Influence of Soil Pollution by Lead on Plants

Full Text

ВВЕДЕНИЕ

Индустриализация и урбанизация являются основными причинами загрязнения окружающей среды. В результате многие химические элементы проникают в растения и могут накапливаться там до высоких концентраций, вызывая токсические эффекты. Среди группы поллютантов, относимых к тяжелым металлам (ТМ), известны как физиологически значимые, так и те, которые не выполняют каких-либо известных физиолого-биохимических функций. Способность растворимых солей металлов поглощаться растениями из почвы и проникать в живые ткани, накапливаться и взаимодействовать с внутриклеточными компонентами приводят к разным проявлениям токсичности. Передаваясь по пищевым цепям, тяжелые металлы негативно воздействуют и на организм человека, вызывая явления нейротоксичности, гепатотоксичности, нефротоксичности и др. [1].

У растений токсические эффекты реализуются через влияние на мембранные структуры, белки и ферменты, генетический аппарат клетки [1]. Высокие количества ТМ в среде стимулируют проявления окислительного стресса, что приводит к увеличению образования активных форм кислорода и свободных радикалов [2].

Одним из наиболее известных представителей группы металлов, не выполняющих (как представляется сегодня) физиолого-биохимических функций, является свинец. Он относится к химическим элементам, широко используемым человечеством на протяжении своей истории. На долю данного металла приходится наибольшая часть, составляющая ≈10% общего загрязнения, вызванного всеми ТМ [3]. До сих пор не показано, что свинец имеет хотя бы какое-то биологическое значение в процессах, протекающих в живых организмах, в т. ч. растениях. При этом повышенное содержание этого металла в среде приводит к появлению проблем морфологического, физиологического и биохимического характера [1, 4, 5].

Как и другие ТМ, свинец первоначально аккумулируется в корнях растений. При этом только малая часть его ионов может транспортироваться в надземные органы [1, 3]. В результате наибольшая опасность состоит в аккумуляции металла в подземных органах растений, употребляемых человеком в пищу, например, моркови, свеклы и др. При слаборазвитой корневой системе ионы металла могут, по-видимому, в большей степени транспортироваться в надземную часть, что делает опасным потребление листовой зелени. В то же время, например, плоды томата могут содержать весьма незначительные количества металла. Также известно, что растения-гипераккумуляторы (например, Brassica pekinensis и Pelargonium), в противоположность обычным растениям, способны транспортировать большие количества свинца в надземную часть, что не оказывает значительного влияния на метаболизм в целом [3].

В связи с огромной важностью изучения свинца как загрязнителя почв и сельскохозяйственных культур возникает необходимость рассмотрения проблемы, касающейся его накопления в среде, биодоступности, проникновения в растения, а также влияния на процессы роста, развития, физиологию и биохимию метаболических процессов.

ОСНОВНЫЕ ИСТОЧНИКИ ЗАГРЯЗНЕНИЯ СВИНЦОМ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ

Важными свойствами свинца, как простого вещества, являются мягкость, пластичность, плохая электропроводность, устойчивость к коррозии и др., что объясняет его широкое использование во многих сферах человеческой деятельности [4]. При этом антропогенные источники загрязнения среды весьма разнообразны и относятся ко всем этапам обращения с ним – добыче металла, его выплавке, переработке и использованию [4, 6]. Свинец находит широкое применение в судостроении, строительстве, ремонте автомобилей, производстве аккумуляторов, электронно-лучевых трубок, металлических сеток, оружия, керамической посуды и др. [7], некоторых удобрений [8]. Он содержится в выбросах нефтеперерабатывающих предприятий и двигателей внутреннего сгорания транспортных средств, может попадать в окружающую среду при использовании красок и покрытий, труб, металлических сеток, при складировании и переработке разнообразных электронных отходов [1, 3]. Новые технологии для создания солнечных элементов для крупномасштабного производства энергии и портативной электроники также широко используют свинец [9]. До сих пор соединения свинца применяют в производстве игрушек, красок, книгопечатании, некоторых традиционных лекарственных препаратов [3].

Добыча свинца в мире составляет 4.1 млн т [4]. Широкое его использование затрудняет отказ от данного металла, в результате чего его содержание в окружающей среде только увеличивается, создавая все бóльшую опасность для здоровья человека [1]. В результате почвы могут накапливать высокие концентрации этого металла, достигая величин в 400–800 мг/кг и более, особенно в промышленно развитых районах [10].

В соответствии с документами Госкомсанэпиднадзора России, свинец относят к веществам 1-го класса опасности, таким как ртуть, кадмий и др. При этом фоновое содержание его определяют величиной, равной 26 мг/кг почвы. Валовое содержание (ПДК, ОДК) оценивают в 130 мг/кг, а ПДК подвижных форм металла – в 6 мг/кг почвы [11].

Согласно ежегоднику [12], содержание свинца в почвах разных федеральных округов нашей страны меняется в широких пределах – от 0.4 до 27 мг/кг. При этом в промышленно развитых районах эта усредненная величина часто составляет 10–20 мг/кг, несмотря на гораздо бóльшие локальные величины в отдельных городах и поселках, где содержание свинца в почве может достигать 100–250 мг/кг и более, особенно вблизи предприятий промышленности. Также со временем отмечают рост уровня загрязнения непромышленных территорий в результате переноса выбросов на расстояние и аккумуляции металла в почве.

Например, в промышленно развитой Тульской обл. содержание свинца в почвах относительно невелико и часто составляет 12–18 мг/кг, в том числе подвижных форм – 0–0.5 мг/кг почвы [13, 14]. Концентрация валового свинца в аллювиальных почвах р. Упа в пределах Тулы составляет 15.0– 17.5 мг/кг, а подвижных форм (экстрагированных ацетатно-аммонийным буферным раствором с рН 4.8) – 0.1–0.8 мг/кг [15]. При этом содержание элемента в почвах отдельных территорий намного больше вследствие выбросов промышленных предприятий и автомобильного транспорта. Показано, например, что кислоторастворимые формы свинца в поверхностных пробах почв составляют 180 мг/кг (д. Шилово, Ефремовский р-н), 310 мг/кг (г. Суворов), 700 мг/кг (д. Малое Колодезное Новомосковского р-на), 800 мг/кг (г. Плавск) [16].

ФОРМЫ СВИНЦА В ПОЧВЕ И ЕГО БИОДОСТУПНОСТЬ

Относительно токсичных для растений концентраций свинца в почве нет общей точки зрения. Некоторые ученые обнаружили признаки токсичности при концентрациях элемента, близких к фоновым [17], тогда как другие исследователи не смогли выявить токсических эффектов, связанных с этим металлом даже при его концентрациях >1000 мг/кг [18]. Очевидно, такая парадоксальность может объясняться разной чувствительностью растений, а также различной биологической доступностью соединений свинца в почвах. Биологическая доступность и токсичность ТМ зависят не только от их концентраций, но и от форм соединений в почвах [13]. В свою очередь, факторами, определяющими присутствие металлов в тех или иных формах, являются количество и состав соединений, унаследованных от материнской породы и поступающих из антропогенных источников, а также от взаимодействия антропогенных соединений свинца с компонентами почв и почвенных растворов при вторичном перераспределении.

На незагрязненных территориях почвы наследуют уровни содержания свинца от почвообразующих пород. Среднее содержание свинца в земной коре составляет ≈15 мг/кг. Содержание свинца в обычных типах горных пород меняется от ≈1 мг/кг (эвапоритовые отложения, базальт и ультраосновные магматические породы) до 30 мг/кг (граниты, риолит и черный сланец). Установлено, что 70–95% общего содержания свинца в горных породах приходится на K-полевой шпат и плагиоклаз. Осадочные породы содержат сравнительно небольшое количество свинца – его средняя концентрация составляет 32 мг/кг для углистых сланцев, 23 мг/кг для алевролитов, аргиллитов и неуглеродистых сланцев, 17 мг/кг для песчаников, 11 мг/кг для известняков и доломита [19]. Обычные минералы химически осажденных осадочных пород (кальцит, доломит, гипс и галит) часто содержат свинец в количестве <10 мг/кг. Содержание этого металла в осадочных глинистых минералах меняется в широком диапазоне, но обычно составляет порядка 10–20 мг/кг [20].

Первичные минералы являются для почв основным природным источником всех ТМ. Однако, находясь в составе первичных минералов в микроминералогических (в составе акцессорных минералов, в виде микроскопических выделений в результате распада твердых растворов и включения остаточных растворов) и неминералогических (сорбированные поверхностью дефектов реальных кристаллов, входящие в структуру минерала-носителя по законам изоморфизма, находящиеся в структуре минерала-носителя в неупорядоченном состоянии) формах [21], ТМ в основной своей массе недоступны растениям.

В почве выделяющийся из первичных минералов или попадающий из антропогенных источников свинец сначала адсорбируется в результате быстрых реакций, затем следуют медленные реакции и перераспределение металла в различные химические формы с различной биодоступностью, подвижностью и токсичностью [22]. Это распределение контролируется реакциями свинца в почвах, такими как (i) – минеральное осаждение и растворение, (ii) – ионный обмен, адсорбция и десорбция, (iii) – комплексообразование, (iv) – биологическая иммобилизация и мобилизация и (v) – поглощение растениями [23].

В конечном итоге в результате распределения все ТМ образуют следующие обобщенные формы: прочносвязанные (входящие в состав первичных и вторичных минералов, солей, оксидов и гидроксидов, органического вещества, окклюдированные и соосажденные с соединениями железа, алюминия, марганца и др.), подвижные соединения твердых фаз (сорбированные, ионообменные, осаждённые) и растворимые соединения почвенного раствора [24]. Оценить нахождение свинца в той или иной форме позволяют экстракционные методы (вытяжки ацетатно-аммонийным буферным раствором с рН 4.8, 1 н. HCl и др.), а детализировать связь ТМ с компонентами почв можно, используя методы последовательных экстракций, обладающих определенной селективностью [25–27].

Формы и распределение ионов свинца зависят от многих факторов, включающих процессы окисления и восстановления, адсорбцию катионов на частицах почвы, возможность образования хелатов, взаимодействие с оксидами металлов, органическими кислотами, а также остатков растений, накопивших в тканях некоторые количества этого металла [19]. На поглощение свинца оказывают значительное влияние микрофлора ризосферы, чья деятельность влияет на доступность свинца в почве [28]. Все это обеспечивает растворимость свинца и его доступность для поглощения вегетирующими растениями. Сравнительные исследования токсичности Pb для почвенных организмов в различных почвах показали, что различия в токсичности в основном коррелировали с различиями в pH или катионообменной емкости (ЕКО) почв [29]. При этом отмечено, что в кислых почвах растения поглощают свинца больше, чем в щелочных [30].

Кроме форм свинца в почве его биодоступность контролируется особенностями поглощения элемента растениями. Ниже приведены 2 основных пути поглощения металлов растениями: (i) – пассивное поглощение, обусловленное градиентом мембранной концентрации, и (ii) – индуцируемое субстрат-специфическое и энергозависимое поглощение [4]. Присутствие в среде in vitro этилендиаминтетрауксусной кислоты (ЭДТА) или лимонной кислоты у некоторых растений (Vicia faba и Typha angustifolia) увеличивали поглощение свинца корневой системой, хотя у растений Brassica juncea такого эффекта не наблюдали [28]. Также показана возможность адсорбции свинца на поверхности частиц (например, оксидов железа, биологического материала и органических веществ) [3].

ПРОНИКНОВЕНИЕ СВИНЦА В РАСТЕНИЯ

Из воздушного пространства ионы металла могут проникать через кутикулу и устьица [4, 31]. Преодоление мембран позволяет ионам свинца попадать во внутреннее пространство растения, достигая эндодермы, где они прочно связываются с клеточной стенкой и плазматической мембраной. При этом оба пути переноса ионов – апопласт и симпласт после поясков Каспари заменяются симпластным путем [32]. Это делает необходимым включение вакуоли клетки в процессы нейтрализации ионов металла для минимизации его концентрации в цитоплазме клеток [10]. При высоких концентрациях избыток ионов свинца преодолевает барьер поясков Каспари и может проникать в надземную часть растений, где конкурирует с ионами других металлов в процессе фотосинтеза, а также образует комплексы с органическими и аминокислотами [10]. Далее с транспирационным потоком ионы могут попадать в межклеточные пространства мезофилла [3].

Основная часть металла может поступать в растения обычным путем через корневую систему с последующим транспортом в сосуды ксилемы [31]. При прорастании семян свинец может проникать в семядоли двудольных растений через сосудистые ткани и накапливаться в отдельных участках в дистальных частях. При этом двудольные растения накапливают в корнях большее количество свинца, чем однодольные [1]. Также установлено, что в корнях накапливается больше металла, чем в побегах [3, 33]. Это обусловлено специальными механизмами, включающими синтез и накопление каллозы между плазматической мембраной и клеточной стенкой, взаимодействие металла с пектином, бляшки Fe/Mn, а также накопление свинца в вакуолях клеток корней [28]. Показано, что содержание свинца в различных органах растения имеет тенденцию к снижению в последовательности: корни > листья > стебель > соцветия > семена [1].

ВЛИЯНИЕ СВИНЦА НА ФОРМИРОВАНИЕ РАСТЕНИЙ

В ряде работ показано, что свинец ингибирует прорастание семян таких растений, как Hordeum vulgare, Elsholtzia argyi, Spartina alterniflora, Pinus halepensis, Oryza sativa, Zea mays и Lupinus [4, 10, 33]. При этом наблюдали замедление роста рассады, уменьшение размеров корней и гипокотиля, сухой массы корней и побегов [1, 5]. Аналогичные изменения в накоплении сырой и сухой биомассы показано для растений Pisum sativum, Zea mays, Paspalum distichum, Cynodon dactylon, Lycopersicon esculentum, Ipomoea aquatic, Phaseolus vulgaris и Lens culinaris [1]. Прорастание семян подавляется даже низкими концентрациями Pb²⁺ [1, 5]. Высокие концентрации металла (1 мМ) также негативно влияют на всхожесть семян и формирование проростков растений. При этом избыток свинца может в конечном итоге привести к их гибели [1, 34]. Изучение влияния нитрата свинца в широком диапазоне концентраций (1–25–50–100–200–500 мМ) на формирование 14-суточных проростков кукурузы показало, что даже при минимальной концентрации металла в среде в 1 мМ исследователи наблюдали снижение сырой и сухой массы побегов и корней на 30–50% против контроля [35].

В исследованиях с бирючиной (Ligustrum lucidum Ait.), способной накапливать свинец, в широком спектре концентраций нитрата свинца 200–600–1000–1400 мг/кг почвы, было обнаружено снижение длины и сырой массы побегов на 10–30% [33].

В экспериментах с растениями нескольких сортов сорго (Sorghum bicolor L.) присутствие в среде возрастающих концентраций нитрата свинца (0, 100, 200, 400 и 800 мг/кг почвы) приводило к достоверному снижению всхожести семян на 18–36% при концентрациях соли 200 мг/кг и больше. У 80-суточных растений определяли морфологические характеристики. Установлено, что длина корня при увеличении концентрации соли в среде постепенно снижалась на 60–69, высота растений – на 43–59%. Число листьев на растениях уменьшалось на 45–59, сырая масса корня – на 61–78, сухая масса корня – на 71–78, сырая масса побега – на 46–84, сухая масса побегов – на 60–90% [36].

Нарушения в развитии корневой системы приводят к ухудшению водного баланса и минерального питания растений, а снижение скорости формирования надземной массы сопряжено с ухудшением транспирации и фотосинтеза. В результате можно наблюдать хлороз листьев и почернение корней [1, 31].

Исследования на соевых бобах показали, что токсичность свинца вызывала гистологические изменения в листьях, уменьшая размеры клеток ксилемы и флоэмы, диаметр сосудов ксилемы сосудистых пучков, в результате чего листовая пластинка становилась тоньше [10, 32]. Такие же патологические изменения на уровне ультраструктуры были зафиксированы и для других видов растений [1].

Исследования на взрослых растениях показали, что загрязнение свинцом почвы или при орошении плантаций загрязненной водой приводило к снижению размеров растений, уменьшению количества цветков и плодов. Такой эффект показан для растений кокосовой пальмы, подсолнечника, бамии. Также показано накопление свинца в листьях, стеблях, цветках и плодах, например, Stevia rebaudiana и ежевики, что важно для оценки пищевой ценности и безопасности таких растений для человека, используемых в питании и/или при лечении травами некоторых заболеваний [3].

ВЛИЯНИЕ СВИНЦА НА БИОХИМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В РАСТЕНИЯХ

Присутствие свинца в среде нарушает процессы синтеза ДНК, РНК (экспрессию генов), белков, состав белковых фракций, активность ферментов, важных для процессов прорастания семян, а также роста и развития проростков. Среди ключевых ферментов можно отметить протеазу, амилазу, АТФ-синтетазу [1, 3]. В то же время нарушается и состав липидной части мембраны, в результате чего происходит изменение ее проницаемости [1]. Такое многообразие изменений отражается на интенсивности главных физиологических процессов: фотосинтезе и дыхании, а также на работе защитных механизмов растений, включая антиоксидантную систему [1, 10, 28].

Изменения фотосинтеза проявляются в снижении его скорости, торможении синтеза хлорофилла, работы цикла Кальвина, накопления углеводов, отчасти вследствие закрытия устьиц и возникающего дефицита СО₂. Присутствие нитрата свинца в среде водной культуры растений Ceratophyllum demersum (роголистника погруженного) вызывало изменения в ламеллярной структуре хлоропластов, что было обусловлено нарушением липидного состава мембран [3]. Описанные процессы сопровождались изменениями в ультраструктуре хлоропластов, замедлением синтеза каротиноидов и переносчиков электрон-транспортной цепи (ЭТЦ) фотосинтеза [33]. При этом из-за происходящего в таких условиях снижения поглощения магния и железа усиливалась деградация хлорофилла, отчасти вследствие ингибирования одного из ферментов биосинтеза хлорофилла – α-аминолевулинат-дегидрогеназы, а также активации фермента хлорофиллазы [10], причем хлорофилл б подвергался большему воздействию, чем хлорофилл a [1]. Эффекты свинца были описаны как для донорных, так и для акцепторных участков фотосистемы-2 (ФС II), комплекса цитохромов b/f и фотосистемы-1 (ФС I). Общепризнано, что транспорт электронов ФС I менее чувствителен к ингибированию свинцом, чем фотосистемы ФС II [1, 37]. В экспериментах на изолированных хлоропластах также показано, что свинец влиял на работу электрон-транспортной системы фотосинтеза [38].

Установлено также, что присутствие свинца в среде приводило к изменению активности и количества ферментов цикла Кальвина [39], метаболизма углеводов и азота. В гомогенатах листьев шпината активность рибулозо-бисфосфаткарбоксилазы-оксигеназы ингибировалась даже при концентрации нитрата свинца 5 мкМ [1].

Было обнаружено, что свинец в значительной степени ингибирует АТФ-синтетазу/АТФазу, что может быть связано с нарушением структуры и функции мембран [40]. При этом механизм влияния свинца остается неясным.

Исследования митохондриальных препаратов растений в присутствии в среде ионов свинца показало уменьшение дыхания с увеличением концентрации свинца [41]. При этом установлено, что свинец влиял на работу электрон-транспортной системы дыхания [38]. Ингибирующий эффект свинца при более высоких концентрациях, по-видимому, обусловлен отключением окислительного фосфорилирования [42]. Интересно, что низкие концентрации металла стимулировали дыхание целых растений, отдельных листьев, изолированных протопластов и митохондрий [1, 43].

Изучение влияния присутствия в среде ионов свинца на развитие окислительного стресса показало увеличение образования активных форм кислорода (АФК) даже при концентрации металла 0.1 и 0.5 мМ. Подобную ответную реакцию наблюдали у всех изученных растений. В ответ на это в клетках корней растений значительно возрастала активность антиоксидантных ферментов (супероксиддисмутазы, каталазы, пероксидазы, аскорбатпероксидазы), а также низкомолекулярных веществ (пролина, цистеина, небелкового тиола, аскорбиновой кислоты и глутатиона), которые могут снижать окислительный стресс за счет удаления АФК. При этом высокие концентрации свинца в среде, напротив, могут снижать активность антиоксидантных ферментов [4, 10, 28].

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Представленные данные показали, что использование свинца в разных областях промышленности и человеческой деятельности постепенно увеличивает степень загрязнения окружающей среды этим металлом. При этом на сегодняшний день нет альтернативы для его замены другими, менее вредными металлами или веществами. В результате следует обратить внимание на особенности накопления и преобразования форм свинца в почвах, что обеспечивает его биодоступность для живых организмов и в первую очередь – для растений. Это связано с тем, что растения составляют значительную долю в рационе питания человека и основную – животных, которых человек также потребляет в качестве еды. В то же время решение проблемы снижения содержания свинца в растениях и животных, по-видимому, состоит на только в минимальном использовании загрязненных участков территории, но и в разработке и применении разных агротехнологий, обеспечивающих прочное связывание металла с компонентами почвы, что сделает недоступным поступление свинца в растения.

About the authors

V. V. Ivanishchev

Lev Tolstoy Tula State Pedagogical University

Author for correspondence.
Email: avdey_vv@mail.ru
Russian Federation, prosp. Lenina 125, Tula 300026

T. E. Sigolaeva

Lev Tolstoy Tula State Pedagogical University

Email: avdey_vv@mail.ru
Russian Federation, prosp. Lenina 125, Tula 300026

L. V. Perelomov

Lev Tolstoy Tula State Pedagogical University

Email: avdey_vv@mail.ru
Russian Federation, prosp. Lenina 125, Tula 300026

References

Supplementary files