |
9 |
|
Cd(NO3)2 10-4м |
10 |
17 |
27 |
39 |
53 |
|
Cd(NO3)2 10-5м |
18 |
37 |
53 |
68 |
76 |
|
Контроль |
17 |
36 |
55 |
75 |
91 |
В присутствии концентраций 10-4М, 10-3М некоторые проростки отличались от контроля тем, что появлялись участки корня, которые приподнимались над субстратом, что можно расценить как реакцию избегания корнями загрязненного субстрата.
Рис. 2. График длин зоны боковых корней
В этих же концентрациях, но более интенсивно в 10-3М, изменяется цвет коры корня, она приобретает буроватый оттенок, корневые волоски покрывают кору неравномерно. У некоторых растений отмечается некроз корня.
В результате проделанного эксперимента были сделаны следующие выводы:
§ В малых концентрациях (10-5М) и экспозиции 186ч. нитрат кадмия может служить стимулятором роста;
§ Определены пределы чувствительности роста к кадмию и построен ряд концентрационных кривых;
§ Выявлены некоторые морфологические изменения (неравномерное развитие боковых корней, побурение ризодермы вплоть до некрозов);
§ Была выявлена реакция избегания растущих корней от загрязненной кадмием среды;
§ Предлагается использовать проростки огурца как тест-объект для оценки качества окружающей среды.
Авторы выражают благодарность:
Ананьевой М. за предоставление результатов по эксперименту;
Нескребину Е., Никифорову С. за статистическую обработку данных на компьютере;
Кузиной М. за помощь в подготовке литературного обзора.