ВОЗМОЖНЫЕ ИСТОЧНИКИ ТЯЖЁЛЫХ МЕТАЛЛОВ НЕОБХОДИМЫХ ДЛЯ СИНТЕЗА

ВОЗМОЖНЫЕ ИСТОЧНИКИ ТЯЖЁЛЫХ МЕТАЛЛОВ
НЕОБХОДИМЫХ ДЛЯ СИНТЕЗА ЛИГНИНАЗ И ЦЕЛЛЮЛАЗ В
СИСТЕМЕ «ПОЧВА-ДЕРЕВО-ГРИБ».
Дволучанская Ю.В.
ФГБОУ ВПО «Оренбургский Государственный Университет»
Оренбург, Россия
A POSSIBLE SOURCE OF HEAVY METALS FOR THE SYNTHESIS
LIGNINAZ AND CELLULASE IN THE SYSTEM OF "SOIL-TREEFUNGUS".
Dvoluchanskaya Y. V.
FGBOU VPO "Orenburg State University"
Orenburg, Russia
В статье рассмотрены возможные механизмы миграции тяжелых
металлов в системе «почва-дерево-гриб», оценка интенсивности миграции от
одного объекта системы к другому, что является основой для разработки
эффективной системы управления биогеохимическими циклами.
Ключевые слова: тяжелые металлы, базидиомицеты.
Keywords: heavy metals, basidiomycetes.
Выяснение особенностей миграции элементов в природных условиях,
когда влияние человека минимизировано, позволит сравнить параметры
миграции разных тяжелых металлов в условно неизмененных условиях и при
повышенной концентрации их вследствие хозяйственной деятельности и
более полно оценить ущерб, наносимый этой деятельностью круговорота
веществ в экосистемах.
В связи с этим нами была поставлена цель: изучить влияние тяжелых
металлов на систему почва-дерево-гриб в условиях низкой антропогенной
нагрузки в Южном Приуралье. Для достижения этой цели были поставлены
следующие задачи:
1. изучить происхождение, распространение и особенности влияния
тяжелых металлов на живые организмы;
2. описать биологию, экологию и биохимию базидиальных грибов;
3. исследовать миграцию наиболее распространенных тяжелых металлов в
системе «почва-дерево-гриб» в условиях лесных экосистем Южного
Приуралья.
Широкое распространение дереворазрушающих грибов в лесных
экосистемах и их незаменимая роль в процессах деструкции древесины
определяет актуальность изучения условий, определяющих эффективность
их функционирования, как части системы редуцентов. Одним из факторов,
определяющих
распространение
и
эффективность
функционирования
растений и грибов, являются тяжелые металлы, которые присутствуют в
среде как в нативных условиях, так и в результате хозяйственной
деятельности человека.
Одной из важнейших экологических проблем современности является
предотвращение деградации
лесных массивов и
городских
зеленых
насаждений в результате их химического загрязнения. Среди множества
загрязняющих веществ, поступающих с выбросами в атмосферу от
транспорта и промышленных предприятий, наибольшую опасность для
живых организмов представляют тяжелые металлы (ТМ), в силу высокой
токсичности, подвижности и биоаккуммулятивности. Помимо химического
загрязнения природных экосистем дополнительный вклад в техногенную
нагрузку вносят радиоактивные элементы, попадающие в окружающую
среду с аварийными выбросами от атомных электростанций.
Под влиянием различных источников загрязнения ТМ пагубно
воздействуют на верхнюю часть пахотного слоя, приводя к геохимической
трансформации микроэлементного состава почв. Основной вклад в этот
процесс вносит кумулятивный эффект, которым обладают тяжелые металлы.
Основная часть тяжелых металлов поступает в почву в виде твердых
соединений. Эта часть концентрируется в пахотном слое. Однако при
сильном
загрязнении
количество
водорастворимых
форм
возрастает.
Поэтому их концентрации в инфильтрационных водах возрастает [1,2].
Особенностью накопления элементов-загрязнителей является то, что
максимальные их содержания приурочены к нижней части пахотного слоя,
обычно расположенной на глубине 22 – 35 см. Биогенный барьер,
характерный для необрабатываемых земель, разрушается в профиле
пахотных почв, а в их подпаховом горизонте формируется новый
агротехногенный геохимический барьер сложного генезиса и большой
емкости, на котором накапливаются многие токсичные микроэлементы.
Второй максиму накопления этих элементов приурочен к иллювиальным
горизонтам,
где
тяжелые
металлы
закрепляются
на
сорбционном
геохимическом барьере, как считают, за счет фиксации оксидами и
гидроксидами железа, органическим веществом и тонкодисперсными
фракциями мелкозема. Особое значение с точки зрения поступления тяжелых
металлов в растения имеет концентрация подвижных соединений этих
элементов [1,2,7].
Подвижными формами тяжелых металлов являются сорбированные и
водорастворимые. Увеличение концентраций подвижных форм тяжелых
металлов
связано
физиологически
с
кислых
широким
применением
удобрений,
анионы
на
полях
которых
хозяйств
увеличивают
подвижность тяжелыхметаллов. Такие удобрения, как аммиачная селитра,
способствуют выщелачиванию оснований из почв, что приводит к их
подкислению и, опять таки, к токсичности для сельскохозяйственных
растений.
Больше всего подвижных форм тяжелых металлов в почвах образует
марганец, вторая группа элементов с высоким содержанием подвижных
форм – кобальт, никель, медь, цинк и свинец. [1]
Хотя наибольшие концентрации тяжелых металлов наблюдаются
главным образом в пахотном слое, тем не менее, нисходящая миграция
играет заметную роль в перераспределении их по почвенному профилю. С
током почвенной влаги тяжелые металлы поступают в нижележащие области
почвы и там образуют вторичные области аккумуляции техногенных
загрязнителей, в том числе в иллювиальном горизонте. Загрязнение почвы и
ее водных ресурсов сопряжено с заражением практически всех вод
гидросферы. Тяжелыми металлами отравляются важнейшие источники
питьевой воды. [2]
Кроме всего выше сказанного, надо иметь в виду, что загрязнения
тяжелыми металлами почти всегда носят полиэлементный характер, что
обуславливает специфичность их комплексного поведения в почвенной
системе. [8]
Процесс поглощения тяжелых металлов растениями носит сложный
характер. Тяжелые металлы поступают в организм растений несколькими
путями, главный из которых – поглощение их корневой системой. В общем
виде поглощение и распределение тяжелых металлов, в случае поступления
их через корни, сводится к следующим этапам:
1. Обогащение ионами свободного пространства апопласта, происходящее за
счет адсорбции;
2. Преодоление мембранного барьера и проникновение ионов в симпласт;
3. Радиальное передвижение по тканям корня и сосудистым проводящим
путям;
4. Перераспределение по различным органам и частям органов растения,
движение из корней в надземные органы растения.
Путь по свободному пространству и пассивное поглощение имеют
большое значение при поступлении тяжелых металлов, особенно при
повышенных концентрациях их в среде. На основании имеющихся данных о
поступлении тяжелых металлов в растения можно предположить, что
соотношение активных и пассивных процессов поглощения зависит от их
концентрации. Разные растения по-разному реагируют на одну и ту же
концентрацию тяжелых металлов в среде. Аккумуляторы – активно
накапливают металлы в своих тканях. Индикаторы – осуществляют
пропорциональное поглощение тяжелых металлов соотносительно их
концентрации в окружающей среде. А исключители – поддерживают низкую
концентрацию металла или металлов, несмотря на их более высокую
концентрацию в среде.
В большей степени тяжелые металлы накапливаются в корнях. Затем
их содержание уменьшается в ряду: корни > листья > стебли > соцветия >
семена. [5]
Основные места локализации тяжелых металлов в листьях –
окончания транспирирующих путей, поврежденные эпидермальные клетки,
трихомы, гидатоды, окончания ксилемных сосудов. Основное количество
тяжелых металлов в корне локализуется в стенках клеток ризодермы и
первичной коры.
В центральном цилиндре они находятся главным образом в сосудах
ксилемы и их стенках, а так же в паренхимных клетках, которые окружают
сосуды ксилемы. При этом особенностью перераспределения тяжелых
металлов является не только их основное содержание в корнях, но и
связывание их большего количества с карбоксильными группами уроновых
кислот слизи на поверхности корней. Степень связывания катионов металлов
слизью уменьшается в ряду: Pb > Cu > Cd > Zn. [3,4,5]
При поступлении тяжелых металлов в почву, они достаточно быстро
проникают в ткани растений, вызывая стресс. В ответ на что у растений
реализуется программа защитных реакций против поступления и негативного
Медействия тяжелых металлов.
Действие металла на растение начинается сразу после поступления
его в клетку, и проявляется на разных уровнях организации. Самые
значительные и массовые повреждения растений наблюдаются вблизи
эпицентра источника загрязнения. Токсическое действие тяжелых металлов
проявляется в угнетении роста подземной и надземной частей растения,
снижении биологической продуктивности, торможение роста, фотосинтеза,
дыхания, нарушении теплового режима и баланса минерального питания. Так
или иначе, это сказывается на синтезе многих важнейших биологических
веществ, в том числе биологически активных – ферментов, витаминов,
гормонов и других.
Подобное действие тяжелых металлов объясняется конкуренцией
микроэлементов за активные центры ферментов и замещением исходного
металла фермента, или же коагуляцией белков, вызываемых прямым
действием металла. К неспецифическим действиям тяжелых металлов
относятся хлорозы и некрозы, которые они вызывают. Кроме этого, при
загрязнении окружающей среды тяжелыми металлами, могут наблюдаться
морфологические изменения у растений, например, мелкозернистость,
морщинистость и искривление листовых пластинок, сокращение междоузлий
[3,5].
У видов, устойчивых к действию тяжелых металлов, в условиях
загрязнения наблюдается некоторая активация интенсивности фотосинтеза и
повышение содержания пигментов фотосинтетического аппарата. Но, по
мере накопления тяжелых металлов, и появления видимых признаков
повреждения листьев, происходит интенсивный распад пигментов пластид,
особеннохлорофилла,
и,
как
следствие,
снижение
интенсивности
фотосинтеза.
Интересной реакцией на стресс, вызванной отравлением тяжелыми
металлами, является повышение в некоторых случаях уровня дыхания по
сравнению с исходным, что протекает на фоне подавления других
физиологических процессов, в частности, фотосинтеза. При значительном
накоплении металлов растением увеличивается содержание азотистых
соединений: общего азота, белкового азота и свободных аминокислот.
Однако
при
концентрации
выше
определенного
порогового
уровня
наблюдается
обратные
явления,
сопровождающиеся
накоплением
небелковых азотистых соединений. Все выше перечисленные реакции в
условиях загрязнения тяжелыми металлами следует рассматривать как
защитно-приспособительные механизмы клетки к избыточному количеству
данных экотоксикантов.
Избыточное количество тяжелых металлов оказывает и косвенное
действие на растение: нарушает поступление и распределение других
химических элементов, переводит питательные вещества в недоступное для
растений состояние. [5]
В целом, действие тяжелых металлов на растительные объекты
разнообразно и носит универсальный характер для разных растений. Оно
затрагивает все самые важные физиологические процессы растений: рост и
развитие, питание и репродукция. Это делает тяжелые металлы одними из
самых опасных экотоксикантов.
Проведенные нами исследования показали наличие факта накопления
ряда тяжелых металлов (Cu, Zn) дереворазрушающими грибами, в том числе
и в условно неизмененных условиях (Тюльгаский райн Оренбургской
области, в котором отсутствуют крупные промышленные предприятия,
которые могли бы быть источником поллютантов).
Проведенные исследования показали тенденцию к накоплению меди и
цинка в последовательном ряду объектов трофической цепи (рис.1).
60
50
количество, мг/г
40
медь
свинец
30
цинк
20
10
0
почва
древесина
плодовые тела грибов
Рис.1. Накопление тяжелых металлов в системе «почва-дерево-гриб»
Установлено,
что
в
системе
«почва-дерево-гриб»
в
условно
неизмененных условиях поглощения свинца древесиными растениями и
дереворазрушающими
грибами
не
происходит.
Количество
цинка
закономерно увеличивается при переходе от почвы к грибам. Источником
цинка, вероятно, являются подстилающие горные породы, на которых
сформирвоаны щебневатые, слабосформированные почвы низкогорных
лесов Тюльганского района. Повышение концентрации меди в плодовых
телах может быть обусловлено как поступлением элемента из горных пород,
так и активным использованием грибами меди для построения ферментов —
целлюлаз и лигниназ [6].
Таким образом, более подробное иузчение содержания и миграции
тяжелых металлов в системе «почва-дерево-гриб» позволит оценить
интенсивность миграции этих металлов в системе в зависимости от уровня
антропогенной нагрузки, видовой принадлежности древесных растений и
грибов, что позволит обоснованно смоделировать биогеохимческие циклы в
лесных экосистемах региона.
Литература
1. Богдановский Г.А. Химическая экология /Г.А. Богдановский//
Издательство Московского университета, 1994.
2. Бреус И.П., Сардиева Г.Р. Миграция тяжелых металлов с
инфильтрационными водами в основания (темных почв) Среднего Поволжья.
Агрохимия, 1997, № 6, с. 56.
3. Колесников С.И., Казеев К.Ш., Вальков В.Ф. Экологические
последствия загрязнения почв тяжелыми металлами/ С.И. Колесников, К.Ш.
Казеев, В.Ф. Вальков // Ростов-на-Дону, Издательство СКНЦ ВШ, 2000.
4.
Коробской
Н.Ф.
Агроэкологические
проблемы
повышения
плодородия черноземов Западного Предкавказья / Н.Ф.Коробской // Пущено,
1995.
5. Серегин И.В., Иванов В.Б. Физиологические аспекты токсического
действия кадмия и свинца на высшие растения/ И.В. Серегин, В.Б. Иванов
//Физиология растений, 2001, том 48, № 4, с. 606-630.
6. Скобанев А. В., Иванова А.И., Костычев А.А. Аккумуляция
тяжелых металлов и мышьяка базидиомами макромицетов различных
эколого-трофических и таксономических групп / А.В. Скобанев, А.И.
Иванов, А.А. Костычев, 2008, №3, с 190-199
7. Филиппов А.Л., Орлова Л. П., Смирнов А. П. Миграции
техногенных элементов в дерново-подзолстой почве // Агрохимия, 2000 год,
№ 9, с. 66.
8. Фатеев А.И., Мирошниченко Н.Н., Самохвалова В.Л. Миграция,
транслокация и фитотоксичность тяжелых металлов при полиэлементвном
загрязнении почвы // Агрохимия, 2001 год, № 3.