Influence of nitrate salts of some heavy metals on the initial stages of ontogenesis of Batrachiumtrichophyllum (Chaix) Bosch.pdf В последнее десятилетие возникла реальная угроза загрязнения тяжелыми металлами (ТМ) как пресновод-ных, так и морских водоемов [1]. Так, на химический состав вод Рыбинского водохранилища значительное влияние оказывают сточные воды промышленных предприятий: химических и металлургических заводов г. Череповца, с промышленными стоками которых в водоем попадают различные токсические вещества, в том числе ТМ: Cu, Zn, Pb, Cr, Cd и др. В связи с этим деградация водной и прибрежно-водной растительно-сти приобретает повсеместный характер и многие чув-ствительные к загрязнению растения погибают, усту-пая место видам с более широкой экологической пла-стичностью. Все это диктует необходимость исследо-вания ответной реакции водных растений на действие загрязнителей (тяжелых металлов).К настоящему времени накоплен достаточно бога-тый фактический материал о механизмах адаптации растительных организмов к повышенному содержанию ТМ в разных биотопах, однако основные результаты исследований получены на примере наземных, а не водных растений. При этом именно погруженная гид-рофитная растительность четко отражает общее со-стояние водоема и экологические изменения, происхо-дящие в нем.Именно поэтому одной из важнейших задач нашей работы является изучение влияния некоторых ТМ (цин-ка, кадмия и меди) на начальные этапы онтогенеза одно-го из гидрофитов - шелковника волосистолистного. Тем более что в отечественной и зарубежной литературе по-добные работы по этому виду нами не обнаружены. По-давляющее большинство исследований касается содер-жания тяжелых металлов в самих растениях. Кроме того, работы, посвященные изучению влияния ТМ на началь-ные этапы онтогенеза макрофитов, единичны [2], а их токсичность для дикорастущих видов на этих этапах развития практически не изучена [3]. В этой связи ранее отмечали, что «до настоящего времени научная инфор-мация, которая касается взаимоотношений водной био-ты и загрязнителей, в частности тяжелых металлов… для водных макрофитов… находится в стадии накопле-ния данных» [4. № 9 (309). С. 94].Выбор для экспериментов элементов Cu, Zn и Cd был обусловлен тем, что по загрязняющему потенциа-лу (pollution potential) J.M. Wood (цит. по: [5]) они от-несены к группе очень токсичных и сравнительно дос-тупных элементов.Известно, что макрофиты поглощают больше меди, чем наземные растения, но для большинства водных растений медь - высокотоксичный металл, поэтому ингибирование их роста наблюдается, как правило, при концентрациях 0,05.Результаты и их обсуждениеВлияние тяжелых металлов на прорастание орешковДля наземных растений обнаружено, что наиболее устойчиво к тяжелым металлам прорастание семян [19], а сами семена являются всегда наиболее защищенными от воздействия тяжелых металлов [9]. Подобная картина была отмечена ранее и для семян гелофита частухи подорожниковой (Alisma plantago-aquatica L.) и гигрофита череды трехраздельной (Biclens tripartitus L.). Воздействие на них растворами сернокислой меди и азотнокислого свинца в концентрациях 0,001, 0,01 и 0,1 мг иона металла/л не сказалось существенным образом на всех показателях прорастания [2].Рассмотрим реакцию орешков гидрофита шелковника волосистолистного на воздействие азотнокислых солей меди, цинка и кадмия, анализируя изменение ряда важнейших показателей, характеризующих качество семян (табл. 1).Таблица 1Тяжелые металлыКонцентрация тяжелых металлов, мг иона металла/л Контроль0,0010,010,112345Конечное прорастание, %Си32,0±0,040,0±4,040,0±10,049,0±1,0Zn 31,0±3,034,0±2,038,0±10,0Cd 38,0±2,039,0±7,042,0±2,0Период прорастания, сутСи20,5±1,526,0±4,024,0±0,024,0±2,0Zn 27,0±1,024,0±0,026,0±2,0Cd 32,0±0,027,5±4,530,0±2,0Энергия прорастания, сутСи6,0±0,26,8±0,26,9±1,87,4±0,5Zn 8,1±1,47,3±1,08,1±0,4Cd 8,9±0,57,5±0,48,5±0,9365Окончание табл. 112 | 345Лаг-время, сутСи8,5±0,56,0±0,05,5±0,57,0±1,0Zn 6,0±0,07,5±0,57,0±1,0Cd----Максимальная скорость прорастания, семян/сутСи0,2±0,00,3±0,10,2±0,00,2±0,1Zn 0,2±0,00,3±0,00,3±0,1Cd 0,3±0,00,3±0,10,3±0,1Коэффициент скорости прорастанияСи8,3±0,37,4±0,57,3±0,16,8±0,6Zn 6,2±0,46,9±0,66,0±1,3Cd 5,6±0,06,7±0,85,9±0,9Конечное прорастание. При воздействии ионов цинка достоверных различий от контрольных показателей не зафиксировано ни при одной концентрации. Иная ситуация отмечена для солей меди и кадмия: при их присутствии Gfm было в 1,2-1,5 раз выше, чем в контроле. Это наблюдалось как при действии самой низкой, так и самой высокой концентрации этих металлов (0,001 и 0,1 мг/л соответственно) (см. табл. 1). Если стимулирующее действие меди на прорастание семян было известно и ранее [17], то подобное действие кадмия отмечалось крайне редко. По-видимому, при длительном воздействии высоких концентраций небольшая часть этого металла все же проникает через покровы орешков, а малые его концентрации, как известно [20], способны стимулировать прорастание. Это не согласуется с мнением А.Ф. Титова с соавторами, указывающих, в частности, что кадмий инги-бирует прорастание семян [21]. Интересно, что при воздействии ионов меди и кадмия сходная реакция орешков - увеличение конечного прорастания - отмечена при самой низкой и самой максимальной концентрации. Это подтверждает точку зрения О.Ф. Филенко с соавт., что «часто длительное токсическое действие низких концентраций токсикантов ...сопоставимо с эффектом высоких концентраций» [22. С. 80].Максимальная скорость прорастания как в контроле, так и опытных вариантах была чрезвычайно низкой и сходной (0,2-0,3%/сут). Тем не менее при воздействии кадмия в концентрации 0,001 мг иона металла/л и цинка в более высокой концентрации (0,01 мг/л) этот показатель в 1,5 раза достоверно превышал контрольный (табл. 1).Лаг-время. В 1,5 раза быстрее контрольных проходило прорастание опытных орешков шелковника при воздействии низких концентраций ионов цинка (0,001 мг иона металла/л), а также ионов меди, в такой же и более высокой концентрации (0,01 мг иона металла/л).Коэффициент скорости прорастания. При воздействии ионов меди, цинка и кадмия нами отмечено достоверное снижение CVG у опытных образцов по сравнению с контрольными. Подобная реакция более отчетливо проявилась при действии ионов цинка (концентрация 0,001 мг иона металла/л) и кадмия в опытных растворах с наименьшей и наибольшей концентрацией металла (см. табл. 1). Полагают, что этот показатель эквивалентен среднему времени, за которое происходит прорастание [18].Энергия прорастания. Повышение энергии прорастания наблюдали практически при воздействии всех концентраций ионов меди, цинка и кадмия (за исключением средней концентрации ионов меди). Однако наиболее ощутимое влияние оказали ионы кадмия (во всех опытных растворах), которые достоверно увеличили среднюю продолжительность прорастания одного орешка в 1,3-1,5 раза, а также ионы цинка в самой высокой концентрации (табл. 1).Период прорастания. Достоверно выше контрольного этот показатель был при действии иона кадмия в концентрации 0,001 и 0,1 мг/л. Превышение отмечено также при действии иона цинка в самой низкой концентрации, используемой в эксперименте. В остальных случаях существенных различий от контроля не отмечено (см. табл. 1).Отметим, что нами прослежено влияние ТМ на дальнейшее развитие проростков шелковника волосистолист-ного. Их действие оценено по изменению важнейших морфометрических показателей, характеризующих развитие надземной и подземной сферы растения.А. Подземные органы1. Зародышевый (главный) корень и придаточные корни. Наиболее сильное увеличение размеров этого органа (в 1,8 раза) проявилось при действии меди в концентрациях 0,01 мг иона металла/л (табл. 2).Таблица 2 Влияние различных концентраций тяжелых металлов на изменение некоторых морфометрических показателейпроростков Batrachium trichophyllumПоказатель, смКонцентрация тяжелых металлов, мг/ л Контроль0,0010,010,112345СиДлина зародышевого корня0,73±0,10,61±0,11,33±0,21,06±0,2Длина гипокотиля0,77±0,10,86±0,00,9±0,10,8±0,0Длина семядолей0,5±0,00,53±0,00,7±0,10,58±0,0Ширина семядолей0,25±0,10,12±0,00,14±0,00,13±0,0Длина 1-го листа0,23±0,10,29±0,00,46±0,10,37±0,1ZnДлина зародышевого корня0,73±0,10,67±0,2 | 0,54±0,00,91±0,2366Окончание табл. 212345Длина гипокотиля0,77±0,10,94±0,00,83±0,00,99±0ДДлина семядолей0,5±0,00,54±0,00,48±0,00,52±0ДШирина семядолей0,25±0,10Д2±0,00Д±0,00Д±0,0Длина 1-го листа0,23±0Д0,3±0,00,21±0,00,37±0ДCdДлина зародышевого корня0,73±0Д0,48±0Д0,49±0Д0,58±0ДДлина гипокотиля0,77±0Д1ДЗ±0,01,05±0,00,97±0,0Длина семядолей0,5±0,00,46±0,00,43±0Д0,53±0ДШирина семядолей0,25±0,10Д±0,00Д±0,00Д1±0,0Длина 1-го листа0,23±0Д0Д7±0,00Д4±0Д0,23±0,0Длина 2-го листа0Д1±0,00,05±0,00,04±0,00,06±0,0Длина 1-го придаточного корня0,23±0,00,08±0,00Д±0,00Д2±0,0Несколько иной результат получен при воздействии цинка: при средней его концентрации (0,01 мг Zn2+/fl) наблюдалось значимое угнетение роста главного корня. Такой же эффект был получен и при воздействии ионов кадмия: длина этого органа проростка в опыте была в 1,5 раза ниже, чем в контроле. Значимые результаты были отмечены при действии самой низкой (0,001 мг Сс12+/л) и средней (0,01 мг Сс12+/л) концентраций ионов кадмия. При самой высокой концентрации этого металла, хотя и получены более низкие средние линейные показатели (0,58±0,1 см), их отличие от контроля (0,73±0,1 см) оказалось недостоверным (см. табл. 2). Это подтверждает точку зрения А.Ф. Титова с соавт. [21] об ингибирующем влиянии кадмия на рост корней и что подобный эффект проявляется при низких концентрациях. С другой стороны, наши данные вступают в противоречие с результатами исследований ряда зарубежных ученых, проведенных на проростках наземных растений (Nieboer, Richardson, 1980; Karataglis, 1987; Arambasic et al, 1995 и др. - все цит. по: [9]), показавших, что, как правило, Си2+ сильнее подавляла рост корня, чем другие металлы, а РЬ2+ - сильнее, чем Cd2+.Развитие придаточных корней за время проведения исследования было отмечено только в эксперименте с кадмием. Здесь, так же как и в случае с главным корнем, наблюдалось достоверное угнетение их роста по сравнению с контролем в 1,9-2,7 раза (табл. 2). Однако при этом размеры единственного придаточного корня при самой высокой концентрации токсиканта (0,1 мг Cd2+/fl) были в 1,4-1,5 раза выше, чем при действии низкой (0,001 мг Сй2+/л). По-видимому, таким образом, растение страхует себя, распределяя токсикант на большую площадь и тем самым значительно снижая его негативное воздействие. Для сравнения заметим, что в опытах с урутью колосистой, относящейся, как и шелковник во-лосистолистный, к гидрофитам, показано, что 50% снижения массы корней встречается при концентрациях 0,25 мг Си2+/л (0,25 ppm Cu2+), 7,4 мг Cd2+/fl (7,4 ррт Cd2t) и 21,6 мг гп2+/л (21,6 ррт Zn2~j. При этом корни были более чувствительны к действию металлов, чем побеги, а масса корней снижалась в большей мере, чем их рост в длину (Stanley,1974 - цит. по: [5]).Прежде чем перейти к обсуждению влияния ТМ на развитие надземной сферы шелковника волосистоли-стного следует отметить, что распределение этих металлов по органам и тканям имеет ряд особенностей. Так, например, для наземных растений убедительно показано, что максимальное количество свинца, кадмия и цинка накапливается в корнях. На границе же ко-рень - стебель существует физиологический барьер, пропускающий в надземные органы лишь небольшую долю поступившего металла (Коерре, 1977; Ковда и др., 1979; Hardiman et al, 1984 - цит. по: [8]). Корни растений в этом случае выступают первой мишенью, и одновременно первым мощным барьером на пути транспорта тяжелых металлов в надземные органы растения [21]. Более того, предполагается, что поступление металла в побег является процессом, контролируемым некоторыми фитогормонами (Vodnik et al, 1999 -цит. по: [9]). В меньшей степени ТМ (кадмий, свинец) могут поступать в наземные растения через листья [9].Принципиально иная ситуация наблюдается у водных погруженных укореняющихся растений - гидрофитов, к которым относится изучаемый нами вид.Во-первых, потребление малых количеств металлов (trace metals) погруженными макрофитами изучено слабо [5]. Более того, P. Guilizzoni отмечает «...в части вклада в этот процесс корней по сравнению с листьями еще не все понято и осмыслено... Вполне очевидно, что потребление зависит от химической формы металла, присутствующей в системе, и от жизненной формы макрофита (с плавающими листьями, свободноплавающий, укореняющийся или нет вид)...» [5. Р. 92]. Этот автор полагает, что споры о том, что первично -потребление элементов корнями из седиментов или листьями из воды - связаны с тем, насколько этот элемент важен для роста.Во-вторых, экспериментально установлено, что погруженные прикрепленные макрофиты извлекают питательные вещества и ТМ из седиментов главным образом через корневые волоски с последующим перемещением их в верхние части растения [23]. R.A. Stanley (цит. по: [5]) полагает, что потребление важнейших, незаменимых элементов (essential elements) (даже когда применяется токсический уровень), в отличие от заменимых, осуществляется преимущественно через корни. Тем не менее листья начинают играть значительную роль, когда концентрация металлов в окружающей среде высока.Скорость потребления ТМ сильно варьирует и зависит от концентрации элемента в окружающей среде, формы роста растения, толщины кутикулы, типа адсорбционного механизма и многих других факторов [5]. В общем в начальный период роста, макрофиты показывают быстрое потребление всех металлов за исключением хрома [5].Принимая в расчет рассуждения, приведенные выше, а также результаты воздействия ТМ на корневую367систему, переидем к рассмотрению влияния этих элементов на развитие надземной сферы шелковника волосисто листно го .Б. Надземные органыГипокотилъ. Незначительный рост гипокотиля по сравнению с контролем наблюдали при самой низкой и самой высокой из применяемых в эксперименте концентрациях цинка (0,001 и 0,1 мг Си2+/л) (см. табл. 2). Действие ионов кадмия выразилось в следующем: значимое повышение длины гипокотиля имело место при всех концентрациях металла. Ионы меди существенного влияния на рост гипокотиля не оказали.Семядоли. Ионы меди и цинка не оказали существенного влияния на размеры этого органа проростка. Незначительное достоверное увеличение длины семядоли было отмечено лишь при концентрации 0,01 мг Си2+/л. Значимого влияния ионов кадмия на рост семядолей в длину в эксперименте не отмечено.Наиболее выраженным оказалось влияние токсикантов на ширину семядолей проростка. Так, достоверное снижение этого показателя в той или иной степени по сравнению с контролем отмечено при действии практически всех концентраций меди, цинка и кадмия (см. табл. 2).Учитывая, что в процессе роста семядолей вверх и разрастания в ширину, как и у настоящих листьев, наблюдается апикальный и маргинальный рост [24], вполне очевидно влияние тяжелых металлов на этот процесс. По-видимому, при этом медь, цинк и кадмий, практически не влияя на апикальный рост, действовали угнетающе на маргинальный рост. Последнее, очевидно, связано с ингибирующим эффектом ТМ на деление и растяжение клеток.Интересно, что у наземных растений наблюдалось влияние на рост и деление клеток корня при действии различных ионов металлов (в том числе меди, цинка и кадмия) [9].Зеленые ассимилирующие листья. Длина первого ассимилирующего листа при воздействии ионов меди, цинка и кадмия достоверно от контроля не отличалась. Исключение обнаружено лишь при действии ионов меди в концентрации 0,01 мг иона металла/л: в этом случае длина этого листа была в 1,7-2,8 раза выше, чем в контроле. По-иному реагировал второй ассимилирующий лист: при воздействии кадмия у опытных растений наблюдалось явное угнетение его роста по сравнению с контролем (табл. 2).Объясняется это, вероятно, тем, что в отличие от семядолей «.. .у представителей водных гетерофильных видов Ranunculus различный характер развития листьев с расширенной пластинкой и листьев, рассеченных на узкие сегменты, определяется своеобразным способом деления клеток...». Интересующий нас последний тип листьев, присущий шелковнику волосистолистному, по данным этих зарубежных авторов, характеризуетсятем, что в процессе его развития «...сегменты образуются благодаря большой скорости клеточных делений, а также благодаря тому, что интеркалярное деление клеток оказывается здесь продолжительным, тогда как маргинальный рост подавляется» (Bostrack, Millington, 1962- цит. по: [24. С. 407]. Исходя из этого, кадмий, по-видимому, тормозил интеркалярное деление клеток, обеспечивающее апикальный рост, причем у более молодых листьев этот процесс был выражен сильнее, чем у более взрослых.Анализируя вышеизложенное, можно отметить, что, прежде всего, в действиях ТМ на семена и проростки Batrachium trichophyllum проявляются общие закономерности влияния факторов среды на живые организмы, т.е. проявляется закон неоднозначности действия экологического фактора на разных этапах жизни организма.В этой связи необходимо отметить следующий важный момент. В последнее время возрос интерес к выяснению возможности использования растений (в том числе водных) в качестве биоиндикаторов загрязнения среды тяжелыми металлами (Rains, 1975; Но, 1985 - цит. по: [4, 8]. Для правильного решения этих вопросов, по нашему мнению, вместе со знанием закономерностей поступления металлов в растения и их распределения по органам и тканям [8], крайне необходимо учитывать, на какой стадии онтогенеза находится растение. Так, А.К. Свидерский [25] предлагает для корректной оценки загрязнения ТМ экосистем р. Иртыш и в целях геохимического мониторинга использовать В. trichophyllum в качестве индикатора загрязнения водоемов цинком и хлором. В данной работе использованы взрослые растения этого вида, тогда как наши исследования показали, что в случае применения проростков шелковника волосистолистного для этих целей речь может идти скорее о кадмии. Понимание этого чрезвычайно важно, поскольку Batrachium trichophyllum образует прерывистые полосы различной ширины, вытянутые вдоль берега в литорали и сублиторали водоемов самого различного типа, и способен произрастать как в чистых, так и промышленно загрязненных экотопах.Прорастание орешков шелковника волосистолистного оказалось достаточно устойчиво к действию ТМ. Выраженного токсического эффекта тяжелых металлов на процесс прорастания орешков не отмечено. По-видимому, у водных растений, как и в случае с семенами наземных, эффект воздействия ТМ на этот процесс зависит от их способности проникать через покровы семян и влиять на различные физиологические процессы, связанные с прорастанием. Установлено, что более значимым оказалось влияние ТМ на развитие проростков В. trichophyllum. Наиболее сильный эффект получен при воздействии ионов кадмия, который угнетал развитие как надземной, так и подземной сферы проростков.ЛИТЕРАТУРА

Скачать электронную версию публикации