Токсическое действие некоторых тяжелых металлов на растения вишни


УДК 634.23:581.522.4 2007
Авторы: Фролова Л.В.
ГОУ ВПО «Орловский государственный университет», г. Орел, ул. Комсомольская, 95, FrolovaLuda@yandex.ru
 
 
В результате промышленной, сельскохозяйственной и другой многогранной деятельности человека возникает техногенная миграция значительных объемов различных веществ, которые загрязняют окружающую среду. Структурная специфика сельскохозяйственных и промышленных отходов, их взаимодействие с природными компонентами обеспечивают максимальный токсический эффект (Черников В.А., 2000). Среди всех существующих отходов наибольшее негативное действие на живые системы оказывают тяжелые металлы. Тяжелые металлы (ТМ) снижают устойчивость растений к биотическим и абиотическим факторам окружающей среды, вовлекаются в физиологические процессы растений, способны замещать жизненно необходимые для них элементы, аккумулироваться в тканях, вызывая отклонения в развитии растений, а также их гибель.
Современное садоводство испытывает на себе комплексный химический прессинг, обусловленный как агротехническими мероприятиями, так и выбросами токсикантов в атмосферу. Поэтому важной задачей на сегодняшний день является изучение механизмов устойчивости плодовых культур к неблагоприятным экологическим факторам, создание сортов, обладающих комплексным механизмом защиты от неблагоприятного влияния окружающей среды (Мотылева С.М., Фролова Л.В., 2004). Воздействуя на растения, ТМ вызывают изменение качества растениеводческой продукции, которая становится малопригодной для потребления. При анализе продукции иногда оказывается, что большое количество техногенных элементов находится в потребляемых частях растений: плодах, ягодах, корнеплодах, листьях.
Цель данной работы – выявление признаков токсического действия ТМ на древесные плодовые растения вишни и определение устойчивых форм среди исследуемых.
Место проведения, объекты исследования
Исследования проводились на агробиостанции и в лаборатории биотехнологии ГОУ ВПО «Орловский государственный университет» при кафедре почвоведения и прикладной биологии в 2006 году в летний период.
В качестве объектов исследования были выбраны перспективные и районированные в Орловской области гибриды и сорта вишни: Новелла, Жуковская, Орлица, Неполодская, Ливенская, Тургеневка, Конкурентка, гибрид Памяти Вавилова х 1-32.
Методика исследования
В условиях повышения уровня загрязнения почв ТМ важно определить устойчивые к действию тяжелых металлов сорта всех плодовых культур. В настоящий момент проводится работа по определению устойчивых сортов вишни, в которой мы применяли как методы биотехнологии, так и экспресс-метод определения устойчивости растений к ТМ. Использование методов биотехнологии позволяет получать растения, имеющие генетическую устойчивость к повышенному фону «техногенных элементов», причем содержание этих элементов будет оставаться в пределах допустимых концентраций. Такая работа проводится поэтапно.
Первоначально отбирают сортимент интересующей культуры при помощи экспресс-методов оценки устойчивости к преобладающим в почве тяжелым металлам. Затем отобранный сортимент культивируют in vitro на селективных средах, получая вегетативное потомство устойчивого сорта, и проводят наблюдения за его состоянием в естественных условиях, анализируя, прежде всего, элементарный состав потребляемой части исследуемой культуры.
Анализ поступления ТМ в почву показывает, что концентрация их в поверхностном слое ежегодно возрастает. Это опасно из-за того, что основная масса всасывающих корней косточковых культур расположена как раз в поверхностном слое, где и преобладают токсичные компоненты, в том числе ТМ. В связи с этим возникла проблема поиска экономичного, доступного и быстрого метода оценки устойчивости растений к действию ТМ. Поэтому нами был разработан экспресс-метод диагностики сортов в полевых условиях на устойчивость к повышенным концентрациям ионов ТМ.
Экспресс-метод (Фролова Л.В., 2003, Фролова Л.В., 2007) для ориентировочной оценки сортов, устойчивых к повышенным дозам ионов ТМ проводили по методике, разработанной в лаборатории биотехнологии Орловского государственного университета совместно с Джигадло М.И. в 2002 году. Методика эта основана на использовании минерального состава среды Мурасиге и Скуга (МS). Материалом служили зеленые черенки с несколькими листьями длиной 10-15 см. Черенки срезали в период активного роста. В качестве питательного раствора были взяты жидкие селективные питательные среды. Растительные объекты помещались в питательный раствор базальной частью. Учет состояния черенков проводили дважды: через 24 и 48 часов для первого учета и через 24-72 часа для второго учета. О действии ионов ТМ судили по состоянию зеленых черенков (тургор, изменение окраски листовой пластинки, изменения стебля).
Варианты опыта разрабатывали с учетом норм ПДК ТМ в почве: Ni2+ - 4мг/кг, Zn2+ - 23 мг/кг, Сu2+ - 3 мг/кг:

1. Контроль- без содержания ТМ.
2.    Zn2+ - 1 ПДК;
3. Zn2+ - 2 ПДК;
4. Zn2+ - 3 ПДК;
5. Zn2+ - 4 ПДК;
 
6. Ni2+ - 1 ПДК;
7. Ni2+ - 2 ПДК;
8. Ni2+ - 3 ПДК;
9. Ni2+ - 4 ПДК;
 
10. Сu2+ - 1 ПДК;
11. Сu2+ - 2 ПДК;
12. Сu2+ - 3 ПДК;
13. Сu2+ - 4 ПДК;
Для удобства статистической обработки данных разработана шкала оценки степени устойчивости исследуемых сортов и гибридов (Фролова Л.В., 2007).
Результаты исследования
В ходе проведенных исследований было выявлено, что проявление токсического действия ТМ на зеленые черенки всех сортов различалось по срокам, поэтому в ходе эксперимента проводилась оптимизация методики по многим параметрам, в частности, по срокам учета. Такие металлы как цинк и никель проявляли свое действие уже через 24 часа, а медь – через 48 часов.
Поражение побегов всеми испытуемыми металлами имеет определенное сходство: отмечается пожелтение отдельных участков листа, на которых впоследствии образуются бурые пятна, имеющие очаговый и сплошной характер. Образование пятен происходит в основном между боковыми проводящими жилками или по ним. В основном признаки поражения проявляются в верхней 1/4–1/2 части листа. Края листовой пластинки «подсыхают» и постепенно буреют.
В ходе определения токсического действия ионов Zn2+ было отмечено, что достаточно сильно поражался сорт вишни Неполодская на концентрациях 1 и 2 ПДК – до 3/4 листа. Без признаков поражения был гибрид Памяти Вавилова х 1-32 на всех концентрациях. Зеленые черенки этого гибрида, несмотря на крупные размеры листа, сохраняли тургор длительное время, пятен на листе отмечено не было. Достаточно хорошее состояние отмечено у сортов Жуковская, Новелла, Орлица – отдельные пораженные участки на единичных листьях при 3 и 4 ПДК цинка.
При изучении повреждений вызванных действием ионов Ni2+ было отмечено некоторое отличие токсических проявлений от цинка. Повреждения охватывали боковые проводящие жилки, которые окрашивались в коричневый цвет, отмечалось слияние этих пятен. При сильном повреждении никелем пятна имели вид «растёков» от центральной проводящей жилки листа. Поражения проявлялись от 1/2 части листа до полного его поражения. Сорт Орлица и гибрид Памяти Вавилова х 1-32 не имели признаков токсического действия ионов никеля на всех концентрациях. У сортов Конкурентка и Ливенская отмечено очаговое поражение на единичных листьях. Проявлялось действие никеля у сортов Конкурентка и Тургеневка – поражался край листовой пластинки в верхней 1/2 части – на концентрациях 3 и 4 ПДК.
Наиболее устойчивыми к высоким концентрациям Ni2+ являются сорт Орлица и гибрид Памяти Вавилова х 1-32. Не устойчив сорт Новелла, средняя устойчивость у сорта Жуковская.
Изучение токсического действия ионов меди показало, что более всех исследованных сортов поражается сорт Неполодская на концентрациях 1 и 2 ПДК. Пораженных участков на более высоких концентрациях отмечено значительно меньше. Отмечены также пораженные участки у сорта Конкурентка на всех концентрациях. Сорта Жуковская, Орлица, Тургеневка, Ливенская, гибрид Памяти Вавилова х 1-32 не имели признаков поражения ионами меди на всех концентрациях.
Выводы
В ходе проведенных исследований было выявлено, что экспресс-метод для ориентировочной оценки сортов, устойчивых к повышенным дозам ионов ТМ, позволяет изучить характер изменений в тканях побегов древесных косточковых культур в модельных условиях, вызванных токсическими концентрациями некоторых металлов. Проявление токсического действия различных металлов во многом сходно между собой.
Было установлено, что большей устойчивостью к действию ионов цинка отличается гибрид Памяти Вавилова х 1-32, хорошая устойчивость у сортов Жуковская, Новелла, Орлица. К действию ионов никеля устойчивы Орлица и гибрид Памяти Вавилова х 1-32, к действию ионов меди – Жуковская, Орлица, Тургеневка, Ливенская, гибрид Памяти Вавилова х 1-32. Однако для окончательного подтверждения устойчивости испытуемых сортов и гибридов необходимо провести химический анализ тканей на содержание в них ТМ.