Известия Оренбургского Государственного Аграрного Университета 2020 № 3 (83)

УДК 631.416.8

Накопление кобальта и кадмия в растительном сырье и почвах техногенных зон

О.Н. Немерешина¹, канд. биол. наук; Н.Ф. Гусев ², д-р биол. наук, профессор

¹ ФГБОУ ВО Оренбургский ГМУ; ² ФГБОУ ВО Оренбургский ГАУ

Загрязнение окружающей среды тяжёлыми металлами (ТМ) является глобальной мировой экологической проблемой и привлекает внимание как представителей здравоохранения, так и производителей качественной сельскохозяйственной продукции [1]. Опасность загрязнения ТМ обусловлена их токсичностью, способностью к кумуляции в пищевых цепях, а также длительным периодом полувыведения из живых организмов [2, 3]. ТМ с точки зрения физиологии живых организмов условно можно разделить на две категории. Первая категория металлов необходима клеткам в качестве микроэлементов (Zn, Cu, Fe, Mn, Ni и др.), т.е. выполняет важные биогенные функции, как правило, в составе металлопротеинов [1, 4]. Тем не менее уровень содержания этих элементов в среде нередко достигает токсических концентраций, опасных для растительных и животных организмов [4, 5]. Для второй категории металлов и металлоидов до настоящего времени не выявлены биологические функции в организмах растений и животных. К ним относят As, Ag, Cd, Pb, Se и Hg [6]. Поступающие в экосистемы из природных и антропогенных источников обе группы ТМ представляют потенциальную угрозу для жизнедеятельности живых организмов и здоровья человека [6]. 

В экосистемы ТМ поступают в результате естественных и антропогенных процессов, что нередко приводит к серьёзным последствиям для здоровья человека и окружающей среды и требует организации проведения системных мониторинговых исследований в регионах России для определения уровня безопасности природных вод, атмосферного воздуха, продуктов сельского хозяйства, а также дикорастущих лекарственных, пищевых и кормовых растений и грибов.

Формирование элементного состава растительного сырья зависит от множества факторов, среди которых состав и качество почвы являются ведущими. Тем не менее видовые особенности метаболизма растений приводят к различиям в их способности до определённой степени контролировать поступление ТМ из окружающей среды в генеративные и ассимилирующие органы, снижая тем самым риск окислительного стресса и апопотоза [2]. Различие в коэффициентах биологического накопления ТМ (КБН) позволяет выявить виды с высоким и низким уровнем транслокации ТМ из почвы в ткани надземных или чаще подземных органов. Так, растения, способные к фитоэкстракции (фитоаккумуляция, фитоабсорбция или фитосеквестрация) – интенсивному поглощению ТМ из почвы или воды корнями растений с их последующей кумуляцией в надземной биомассе, рекомендуются для проведения фиторемедиации загрязнённых почв.

Нами предпринята попытка рассмотреть вопросы распределения ТМ в системе почва – растение для оценки уровня безопасности лекарственного растительного сырья и определения перспективных для фиторемедиации видов растений на территории полей орошения Оренбургского газоперерабатывающего завода (ОГПЗ).

Цель исследования – проведение оценки содержания ТМ (кобальта и кадмия) в органах лекарственных растений, почве и сточных водах на полях орошения Оренбургского газоперерабатывающего завода, а также изучение особенностей транслокации элементов в зависимости от таксономической принадлежности видов растений.

Материал и методы исследования. Объектами исследования стали образцы лекарственного растительного сырья (ЛРС), почвы и сточных вод, отобранные в санитарно-защитной зоне ООО «Газпром добыча Оренбург» на полях орошения сточными водами предприятия. Для изучения был выбран вид, применяемый в народной и официнальной медицине, – Polygonum amphibium L. (горец земноводный)

Polygonum amphibium L. (горец земноводный) – травянистое многолетнее растение семейства Гречишные (Polygonaceae), способное произрастать в воде и на суше. Растёт P. amphibium в озёрах, прудах, заводях рек, на болотах, заболоченных лугах и по илистым берегам водотоков. Распространён в средней полосе России, на Урале, в Сибири и на Дальнем Востоке. Корневища содержат большое количество танидов, органических кислот, слизистых и пектиновых веществ. Трава содержит флавоноиды, эфирное масло, органические кислоты, таниды, каротиноиды, витамин С. Препараты P. amphibium обладают выраженным вяжущим, мочегонным и кровоостанавливающим действием. Народная медицина применяет растение для лечения почечно-каменной болезни, подагры, геморроя, холецистита и нервных расстройств, а также как потогонное, вяжущее, тонизирующее и возбуждающее половую активность средство [7].

Сбор образцов растений проводился в количестве не менее 20 экз. на 3 – 5 участках полей орошения. Далее сырьё высушивалось воздушно-теневым способом и подвергалось анализу на содержание микроэлементов. Отбор проб почвы производился с помощью процесса комбинированного отбора. При каждом отборе проб были взяты и перемешаны 3 – 5 почвенных подвыборок. Отбор проб воды осуществлялся как непосредственно в ручье, протекающем по полям орошения в местах произрастания горца земноводного. Определение содержания ТМ проводилось в межкафедральной комплексной аналитической лаборатории ФГБОУ ВО «Оренбургский государственный аграрный университет» методом атомной абсорбционной спектросокопии на приборе марки «Спектр–5» (Россия) согласно ГОСТу 30692 – 2000.

Результаты исследования. Представленные в таблице 1 данные свидетельствуют, что в образцах почвы, собранных на полях орошения Оренбургского газоперерабатывающего завода, содержание Со и Cd не превышает установленных в России норм (ГН 2.1.7.2041 – 06). В образцах сточной воды, используемой на полях орошения ОГПЗ, содержание кадмия превышает установленные в Российской Федерации нормативы (ГН 2.1.5.1315 – 03), тогда как содержание кобальта находится в пределах нормы (рис. 1). Нами были рассчитаны коэффициенты транслокации элементов в почве, воде и тканях растений.

Рис. 1 – Содержание кадмия и кобальта в сточных водах и почве полей орошения ОГПЗ

Содержание кобальта и кадмия в исследуемом ЛРС не превышало установленных нормативов для продуктов и кормов (табл. 1, рис. 2). Тем не менее даже следовые количества кадмия могут представлять опасность для здоровья людей и животных, так как кадмий характеризуется высокой токсичностью и способностью к кумуляции в объектах биоты и особенно при миграции в пищевых цепях [8].

С позиции экологической безопасности мы посчитали необходимым рассчитать коэффициент биологической транслокации кобальта и кадмия в системе почва – растение, что позволило определить эффект биоаккумуляции кобальта в тканях корня и надземных органах Polygonum amphibium (табл. 1, рис. 3). В отношении кадмия нами отмечен физиологический барьер, препятствующий поступлению токсичных элементов в ткани растения, особенно в ассимилирующие и генеративные органы (табл. 1, рис. 3).

Рис. 2 – Содержание кобальта и кадмия в ЛРС Polygonum amphibium  (трава и корневища) на полях орошения ОГПЗ

Рис. 3 – Коэффициенты транслокации кобальта и кадмия в различных средах и тканях Polygonum amphibium  (трава и корневища) на полях орошения ОГПЗ

На биодоступность ТМ для корневой системы растений влияют корневые экссудаты, органические кислоты, сидерофоры и протоны. ТМ поступают в ткани корня преимущественно в форме ионов. Растения могут до известной степени контролировать поглощение и транспорт ТМ, например, с помощью регуляции работы белков-транспортёров, реакциями комплексообразования с последующей секвестрацией, корневой экссудацией органических лигандов. К механизмам адаптации растений к повышенным концентрациям ТМ относятся: хелатирование, компартментация в вакуолях и других клеточных органеллах, а также индукция синтеза антиоксидантов [9]. Хелатирующие вещества растений способствуют детоксикации металла за счёт снижения концентрации свободного металла в цитозоле, что ограничивает его реакционную способность и растворимость. В частности, увеличение биосинтеза хелатирующих соединений (органические кислоты, металлотионеины, фитохелатины, полифенолы, цистеин, глутатион) позволяет накапливать ТМ в тканях корня, защищая тем самым генеративные и ассимилирующие органы от накопления свободных ионов ТМ, которые способны спровоцировать окислительный стресс и гибель клетки [1, 2].

К механизмам токсического действия ТМ относят их способность индуцировать образование активных форм кислорода (АФК). Некоторые ТМ способны оказывать негативный эффект путём вытеснения микро- и макроэлементов, а также нарушая структуры биомолекул и важных стресс-регуляторных белков, хелатируя функциональные группы [10]. 

Особую озабоченность вызывает кумуляция ТМ при их миграции в пищевых цепях, что связано с риском для здоровья животных и человека [9]. 

Кобальт относится к важнейшим микроэлементам растений, участвующим в образовании металлоферментов, и максимальное его содержание зафиксировано в хлоропластах и митохондриях растительных клеток. Кобальт положительно влияет на рост высших растений, повышает устойчивость хлорофилла, активизирует ферментные процессы, принимая тем самым участие в окислительном фосфорилировании и фотосинтезе, в матричных синтезах, а также в синтезе кобаламина [1, 6].

Поглощение ионов Cо²⁺ корнями происходит по механизму пассивного и активного транспорта, но молекулярные механизмы последнего пока не изучены. Скорость поглощения кобальта из почвенного раствора и распределение его в органах и тканях зависят от видовых особенностей растений [10]. Polygonum amphibium, собранный на территории полей орошения ОГПЗ, характеризуется накоплением кобальта в надземных и подземных органах. При этом концентрация данного элемента выше в тканях корня по сравнению с побегами. Содержание Со в сухом веществе растений, согласно литературным данным, составляет от 0,05 до 11,6 мг/кг, что согласуется с полученными нами сведениями (табл. 1).

Токсичность повышенных концентраций Со связывают с развитием окислительного стресса, угнетением ассимиляции и трансляционного аппарата, а также развивающимся на фоне избытка кобальта дефицитом железа [11, 12]. При повышенных концентрациях Со в живых организмах отмечается кобальтиндуцируемый апоптоз, блокируемый высокими дозами антиоксидантов. Высокие концентрации Со приводят к нарушениям репарации ДНК в ядре, хлоропластах и митохондриях.

Кадмий поступает в почвы в основном с выбросами промышленных предприятий и характеризуется высоким уровнем токсичности и активной миграцией в пищевых цепях, где он способен к кумуляции [1, 11]. Несмотря на то, что Cd не входит в число необходимых для жизнедеятельности растения элементов, он довольно легко поглощается корневой системой и поступает в надземные органы, что подтверждается отмеченным нами отсутствием у Polygonum amphibium физиологического барьера для данного элемента. В малых концентрациях Cd может стимулировать процессы жизнедеятельности растений [11]. Известно, что в основном Cd локализуется в корнях и в меньших количествах – в тканях стебля, черешков и центральных жилок листьев [11]. Токсическое действие кадмия проявляется в снижении интенсивности фотосинтеза и тканевого дыхания, нарушении транспирации, фиксации углекислого газа в листьях и в изменении проницаемости мембран. Благодаря сходству структуры кадмия с цинком он замещает последний в активных центрах многих ферментов, нарушая работу дегидрогеназ, фосфатаз, пептидаз, карбоангидразы [11].

В литературе приводятся данные о косвенном влиянии Cd на образование перекиси водорода, супероксидного и гидроксильного радикалов путём увеличения свободных нехелатированных ионов железа и меди в клетке, принимающих участие в реакции Фентона. Кадмийзащитным эффектом обладают некоторые антиоксиданты: аскорбиновая и салициловая кислоты, токоферол и каротиноиды [12]. Индуцированные кадмием и другими ТМ системы антиоксидантной защиты растений инактивируют активные формы кислорода. Также в загрязнённой среде обитания ТМ индуцируют синтез фитохелатинов, глутатиона и салициловой кислоты в растениях [11, 12].

Наши исследования показали, что Polygonum amphibium способен к установлению физиологического барьера, препятствующего поступлению кадмия в ткани. Наиболее выражен барьер для генеративных и ассимилирующих органов. Данное явление, вероятно, объясняется высоким риском окислительного стресса в отношении ассимилирующих оорганов и опасностью повреждения нуклеиновых кислот – для генеративных.

Следует отметить, что повышенные количества ТМ обычно приводят к нарушениям водного обмена, что в нашем случае не является актуальным для растений на полях орошения ОГПЗ. Более того, уже во второй половине июня на фоне окружающей растительности поля орошения выделяются хорошим уровнем продуктивности фитомассы и жизненности растений.

Выводы. Проведённый анализ проб почвы и лекарственного растительного сырья Polygonum amphibium позволил установить уровни содержания кобальта и кадмия в исследуемых образцах. Результаты показали, что концентрация кадмия и кобальта в сточной воде и почве не превышает предельно допустимых уровней (ГН 2.1.7.2041 – 06). Почва на полях орошения ОГПЗ в районе исследования отличается выраженным коэффициентом кумуляции для Cd, тогда как накопление кобальта было относительно небольшим. 

Уровень загрязнения ТМ образцов ЛРС на полях орошения оценивался в сравнении с ГН 2.1.5.1315 – 03. Содержание кадмия и не превышает установленных нормативов. Подземные органы растения харастеризуются более высокими концентрациями кобальта и кадмия, чем надземные органы, что совпадает с литературными данными.

Литература

1. Немерешина О.Н., Шайхутдинова А.А. Оценка содержания тяжёлых металлов в тканях Polygonum aviculare L. на техногенно загрязнённых территориях // Экология и промышленность России. 2012. №. 9. С. 46 – 49.

2. Singh U.K., Kumar B. Pathways of heavy metals contamination and associated human health risk in Ajay River basin, India // Chemosphere. 2017. Т. 174. С. 183 – 199.

3. Fageria N. K., Baligar V. C., Jones C. A. Growth and mineral nutrition of field crops. CRC Press, 2010.

4. Yadav S.K. Heavy metals toxicity in plants: an overview on the role of glutathione and phytochelatins in heavy metal stress tolerance of plants //South African Journal of Botany. 2010. Т. 76. №. 2. С. 167 – 179.

5. Seth C.S., Misra V., Chauhan L.K.S. Accumulation, detoxification, and genotoxicity of heavy metals in indian mustard (Brassica juncea L.) // International journal of phytoremediation. 2012. Т. 14. № 1. С. 1 – 13.

6. Махлаюк В.П. Лекарственные растения в народной медицине. Саратов: Приволжское кн. изд., 1993.

7. Wang L. et al. A review of soil cadmium contamination in China including a health risk assessment //Environmental Science and Pollution Research. 2015. Т. 22. №. 21. С. 16441 – 16452.

8. Cui X. et al. Potential mechanisms of cadmium removal from aqueous solution by Canna indica derived biochar // Science of the Total Environment. 2016. Т. 562. С. 517 – 525.

9. Hu R. et al. Intercropping with hyperaccumulator plants decreases the cadmium accumulation in grape seedlings // Acta Agriculturae Scandinavica, Section B-Soil & Plant Science. 2019. Т. 69. № 4. С. 304 – 310.

10. Benavides M. P., Gallego S. M., Tomaro M. L. Cadmium toxicity in plants // Brazilian journal of plant physiology. 2005. Т. 17. № 1. С. 21 – 34.

11. Sharma V., Naugraiya M. N., Tomar G. S. Toxic effects of cobalt, chromium, lead and nickel chloride on growth performance of siris (Albizia spp.) // IJCS. 2018. Т. 6. № 2. С. 2407 – 2410.

DOI 10.37670/2073-0853-2020-83-3-122-126

Аннотация

Опубликовано Известия Оренбургского Государственного Аграрного Университета 2020 № 3 (83), стр. 122-126