Изменение биометрических показателей и антиоксидантной системы Avena sativa при загрязнении почвы ионами железа и цинка Текст научной статьи по специальности «Биотехнологии в медицине»

модельных систем позволяет сделать вывод, что активность ферментов антиоксидантной системы может быть использована в качестве биохимического маркера загрязнения фосфорсодержащими поллютантами. Неоспоримая ценность полученных результатов состоит в том, что они могут стать основой для внедрения в систему эко-токсикологического контроля за состоянием компонентов природной среды по биохимическим показателям живых организмов.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Александров В.Н., Емельянов В.И. Отравляющие вещества. - М.: Военное изд - во, 1990.

2. Андреева В.А. Фермент пероксидаза: Участие в защитном механизме растений.-М..Наука, 1988.

3. Булатов S.S., Хохоев Т.Х., Дикий В.В. и др. Проблема малых и сверхмалых доз в токсикологии. Фундаментальные и прикладные аспекты//Рос.хим.ж.-2002. -m.XLVI. -№6. -С.58-62.

4. ГОСТ 26206-84. Определение подвижных форм фосфора и калия по методу Ониани в модификации ЦИНАО.

5. Квеситадзе Г.И. Метаболизм антропогенных токсикантов в высших растениях.-М..Наука, 2005.

6. Королюк М.А., Иванова Л.И., Майорова И.О. и др. Метод определения активности каталазы // Лабораторное дело,- 1988. -№1. -С. 16-19.

7. Лунев М.И. Пестициды и охрана агрофитоценозов. - М.: Колос, 1992.

8. Плешков Б.П. Практикум по биохимии растений. - М.: Колос, 1976.

9. Рогожин В.В. Пероксидаза как компонент антиоксидантной системы живых организмов.-СПб: П/10РД, 2004.

10. Савельева Е.И., Зенкевич И.Г., Кузнецова Т.А. и др. Исследование продуктов превращений фосфорорганических отравляющих веществ методом газовой хроматографии-масс-спектрометрии //Рос.хим.ж,- 2002. -m.XLVI. -№6. -С.82-91.

О.М. Плотникова, А.П. Ларионова, H.H. Матвеев Курганский государственный университет

ИЗМЕНЕНИЕ БИОМЕТРИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ И АНТИОКСИДАНТНОЙ СИСТЕМЫ AVENA SATIVA ПРИ ЗАГРЯЗНЕНИИ ПОЧВЫ ИОНАМИ ЖЕЛЕЗА И ЦИНКА

Аннотация: Техногенная деятельность человека приводит к повышенному содержанию в почве как макроэлементов, так и микроэлементов. В норме элементы минерального питания выполняют структурную, метаболическую и регуляторную функции. Избыточное поступление в растение железа и цинка оказывает токсическое действие, проявляющееся в виде окислительного стресса [4]. При этом возникают активные формы кислорода (АФК), изменяется состояние энзиматической антиоксидантной защитной системы. Выявление взаимосвязи между степенью загрязненности почвы и изменениями биометрических показателей, а также антиоксидантной системы может быть положена в основу нового метода индикации загрязнения почвы железом и цинком.

Цель исследования - изучить влияние различных концентраций ионов железа и цинка на изменение биометрических показателей, активности ферментов антиоксидантной системы овса посевного (Avena sativa).

Ключевые слова: биометрические показатели, активные формы кислорода, антиоксидантная активность

УСЛОВИЯ ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТА

Для изучения влияния загрязнения ионами железа и цинка в питательную среду Хогленда - Снайдерса в соответствии со схемой эксперимента вносилось определен-

ное количество сульфата цинка и цитрата железа. ПДК ионов цинка Ъп2* составляет 23 мг/кг (согласно «Перечню предельно допустимых концентраций и ориентировочно допустимых количеств химических веществ в почве ГН 622991»), средняя рассчитанная концентрация СРК (для почв Щучанского района) подвижных форм ионов Ре3+- 90 мг/кг. Солома использовалась в качестве сорбента, вносилась из расчета 1 г на 100 мл питательной среды.

В сосуд наливали по 400 мл питательной среды Хогленда - Снайдерса, отмечая уровень жидкости (количество питательной смеси поддерживалось на данном уровне), рН среды 6,0. В каждую бутылку помещалось по 4 патрона с семенами овса сорта «Скакун». Ежедневно в течение 20 минут проводилась аэрация растворов воздухом [1].

При проведении эксперимента отмечают сроки наступления фаз, этапов развития растений. В ходе эксперимента определяли длину, воздушно сухую массу 30 растений. Повторность определений четырехкратная.

Определение активности каталазы проводили методом М.А. Королюк [2], пероксидазы и полифенолокси-дазы - по методу А.Н. Бояркина [3].

Таблица 1

Схема эксперимента

№ Варианты опыта Обозначение на диаграммах

1 Питательная среда контроль*

2 Питательная среда + солома к* + с**

3 Питательная среда + 0,5 СРК Ре,+ 0,5 СРК Fe

4 Питательная среда + 1 СРК Ре3+ 1 СРК Fe

5 Питательная среда + 5 СРК Ре,+ 5 СРК Fe

6 Питательная среда + солома + 5 СРК Ре,+ 5 СРК Fe + с

7 Питательная среда + 0,5 ПДК йг+ 0,5 пдкгп

8 Питательная среда + 1 ПДК йг+ 1 ПДК&1

9 Питательная среда + 5 ПДК йг+ 5ПДК&1

10 Питательная среда + солома + 5 ПДК Ъп1+ 5 ПДК Zn+c

к* - контроль (питательная среда); с** - солома.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Сравнительный анализ влияния цинка и железа на биометрические показатели овса посевного выявляет действие повышенных концентраций ионов в вариантах без внесения соломы (рис. 1).

% 20,0 10,0 0,0 -10,0 -20,0 -30,0 -40,0 -50,0 -60,0 J

■ 1 -4,0 1

I ■Л»

-23,5

шш

12,1 11,6

23,2 -24,5 М

LI Е27Ж

А —I

□ длина побегов

I масса побего

K« 0.5СРК 1СРК 5 СРК 5 СРК 0.5ПДК 1ПДК 5ПДК 5ПДК Fe Fe Fe Fe +c Zn Zn Zn Zn+c

Рис. 1. Влияние ионов железа и цинка на биометрические показатели овса

Внесение ионов железа в количестве 0,5СРК, 1СРК, 5СРК приводит к уменьшению длины побегов на 17,6%; 23,5% и 43,1%. Внесение ионов цинка 0.5ПДК, 1ПДК, 5ПДК приводит к уменьшению длины побегов на 24,5%; 35,3% и 48,0%, соответственно. При внесении соломы в варианты опыта с 5-кратным превышением ионов СРК железа и ПДК цинка наблюдалось увеличение длины побегов с 14,5 см

до 17,2 см (10,7%), в опыте с ионами железа и с 13,2 см до 17,7 см (17,6%) в варианте с ионами цинка, относительно вариантов без внесения соломы.

При внесении ионов железа в системах 1СРК, 5СРК происходит уменьшение массы побегов с 0,046 г до 0,042 г (7,8%) и с 0,046 г до 0,035 г (23,2 %), соответственно. При внесении ионов цинка 0.5ПДК, 1ПДК, 5ПДК приводит к уменьшению массы побегов на 11,6; 27,9; 46,5%. При внесении соломы в модельные системы с 5-кратным превышением СРК ионов железа и ПДК ионов цинка наблюдалось увеличение массы побегов с 0,035 г до 0,040 г (11,1%) в случае с железом и с 0,025 г до 0,040 г (33,4%) при внесении цинка, относительно систем без внесения соломы.

Внесение избытка ионов железа и цинка в питательную среду приводит к снижению биометрических показателей овса. Внесение соломы оказывает положительное влияние на длину и массу побегов овса и способно снизить токсическое влияние 5-кратного превышения СРК ионов железа и ПДК ионов цинка.

Снижение длины и массы побегов в варианте с 5-кратным избытком ионов железа достигает 43,1% и 23,2% соответственно. При внесение 5-кратного избытка ионов цинка негативное влияние более выражено, уменьшение достигает 48% и 46,5% .

В результате исследований можно сделать выводы, что наибольшая длина и масса побегов растений овса посевного, выросших в варианте «контроль + солома», в вариантах с внесением повышенных доз железа и цинка солома выступает как сорбент избыточного количества макро- и микроэлементов.

По результатам исследований поведен сравнительный анализ влияния цинка и железа на активность ферментов антиоксидантной системы овса посевного.

В течение эксперимента было замечено, что активность ферментов антиоксидантной системы при действии ионов железа и цинка, а также в течение вегетации овса изменяется неодинаково.

Влияние ионов железа (3+) и цинка (2+) на ферменты антиоксидантной системы в фазе первого листа относительно контроля представлено на рис. 2.

Активность ферментов АОС относительно контроля(фаза первого листа)

% 100 80 60 40 20 0 -20 -40

— К

I I 40,4

27,6 22.5

_ -102

□ пероксидаза

□ пфо

0,5СРК ре 1СРК ре 5СРКРе 0.5ПДК 21 1ПДКгп 5ПДКгп

Рис. 2. Влияние ионов железа и цинка на активность ферментов АОС овса в фазе первого листа

Пероксидаза. В вариантах с внесением ионов железа наблюдается заметное увеличение активности перок-сидазы при 1СРК Ре. При рассмотрении систем 0.5ПДК -1 ПДК - 5ПДК выявлена тенденция к постепенному увеличению активности: -17,5%, -10,2%, 13,4%.

Каталаза. Во всех вариантах с внесением ионов железа и цинка выявлено существенное повышение активности каталазы. Наибольшее значение активности наблюдается в вариантах при 1СРК и 1ПДК ионов металлов, для ионов железа оно составило 50,6%, а для ионов

цинка 77,0%. При рассмотрении активности фермента в вариантах 0.5СРК Ре - 1СРК Ре - 5СРК Ре и 0.5ПДК гп -1 ПДК - 5ПДК замечено, что большее влияние оказывает внесение ионов цинка.

Полифенолоксидаза. Активность фермента во всех вариантах выше, чем в контроле. В вариантах с повышенным содержанием железа (0.5СРК Ре - 1СРК Ре -5СРК Ре) происходит увеличение активности фермента до 10,9% -22,5%. При внесении ионов цинка наблюдается противоположная зависимость, т.е. в ряду систем 0.5ПДК -1 ПДК - 5ПДК происходит уменьшение активности полифенолоксидазы с 40,4% до 23,9%.

Влияние ионов железа (3+) и цинка (2+) на ферменты антиоксидантной системы в фазе второго листа относительно контроля представлено на рис. 3.

Пероксидаза. В системах с внесением ионов железа наблюдается увеличение активности пероксидазы при 1СРК Ре и снижение при 5СРК Ре. Внесение ионов цинка практически не оказывает влияния на активность фермента в фазе второго листа.

Каталаза. Практически во всех модельных системах с внесением ионов железа и цинка выявлено существенное повышение активности каталазы, за исключением системы 5СРК Ре, где активность снизилась на 10,3%. Наибольшее значение активности наблюдается в системах при 1 СРК и 1 ПДК ионов металлов, для ионов железа оно составило 30,1%, а для ионов цинка 80,3%. При рассмотрении активности фермента в системах 0.5СРК Ре -1 СРК Ре - 5СРК Ре и 0.5ПДК гп -1 ПДК гп - 5ПДК гп замечено, что большее влияние оказывает внесение ионов цинка.

Полифенолоксидаза. В модельных системах с повышенным содержанием железа активность изменяется так-7,3% (0.5СРК Ре), -11,1% (1СРК Ре), 10,6% (5СРК Ре). При внесении ионов цинка наблюдается зависимость, т.е. в ряду систем 0.5ПДК -1 ПДК - 5ПДК происходит уменьшение активности полифенолоксидазы от 32,2% до - 6,4%.

Активность ферментов АОС относительно контроля(фаза вторго листа)

% 100 80 60 40 20 0 -20

13.5 12.91 ТЪ ТсГб 13.3

ТХэЯ

лД ^

I

□ пероксидаза ■ каталаза

□ пфо

0,5СРК ре 1СРК ре 5СРКРе О.бПДКгп 1ПДКгп 5ПДК21

Рис. 3. Влияние ионов железа и цинка на относительную активность ферментов АОС овса в фазе второго листа

Влияние ионов железа (3+) и цинка (2+) на ферменты антиоксидантной системы в фазе третьего листа относительно контроля представлено на рис. 4.

Пероксидаза. Ионы железа и цинка практически одинаково влияют на активность фермента при увеличении концентрации ионов металлов, а именно: активность фермента сначала увеличивается до 11%, а затем уменьшается до 5-6% по сравнению с контролем.

Каталаза. В модельных вариантах 0.5СРК Ре, 5СРК Ре выявлено снижение активности каталазы на 11,8% и 48,8%, что существенно отличается от показаний активности в фазах первого и второго листа. Наибольшее значение активности наблюдается в варианте при 1ПДК ионов цинка и составляет 73,3%. При рассмотрении ак-

СЕРИЯ «ЕСТЕСТВЕННЫЕ НАУКИ», ВЫПУСК 2

75

тивности фермента в варианте 0.5СРК Ре -1СРК Ре - 5СРК Ре и 0.5ПДК -1ПДК - 5ПДК замечено, что влияние, оказываемое внесением ионов металлов, отличается. Ионы цинка вызывают увеличение активности (1ПДК Zn), а ионы железа - снижение (5ПДК Ре).

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Баславская С.С., Трубецкова О.М. Практикум по физиологии растений. - М.: МГУ, 1964. - 328с.

2. Королюк М.А. Метод определения активности ка-талазы//Лабораторное дело. -1988. -№ 1.-С. 16-19.

3. Плешков Б.П. Практикум по биохимии растений -М.: Агропромиздат, 1985. -255 с.

4. Чернавина И.А. Физиология и биохимия микроэлементов. - М.: Высшая школа, 1970. - 312 с.

Активность ферментов АОС относительно контроля(фаза третьего листа)

% 80 60 40 20 0 -20 -40 -60

20.1 20.8

11.3

еЗд

-18,9 Г

I

тг

□ пероксидаза ■ каталаза

□ пфо

0,5СРК ре 1СРК ре 5СРК ре О.бПДКЙ! 1 ПДК 21 5ПДК 2п

Рис. 4. Влияние ионов железа и цинка на относительную активность ферментов АОС овса в фазе третьего листа

Полифенолоксидаза. В вариантах с внесением избытка ионов железа активность фермента относительно контроля составила: -18,9% (0.5СРК Ре), -23,0% (1СРК Ре), 20,1% (5СРК Ре). При внесении ионов цинка наблюдается тенденция к уменьшению относительной активности, т.е. в ряду систем 0.5ПДК - 1ПДК - 5ПДК значения активности полифенолоксидазы составляют 20,8%, -11,0%, -16,6% соответственно.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Поступление в почву повышенных доз ионов железа и цинка отрицательно сказывается на метаболизме и вегетации растений. Сорбирующим свойством обладает солома злаковых культур, внесение ее в почву может оказывать положительное действие на условия питания растений, антиоксидантную систему, повышающую устойчивость растений к стрессовым явлениям.

На основе полученных результатов можно сделать выводы:

1. Внесение избытка ионов железа и цинка в почвы приводит к снижению биометрических показателей овса (5СРК ионов железа приводит к снижению длины до 43% и массы до 23%, а 5ПДК ионов цинка приводит к снижению длины до 48% и массы до 46%). При внесении соломы в вариантах 5СРК ионов железа и 5ПДК ионов цинка происходит снижение отрицательного влияния повышенных концентраций ионов железа и цинка на биометрические показатели овса.

2. Активность каталазы и полифенолоксидазы в процессе вегетации овса уменьшается во всех вариантах загрязнения.

3. Выявлена четкая зависимость между активностью каталазы и концентрацией цинка во всех вариантах почв, загрязненных ионами цинка: активность каталазы в фазах первого, второго и третьего листа существенно выше по сравнению с контролем; пик активности фермента приходится на модельные системы с 1ПДК ионов цинка.

4. Для активности полифенолоксидазы наблюдается четкая тенденция к снижению активности фермента с увеличением концентрации цинка в фазах первого, второго и третьего листа.

5. Для пероксидазы четкой зависимости между концентрацией ионов металлов и активностью пероксидазы в фазах первого, второго и третьего листа не выявлено.