Coastal and water plants seed germination and seedling development under the influence of zinc sulphate.pdf Введение Тяжелые металлы (ТМ) относятся к числу распространенных и весьма токсичных загрязняющих веществ [1, 2]. Поступление их в биосферу вследствие техногенного рассеивания осуществляется разнообразными путями. Цинк попадает в природные воды в результате процессов разрушения и растворения горных пород и минералов, а также со сточными водами ру-дообогатительных фабрик и гальванических цехов. В сельском хозяйстве источниками цинка являются ил и сточные воды, используемые в качестве удобрений. В воде он существует главным образом в ионной форме или в виде минеральных и органических комплексов. Иногда встречается в нерастворимых формах: гидроксидах, карбонатах, сульфидах и др. В речных водах концентрация цинка обычно колеблется от 3 до 120 мкг/дм3 [3]. Цинк относится к числу активных микроэлементов, влияющих на рост и нормальное развитие организмов, входит в состав активных центров многих ферментов и выполняет разнообразные физиологические функции [4]. В то же время многие соединения цинка токсичны, прежде всего его сульфат и хлорид. Высокие концентрации цинка замедляют рост и развитие растений, ингибируют накопление биомассы надземных и подземных органов, вызывают хлороз молодых листьев и нарушают фотосинтез, дыхание, транспира-цию, снижают усвоение меди и железа [5-7]. Цинк имеет значительную биохимическую активность и высокую комплексообразующую способность, при этом его подвижность умеренная. Это является причиной невысокой, по сравнению с другими ТМ, токсичности [8]. В настоящее время данных по влиянию ионов Zn2+ на начальные этапы онтогенеза (прорастание семян и развитие проростков) водных растений в зарубежной литературе не обнаружено, в отечественной литературе они единичны [12-13]. Сравнения по экологическим группам не проводилось. Цель данного исследования - выявление влияния раствора сульфата цинка на прорастание семян и развитие проростков гелофита частуха подорожниковая (Alisma plantago-aquatica L.), гелогигрофита поручейник широколистный (Sium latifolium L.) и гигрофита ситник развесистый (Juncus effusus L.) - видов, широко распространенных на водоемах средней полосы России. Чувствительность начальных этапов онтогенеза этих видов к действию солей ТМ покажет возможность использования их в разработке вопросов индикации загрязнения водоемов. Материалы и методики исследования Семена собирали с растений в августе - сентябре 2008 г. в Ярославской области на увлажненных побережьях малых рек Ильдь и Латка. После холодной влажной стратификации в течение 4-5 месяцев по 25 шт. проращивали в люминостате в чашках Петри при температуре 20-25°С на фильтровальной бумаге, смоченной растворами соли ZnSO4x7H2O в разных концентрациях (1, 10, 25, 50, 100, 250, 500 мг/л). Концентрации выбраны по рекомендации специалистов Ботанического института им. В.Л. Комарова РАН, рассчитаны на ион цинка Zn2+ и приготовлены на дистиллированной воде. Высокие концентрации использовали для выявления предела токсичности цинка для прорастания семян (т.е. той концентрации, при превышении которой семена не прорастают). Повторность опытов трехкратная, освещенность 3 200 лк, фотопериод 9/15 (свет/темнота). Длительность эксперимента 15 сут. Контроль - дистиллированная вода. Определяли лабораторную всхожесть (процент проросших семян от общего числа в конце эксперимента) и проводили наблюдения за развитием проростков. За нормальное развитие принимали состояние проростков, их листьев и корней, свойственное конкретным видам, без каких-либо повреждений и нарушений окраски. Данные обрабатывали с использованием программы Statsoft STATISTICA for Windows 6.0, построение графиков выполнено в программе Microsoft Office Excel 2003. Результаты экспериментов представлены в таблице в виде средних арифметических и их стандартных отклонений. Результаты исследования и обсуждение Влияние сульфата цинка на прорастание семян. Семена всех видов прорастали дружно: частухи подорожниковой - на 2-е сутки, поручейника широколистного и ситника развесистого - на 3-4-е, что позволяет говорить об их нормальном дозревании и способности к прорастанию. Продолжительность прорастания составила 6 сут для первого вида и 10-12 сут - для второго и третьего. Увеличение концентрации Zn2+ не влияло на продолжительность периода прорастания. Лабораторная всхожесть была высокой у поручейника, средняя - у частухи и низкая - у ситника (таблица). Основные показатели прорастания семян и развития проростков при их проращивании на растворах сульфата цинка различных концентраций (среднее для трех повторностей) / Main parameters of seed sprouting and seedling development during their germination at various concentrations of zink sulphate solution (average for three replicates) Концентрация ZnSO4x7H2O, мг/л / Concentration ZnSO4x7H2O, mg/l Появление семядольных листьев / Emergence of cotyledon leaves Длина, мм / Length , mm Отмирание листьев и корней,сут/ Dieback of leaves and roots, days Лабораторная всхожесть, % / Laboratory germination, % сут / days листьев / leaves корней/ roots Sium latifolium L. Контроль / Control 7 7-9 6-8 - 88,0±6,1 1 8 6-8 5-7 - 89,2±2,0 10 8 6-8 5-7 - 92,0±4,0 25 9 5-6 3-4 - 90,8±1,3 50 10 5-6 3-4 13 76,0±8,3 100 11 4-3 1-2 12 84,0±2,3 250 - 0 0-1 7 53,2±4,8 500 - 0 0-1 7 4,0±0 Alisma plantago-aquatica L. Контроль / Control 4 10-12 7-9 - 49,3±22,0 1 4 10-12 7-9 - 50,7±8,3 10 4 8-10 5-7 - 77,3±4,6 25 4 6-8 4-6 - 57,3±12,2 50 4 5-6 2-4 8 45,3±11,5 100 4 4-5 0-1 8 56,0±14,4 250 5 2-4 0 5 64,0±16,0 500 - 0 0 5 54,7±4,6 Juncus effusus L. Контроль / Control 5 5-7 2-4 - 27,4±3,9 1 5 4-6 2-4 - 41,6±17,5 10 5 4-6 1-2 - 26,0±5,3 25 6 2-4 1-2 - 36,8±12,9 50 7 0-2 0 10 4,1±1,2 100 - 0 0 4 2,1±0,9 250 - 0 0 - 0 500 - 0 0 - 0 В 7 8 Время, сут. + Конт роль -■- 1 м г/л -Д- 10 мг/л -К- 25 м г/л 50 мг/л -•-100 м г/л -1- 250 м г/л -- 500 м г/л С Рис. 1. Динамика прорастания семян Alisma plantago-aquatica (A), Sium latifolium (B), Juncus effusus (C) / Fig. 1. Dynamics of Alisma plantago-aquatica (А), Sium latifolium (B) and Juncus effusus (С) seeds germination (on the abscissa axis - Time (days), on the ordinate axis - Germination (%). Control; 1-10-25-50-100-250-500 mg/l 2 6 3 4 5 Время, сут. А 7 8 9 Время, сут. 4 5 6 10 11 12 90 -| 80 70 60 -50 40 -30 -20 10 -0 Та же закономерность наблюдалась и в контроле, т.е. это не являлось следствием действия сульфата цинка. Действие Zn2+ проявлялось в колебаниях этого показателя при разных концентрациях. Более низкие концентрации стимулировали прорастание семян у всех видов. При остальных концентрациях лабораторная всхожесть оставалась высокой у частухи, т.е. ее семена оказались более устойчивыми к действию сульфата цинка. О том, что низкие концентрации Zn2+ не влияли на всхожесть семян, а высокие уменьшали ее незначительно, сказано в [9]. Семена поручейника резко замедлили процесс прорастания при 250 мг/л и выше. У ситника лабораторная всхожесть резко падала, начиная с концентрации 50 мг/л, и становилась близкой нулю при 100. При 250 и 500 мг/л семена этого вида не прорастали. Данные по динамике прорастания семян показали, что основная их часть прорастала к 5-м суткам у частухи, к 9-м - у поручейника и к 6-7-м - у ситника (рис. 1). При этом быстрее, чем в контроле, семена прорастали на растворах сульфата цинка у частухи почти при всех концентрациях, у ситника - при 1 и 25 мг/л, у поручейника - как в контроле, т.е. при концентрации 1-25 мг/л. Таким образом, выявлен предел токсичности для прорастания семян ситника развесистого, находящийся между 100 и 250 мг/л. Уменьшение токсичности Zn2+ при высоких концентрациях (повышение лабораторной всхожести у поручейника при 100 мг/л и у частухи при 250 мг/л) могло быть связано с активацией защитных механизмов от действия ТМ за счет образования комплексов с низкомолекулярными соединениями в клетке. Разная реакция семян на действие Zn2+, возможно, объясняется различиями в их строении и размерах: у ситника развесистого семена размером 0,2-1 мм, у частухи подорожниковой - 3-5 мм, клетки семенной кожуры крупные, с утолщенными стенками, у поручейника широколистного - 2 мм, на их поверхности имеются ребра. Плотная оболочка экзокарпия семян последних двух видов оказалась непроницаема для сульфата цинка почти при всех концентрациях. Эффект воздействия ТМ на процесс прорастания, как и у наземных растений, зависит от способности проникать через покровы семян. Способность семян развиваться в токсичной среде обусловлена тем, что оболочка пропускает кислород и воду, а ТМ задерживает. Они начинают действовать после разрушения оболочки. В работе Е.М. Ивановой и соавт. [10] отмечалось, что цинк на начальных этапах онтогенеза менее токсичен, чем медь. Ингибирование прорастания семян рапса цинком начиналось при концентрации, в 30 раз превышавшей начальную концентрацию меди, а 50%-ное ингибирование и летальный эффект он вызывал при концентрации в 20 раз большей, чем медь. В наших экспериментах также показано, что сульфат цинка менее токсичен, чем сульфаты никеля и меди. Так, для поручейника при действии сульфата никеля наблюдалось значительное снижение лабораторной всхожести при 250 и 500 мг/л, у частухи - при 500 мг/л сульфата никеля и 50 мг/л сульфата меди [11]. Установлены пределы токсичности прорастания семян поручейника (сульфата меди - между 100 и 250 мг/л) и ситника (сульфат никеля - между 10 и 25 мг/л, сульфат меди - между 25 и 50 мг/л). Все это подтверждает более сильный токсический эффект солей никеля и меди по сравнению с солью цинка. Влияние сульфата цинка на развитие проростков. У всех трех видов нормальное развитие проростков наблюдали при 1-25 мг/л. Они имели семядольные листья и хорошо развитые корни (см. таблицу). При этом в варианте с концентрацией 10 мг/л у проростков поручейника окраска листьев была интенсивнее, чем в контроле. В литературе также отмечалось, что низкие концентрации Zn2+ повышают количество зеленых пигментов и активизируют кущение побегов [6, 9]. При концентрациях 25-100 мг/л у проростков поручейника и частухи выявили уменьшение интенсивности окраски и размеров семядольных листьев. У ситника изменения интенсивности окраски листьев ни при одной из концентраций не зафиксировали. При концентрациях 50-100 мг/л у всех видов зафиксировали отмирание корней проростков и некроз листьев. На снижение массы корней при действии концентрации Zn2+ 21 мг/л у урути колосистой и его угнетающее действие на развитие корней у шелковника волосистолистного, но при меньших концентрациях (0,01-0,1 мг/л), указывалось в [12, 13]. Рост корней подавлялся за счет угнетения растяжения клеток [14]. Интенсивность фотосинтеза снижалась за счет уменьшения площади листа, содержание хлорофилла при этом не изменялось [6]. На симптом токсичности Zn2+, проявляющийся в некрозах листьев, указывалось и в [15]. У частухи при концентрациях 250 и 500 мг/л проростки начали погибать на 5-е сутки, при 50-100 мг/л - на 8-е. У поручейника проростки отмирали при 100 мг/л на 13-е сутки, при 250 и 500 мг/л - почти сразу после проклевывания корешком зародыша покровов семени. Проростки ситника развесистого при 50 мг/л отмирали на 10-е сутки, при 100 мг/л - сразу после их проклевывания. В целом же проростки ситника оказались менее устойчивы к действию сульфата цинка - уже при 100 мг/л - у них не отмечалось позеленения семядолей и появления семядольных листьев. Возможно, ингибирование формирования проростков сульфатом цинка видоспецифично. Для проростков соль цинка также оказалась менее токсична, чем соли никеля и меди. У частухи и поручейника при 100 мг/л сульфата никеля и 50 мг/л сульфата меди не развивались семядольные листья. Начиная с 50 мг/л солей никеля и меди у поручейника и 10 мг/л у ситника, было отмечено отмирание проростков. Однако основные признаки проявления токсичности оказались сходны - угнетение роста главного корня и некроз листьев [16]. Заключение Более устойчивы к действию сульфата цинка семена частухи подорожниковой: лабораторная всхожесть оставалась высокой при всех концентрациях. Семена поручейника широколистного резко замедлили процесс прорастания при концентрации ионов цинка 250 мг/л. У семян ситника развесистого выявлен предел токсичности сульфата цинка для прорастания (между 100 и 250 мг/л). У всех трех видов исследуемых растений наблюдалось нормальное развитие проростков при концентрации ионов цинка в среде 1-25 мг/л. При концентрациях 50-100 мг/л у всех видов выявлено отмирание корней проростков и некроз листьев. Менее устойчивыми к действию сульфата цинка оказались проростки ситника развесистого. Выявлено увеличение устойчивости видов к действию сульфата цинка в зависимости от обводненности их местообитаний: наиболее устойчив гелофит, средняя устойчивость отмечена у гелогигрофита, наименьшая - у гигрофита.

Скачать электронную версию публикации