Аналіз активності каталази і вмісту пероксиду водню у проростків пшениці за росту на субстратах породних відвалів вугільних шахт з внесенням золи ТЕС як меліоранта

Размещено на http://allbest.ru

Львівський національний університет імені Івана Франка

Кафедра фізіології та екології рослин

Курсова робота на тему:

Аналіз активності каталази і вмісту пероксиду водню у проростків пшениці за росту на субстратах породних відвалів вугільних шахт з внесенням золи ТЕС як меліоранта

Львів - 2014

ЗМІСТ

ВСТУП

1. ОГЛЯД ЛІТЕРАТУРИ

1.1 Опис і рекультивація породних відвалів як антропогенно - порушених територій

1.1.1 Лісова рекультивація

1.1.2 Природне заростання відвалів

1.1.3 Фітомеліорація породних відвалів вугільних шахт

1.2 Активні форми кисню - сигнальні молекули для адаптаційного процесу

1.2.1 Значення пероксиду водню в рослинних організмах

1.3 Антиоксидантна система у рослин

1.3.1 Каталаза, як високомолекулярний антиоксидант в рослині

1.4 Вплив важких металів і кислотності на фотосинтетичний апарат рослин

2. ОБ'ЄКТИ,МЕТОДИ ТА УМОВИ ПРОВЕДЕННЯ ДОСЛІДЖЕНЬ

2.1 Характеристика породного відвалу

2.2 Об'єкт дослідження

2.3 Схема досліду

2.4 Визначення морфометричних параметрів

2.5 Визначення вмісту пероксиду водню

2.6 Визначення активності каталази

2.7 Визначення концентрації білку

3. РЕЗУЛЬТАТИ ДОСЛІДЖЕНЬ ТА їхнє БГОВОРЕННЯ

3.1 Морфометричні показники проростків пшениці за дії витяжок із порід

3.2 Визначення активності каталази у проростках пшениці за дії водних витяжок з порід каталаза пшениця відвал меліорант

3.3 Визначення вмісту пероксиду водню у проростках пшениці за дії водних витяжок з порід

ВИСНОВКИ

СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ

ВСТУП

Вугільна промисловість почалася в Англії, бурхливо розвивалася у Німеччині, а перша шахта у Донбасі з'явилася у 1795 році і цим роком датується початок української кам'яновугільної галузі. За роки експлуатації Донбас дав людям десятки мільярдів тонн "чорного золота". Із появою вугільних шахт почали створюватися насипи ґрунту породного відвалу - терикони.

Терикон -- насип конічної форми з відвалу (порожніх гірських порід), які витягаються з шахт в ході видобування вугілля або руди. З нього вилуджується понад 8 тонн солей, в тім числі сполуки шкідливих для здоров'я важких металів - кадмію, ртуті, тощо. Всі ці речовини та їх сполуки створюють навколо терикону зону безплідної пустелі. Одним із таких породних відвалів є терикон ЦЗФ ЗАТ “Львівсистеменерго” біля сумнозвісного с.м.т. Соснівка. Вміст піриту у ґрунті даного породного відвалу складає 1%. Тіонові бактерії (аеробні мікроорганізми) розкладають цей сірковмісний мінерал з виділенням елементарної сірки. Сірка має здатність самозайматися при концентрації 286 грамів в кубометрі повітря. Якщо кількість сірки менша вищезазначеної, тоді займання не відбувається, але процес розкладання піриту супроводжується утворенням концентрованої сірчаної кислоти, яка займає велику площу поверхні відвалу і постійно кипить при температурі приблизно 350Со. Цим зумовлена така висока кислотність не лише на териконі, але і у стічних водах.

Метою нашої роботи було проаналізувати активність каталази і вмісту пероксиду водню у етиольованих проростках пшениці на субстратах породних відвалів вугільних шахт для подальшого використання отриманих результатів у практиці визначення стійкості рослин за цими показниками.

1. ОГЛЯД ЛІТЕРАТУРИ

1.1 Опис і рекультивація породних відвалів як антропогенно порушеної території

Добування корисних копалин спричиняє руйнування значних площ земної поверхні та знищення ґрунтового і рослинного покриву. Відвали, кар'єри та інші девастовані ділянки забруднюють продукти водної та вітрової ерозії прилеглі сільськогосподарським угіддям, лісові масиви, водотоки і населені пункти. Територія, яка зазнала такого негативного впливу, в десять разів перевищує площу порушених ділянок [6]. Внаслідок розробок корисних копалин виникають техногенні рельєфи. На поверхні залишаються відвали породи, вона набуває нерівного горбистого чи котловинного характеру.

Підземне добування вугілля майже у всіх випадках здійснює вплив на природу в однакових напрямках, але з різним ступенем девастації. Лише технологія видобутку вугілля з повним закладанням виробленого простору дає змогу уникнути породних відвалів, хоча для покриття дефіциту закладного матеріалу його доводиться добувати відкритим способом у спеціальних кар'єрах або із старих відвалів шахтної породи чи шлаків [17].

У країнах СНД найбільші території, порушені гірничодобувною промисловістю, зосереджені в таких промислових районах як Донбас, Криворіжжя, Підмосковський басейн, Приамурський басейн, Курська магнітна аномалія, Південний і Середній Урал, Кузбас та ін. Для вирішення екологічних проблем,пов'язаних із добуванням корисних копалин, функціонують наукові центри, які розробляють і впроваджують у виробництво науково-прикладні принципи рекультивації, придатні для місцевих умов.

Рекультивація - штучне відновлення родючості ґрунтів і рослинного покриву після техногенного порушення природи.

Рекультиваційні заходи рекомендують [7], проводити у три етапи: підготовчий, гірничо-технічний та біологічний. Перший етап передбачає обстеження порушеної території, вивчення її специфіки, на основі чого визначається напрям рекультивації та цільове використання рекультивованих земель, вибираються методи роботи. На другому етапі відбувається раціональне формування поверхні відвалів, нанесення ґрунтосумішей. Третій етап наближає рекультивовану територію до цільового використання шляхом відновлення родючості порушених земель.

Серед багатьох напрямків рекультивації [19], лісова рекультивація є найпоширенішим способом освоєння девастованих ландшафтів.

1.1.1Лісова рекультивація

Лісова рекультивація земель передбачає створення на відпрацьованих відвалах розкривних порід лісових насаджень різного типу. Переважно вона поширена в лісовій зоні під час освоєння порушених земель (відвалів, кар'єрів) незначної площі, складених придатними і малопридатними породами.

Дослідження із рекультивації порушених земель були розпочаті у 1948--1951 рр. в інституті лісівництва АН УРСР. Це були спроби озеленення териконів Донбасу [19]. Породи винесені на поверхню, якими складені терикони Донбасу, складаються із глинистих і піщано-глинистих сланців. Вони дуже кислі, але багаті на органічні речовини і містять значну кількість рухомих сполук азоту, фосфору і калію. Їх потенційній родючості перешкоджає присутність в породах піриту, який, окислюючись, утворює сірчані окисли, солі сірчаної кислоти та інші сполуки, що негативно впливають на ріст і розвиток рослин.

Великий практичний досвід із озеленення териконів Донбасу нагромаджений Донецьким ботанічним садом АН України [11]. Озелененню териконів деревною рослинністю стоїть на заваді висока температура субстрату, яка на півтораметровій глибині змінюється від 63 °С в підніжжі до 157--161 °С на вершині. Значно розвинена капілярність призводить до швидкого висушування верхнього шару субстрату та його інтенсивного розтріскування. Визначення придатності рослин для фітомеліорації териконів лише на основі чутливості до екологічних чинників, без врахування морфологічних особливостей, не завжди ефективне. В даних умовах, маючи кращі ксеро-, гало- та ацидофільні властивості, рослини з поверхневою кореневою програють рослинам з глибокою кореневою системою.

Спеціальні десятирічні дослідження допомогли Б.І. Логгінову [15] дійти висновку, що вплив несприятливих умов на териконах вугільних шахт Донбасу можна подолати шляхом ретельного підбору стійких деревних і чагарникових порід, проведенням спеціальних заходів із покращення умов місцезростання. Сутність способу заліснення кам'янистих відвалів полягає у садінні на них однорічних дрібних приземистих сіянців з добре розвиненою кореневою системою при мінімальному порушенні поверхневого дрібно-зернистого шару. Необхідними є полив і внесення мінеральних добрив.

А.П. Травлєєв [24] із співробітниками [1, 8] протягом 25 років вивчають техногенні зміни чинників довкілля в Західному Донбасі, розробляють теоретичні основи і методи створення стійких і довговічних лісових екосистем на порушених промисловістю землях. На експериментально-виробничих ділянках лісової рекультивації породних відвалів шахт проводяться стаціонарні дослідження компонентів біогеоценозів. Особливого значення надають вивченню первинного ґрунтоутворення, генезі та еволюції еталонних і деструктивних ґрунтів на основі комплексу біоекологічних, фізико-хімічних, макро- і мікроморфологічних методів, виявленню особивостей матеріально-енергетичного обміну, біогеохімічних циклів елементів живлення, швидкості біологічного кругообігу речовин.

1.1.2 Природне заростання відвалів

Видовий склад рослин, які з'являються при природному заростанні, визначається природно-кліматичними чинниками та водно-фізичними властивостями відвальних субстратів [3]. Контрасти на експозиціях схилів і складний мікрорельєф спричиняють виникнення локальних мікрокліматів, асиметричний розвиток явищ вивітрювання, розподілу та акумуляції тонко дисперсних продуктів вивітрювання, тому створюється певна сукупність екологічних ніш з різними режимами зволоження, теплозабезпечення і ґрунтового живлення, зумовлюючи неоднорідність в таких ландшафтах сукцесій рослинності.

Сукцесіями називають послідовну необоротну й закономірну зміну одного біоценозу іншим на певній ділянці середовища. Теорію сукцесій спочатку розробляли геоботаніки, але потім стали широко використовувати й інші екологи. Одним з перших теорію сукцесій розробив Ф. Клементс і розвив В.Н. Сукачов [23].

Термін було введено Ф. Клементсом який передбачає незворотність рослинних змін, їх спрямування. Основною причиною зміни фітоценозів є зміна середовища внаслідок життєдіяльності рослин, які входять до їх складу. Розвиток фітоценозів автор концептуально аналогізував із онтогенезом організму з урахуванням серійних і моноклімаксових стадій.

Однією з основних особливостей сукцесій є поступове сповільнення темпів зміни фітоценозів, внаслідок чого послідовний ряд їх завершується відносно стійким фітоценозом. Весь ряд угруповань, від піонерного, нестійкого, до відносно сталого,Ф. Клементс назвав серією, а окремі етапи розвитку сукцесій - серійними стадіями.

Поширеною є класифікація В.М. Сукачова [23], де сукцесії систематизовано за причинами, які їх зумовлюють: автогенні (сингенетичні, ендогенетичні, філоценогенетичні) та екзогенні (гологенетичні та локальні катастрофічні) сукцесії.

С.П.Жуков [16], вивчаючи сукцесійну динаміку рослинності відвалів вугільних шахт Донбасу, виявив 262 види судинних рослин, які належать до 177 родів та 49 родин. З них самостійно на відвалах поселяються 244 види. Стосовно систематичної структури флори породних відвалів, відділ Pinophyta представлений двома видами одного роду і родини, які потрапляють на відвали внаслідок рекультиваційних заходів.

Рослини, які поселяються на породних відвалах, можуть зазнавати значних змін: варіювання розмірів від карликовості до гігантизму, скорочення онтогенезу, зміни у фенології та інші. Умови едафотопу породних відвалів не мають аналогів у природі, рослинного покриву на них немає, тому відбувається формування нової флори [4].

1.1.3 Фітомеліорація породних відвалів вугільних шахт

Інтенсивне промислове освоєння Червоноградського гірничопромислового району істотно змінило соціально-економічний стан регіону, і, водночас, спричинило негативні зміни складеного тут природного комплексу: осідання земної поверхні, її підтоплення і заболочення, забруднення поверхневих та підземних вод, вилучення, і деградацію сільськогосподарських земель, виснаження водоносних горизонтів, інтенсивне утворення відвалів, зменшення лісистості [22]. Тому важливою є постійна увага до техногенних екосистем, оздоровлення яких може бути здійсненим за допомогою фітомеліорації [14].

Фітомеліорація полягає у дослідженні, прогнозуванні та використанні рослинних систем для покращення геофізичних, геохімічних, біотичних, просторових та естетичних характеристик довкілля, проектуванні та створенні штучних рослинних угруповань із властивостями, здатними активно змінювати фізичне середовище[14, 13].

Ю.П. Бяллович [5], класифікуючи лісові культури за їх призначенням, виділяє три категорії фітомеліорантів: 1) спеціальні,де зовсім виключається господарська діяльність, спрямована на одержання продукції; 2) продукційні, де фітомеліоративні функції виконують без шкоди для головного продукційного використання; 3) рудеральні - спонтанна рудеральна рослинність. Змінюючи в процесі росту морфоструктуру, рослини перетворюють геофізичну конструкцію фітоценозу, починаючи зміни у ланцюгу перетворень.

1.2 Активні форми кисню - сигнальні молекули для адаптаційного процесу

Утворення та нагромадження активних форм кисню (АФК) відіграє важливу роль, вони є високотоксичними інтермедіатами, а також регуляторами метаболічних процесів і захисних реакцій. У ланцюгу вільнорадикального окиснення першими звичайно з'являються АФК -- супероксидний аніон-радикал О2- та синглетна форма кисню О2, гідроксильний радикал ОН+, пероксид водню Н2О2. Вони дають початок низці інших радикалів -- окиснених галогенів (СlО -- гіпохлорит), оксидів азоту (N0 -- оксид азоту), ініціюють вільнорадикальне пероксидне окиснення ліпідів. Проте антиоксидантні системи обмежують їх активацію, перешкоджають продовженню та розгалуженню ланцюгів вільно радикального окиснення, підтримують про- та антиоксидантну рівновагу в межах норми реакції. Зсув рівноваги в бік прооксидантів вважають найінформативнішим показником для оцінки ступеня впливу різних факторів на організм. Залежно від інтенсивності оксидного стресу рослини можуть активувати гени захисту клітини чи програмовану смерть клітини.

1.2.1 Значення водню пероксиду в рослинних організмах

Нагромадження активних форм кисню (АФК), до яких належить Н2О2, вважається однією з ключових реакцій рослинних клітин на дію стресових факторів [27].

Активні форми кисню можуть викликати пригнічення розвитку патогена в інфікованій клітині і локальну загибель клітин рослини-живителя у разі гіперчутливої реакції. АФК здатні "вмикати" метаболічні сигнальні мережі, які закінчуються експресією генів захисних білків і ферментів синтезу фітоалексинів і, як наслідок, руйнувати патогенні мікроорганізми та віруси [12].

Роль утворення АФК у реакціях рослин на абіотичні стресові чинники досліджена меншою мірою. Проте, відмічено підвищення стійкості рослин під дією саліцилової кислоти і Н2О2 до теплового та сольового стресу [10].

Взаємодія рослин із патогенами супроводжується значними змінами в окисних реакціях, що призводить до утворення різних форм активного кисню, до яких відноситься і водню пероксид, що відіграє важливу роль у захисті рослин. Пероксид водню окислюючи залишки тирозину (при цьому утворюються вільні радикали залишків тирозину) в білках клітинної стінки, викликає їх зшивку з утворенням дитирозинових містків. АФК відіграють важливу роль у виявлені реакції гіперчутливості.

Первинна форма АФК - супероксидний аніон-радикал О2-•, джерелом якого є НАДФ-оксидаза плазматичної мембрани. Із О2-• утворюється Н2О2 під дією ферменту супероксиддисмутази. Аніон-радикал в рослинних клітинах утворюються за участю пероксидаз клітинної стінки. В умовах залуження позаклітинного середовища, яке відбувається при впізнані патогена клітиною, одноелектронне окиснення НАД за участю пероксидаз призводить до утворення НАД•- радикалів, які самовільно окислюють О2. Пероксид водню утворюється за участю оксалатоксидази, аміно- і поліамінооксидази, ксантин- і альдегідооксидази [21].

Певна кількість АФК утворюється при нормальному функціонуванні всіх клітинних систем, включаючи мітохондрії, хлоропласти, пероксисоми, ЕПР, клітинну стінку [9]. Електронно-транспортні ланцюги хлоропластів, мітохондрій, ядерних мембран - джерела АФК [26].

Отже, вільні радикали - це нормальні метаболіти клітин, які мають важливе значення у життєдіяльності рослинних організмів [20].

1.3 Антиоксидантна система у рослин

1.3.1 Каталаза, як високомолекулярний антиоксидант в рослині

Каталаза - фермент, виявлений у клітинах практично усіх аеробних організмів. Поряд з розкладанням пероксиду водню і тим самим захистом клітини від його токсичного впливу, фермент каталізує цілу низку метаболічно важливих реакцій [18].

Молекула типової каталази складається з чотирьох ідентичних субодиниць, кожна з яких як кофактор містить залізопорфіриновий комплекс. У клітинах еукаріот каталаза локалізована у пероксисомах та гліоксисомах. Пероксисоми - обмежені елементарною двошаровою мембраною органели. Існують дві моделі біогенезу пероксисом. Одна з них передбачає відгалуження від ендоплазматичного ретикулуму. Згідно з другою, - нові пероксисоми утворюються під час поділу, який наступає після росту передіснуючих органел. Гліоксисоми -- спеціалізована форма пероксисом, містять ферменти метаболізму запасів ліпідів. У запасних тканинах насіння, що розвивається, біля 80% каталазної активності знайдено у гліоксисомах. Каталазу виявлено також у цитозолі, причому в насінні Castor been фермент виділений з цитозолю.

Фізіологічна роль каталази. Каталаза - компонент комплексного ферментативного захисту організму від токсичних сполук кисню. Аеробний спосіб існування забезпечує організму великі переваги поряд зі значною небезпекою в разі порушення захисних механізмів. Цілковите відновлення кисню до пероксиду водню потребує витрати чотирьох електронів і у цьому процесі нараховується декілька послідовних інтермедіатів, токсичних для живої клітини, якими є: радикал супероксиданіона, радикал гідроксилу, пероксид водню.

Ферменти антиоксидантного захисту: супероксиддисмутаза, каталаза, пероксидаза діють як сильні радіопротектори, приймаючи участь у вилученні кисневих метаболітів та вільних радикалів. Отже, суперокиддисмутаза та каталаза становлять першочерговий інтерес для радіаційної хімії, біології та терапії, здійснюючи захист клітини від шкідливої дії іонізуючої радіації на ДНК, мембрани, білки, інші фізіологічно активні речовини і порушень, що виникають внаслідок цього клітинного метаболізму.

Активність каталази. Як правило, вміст каталази у клітині достатній, щоб не дозволити утворити великій кількості пероксиду водню, який генерується ендогенно. Проте за летальних та мутагенних доз іонізуючої радіації, ряду патофізіологічних процесів, а також при додаванні екзогенного пероксиду водню утворюються короткоживучі радикали, які пошкоджують ДНК і викликають мутації. Здебільшого активація каталази корелює з активацією інших ферментних систем.

Адаптація до Н2О2 є виключно важливою для виживання потенційних бактерій активованими гранулоцитами.

Пероксидазна активність каталази. Вважають, що каталазна активність є необхідною для захисту організму від пероксиду водню, що генерується внутрішньоклітинно, в той час, як пероксидазна активність зумовлює окислювальні процеси за участі пероксиду, які призводять до утворення важливих метаболітів. Співвідношення каталазної та пероксидазної активностей зростає із збільшенням концентрації пероксиду. Пероксидазна активність каталази збільшується за високих концентрацій каталази та її субстратів - донорів протонів. Активність ферменту знижується в ацетатних та цитратних буферах.

1.4 Вплив важких металів і кислотності на фотосинтетичний апарат рослин.

Одній з найважливіших характеристик фотосинтетичного апарату, що визначає його активність і розвиток, є вміст хлорофілів. Показана пряма залежність між їх кількістю і продуктивністю рослин, життєздатністю і стійкістю до несприятливих чинників [2].

Хлорофіли - найважливіші з молекул фотосинтетичних мембран, такі, що поглинають світло. Вони виконують декілька важливих функцій в первинних фотофізичних і фотохімічних процесах фотосинтезу. Їх роль полягає в наступному: 1) синглетно збуджені стани передаються на молекули хлорофілів за час, який вимірюється в пікосекундах; 2) велике число молекул хлорофілів діє кооперативно і грає роль антени у фотосинтетичній мембрані, переносячи енергію синглетного збудження (екситон) до реакційного центру, а також - енергію триплетних збуджених станів на молекули каротиноїдів; 3) між хлорофілами (у фотосистемі I) і феофітинами (у фотосистемі II) відбувається первинне розділення зарядів (тобто перенесення електронів) в реакційних центрах. Окислювальні і відновні сили, що утворюються при первинному розділенні зарядів, використовуються для здійснення хімічних реакцій фотосинтезу, які в її відсутність не можуть відбуватися мимоволі [25].

2. ОБ'ЄКТИ,МЕТОДИ ТА УМОВИ ПРОВЕДЕННЯ ДОСЛІДЖЕНЬ

2.1 Характеристика породного відвалу

Червоноградський гірничопромисловий район є основним вугледобувним районом басейну і на нього припадає практично найбільше екологічно небезпечне навантаження, так як тут на відносно невеликій площі - 180км2, розташовано дванадцять вугільних шахт і 211 га відведено під породні відвали. До 80% техногенного навантаження відноситься площі приблизно в 30 км2, яка знаходиться в межиріччі річок Бугу і Рати, де проживає більшість населення району і одночасно розташовано сім вугільних шахт.

Рис. 1. Схема розташування шахт і ЦЗФ на території Червоноградського гірничо - промислового району

У 1979 році приблизно в трьох кілометрах від с.м.т. Соснівка збудована і введена в дію центральна збагачувальна фабрика (ЦЗФ) ЗАТ „Львівсистеменерго”, на якій збагачується вугілля, що видобувається десятьма вугільними шахтами. Річний видобуток вугілля складає біля 3,2 млн. тон, фабрика переробляє 2 млн. тон. В результаті технологічного процесу утворюються тверді і рідкі відходи. Тверді відходи складають 1,8 млн. т/рік, рідкі відходи - 1,35 млн. т/рік. Відходи відносяться до 4 класу небезпеки. Основний породний відвал ЦЗФ має висоту 68 метрів і займає площу коло 75 га. Верхівка відвалу плоска з горбом посередині, висота якого 10-12 метрів. Навколо горба на верхівці відвалу, розташовані досить великі за площею, плоскі відсипки породи, які відрізняються за кольором - при обстеженні нами у 2006 році на території породного відвалу ЦЗФ переважали аргілітові породи в основному чотирьох кольорів чорного, червоного, темно-сірого та сіро-жовтого, які і займали основну площу породного відвалу(Рис.2). Площа відвалу терасована на 5 терас, шириною приблизно 8-10 метрів, які утворились за рахунок доріг, по яких їздять важковантажні машини(Рис.3). Між дорогами-терасами знаходяться схили висотою 10-12 метрів, під кутом приблизно 45 градусів. Основну масу породи породного відвалу складають алевритисті та алевритові аргіліти. Аргілітами називають осадкові породи з групи глин, які не несуть явних слідів метаморфізму, не розмокають або розмокають дуже слабо у воді. За описом Бобровника ці аргіліти виникли під водою, в водоймищі, що сполучалось з морем так, як і піщаники, з якими вони перешаровуються, основними складовими частинами Львівсько-Волинського вугленосного басейну. Наявність піриту (до 1%) в аргілітах відвалу свідчить про те, що водний басейн мав в своєму складі достатньо сірководню. Аргіліти в основній своїй масі від темно-сірого кольору до чорного, інколи попелясто-сірі. Навколо породного відвалу викопана неглибока дренажна канава та знаходиться невеликий став, що утворився за рахунок стоків з відвалу. Водні стоки з відвалу спостерігались навіть у бездощовий період у вигляді струмків, крім того коло підніжжя відвалу за рахунок стоків сформувались невеликі стави. Сума річного стоку води з площі породного відвалу, розрахована за методом професора Огієвського, складає 0,118*106м3/рік з розрахунку 0,00375 м3/сек. Кислотність води із різних джерел, взятої у 2006-2007 рр. була наступною: дистильована вода - pH 5.35, вода з крану в с.м.т. Соснівка - pH 7.65, вода з крану у Львові - pH 7.3, технічна вода (так звана оборотка) - pH 8.1, стічна вода з відвалу - pH 2.74, ставок біля відвалу - pH 2.74, вода дренажної канави - pH 2.7-2.9, ставок між відвалом та селом Межиріччя - pH 2.80.

Вміст елементів у воді визначений хімічним методом та методом полум`яної фотометрії на приладі ПФМ - ЗОМЗ був наступним: вміст Na, K у 5 разів більше; Mg, Ca в 10 разів; Cl у 1.5 рази більше; S в 20-30 разів більше, ніж ГДК. Очевидно спостерігається міграція важких елементів з підземними та надземними водами, так як навіть на відстані 80--300 м від відвалу їх вміст перевищує ГДК в кілька разів. За мінералогічним складом у породі відвалу в середньому: аргіліту - 97%, алевроліту - 17-28%, піщанику - 2-20%, вугілля - 1-17%, піриту - 1%, вологість - 6-7%.

Хімічний склад породи (середній з 4 видів) визначений атомно - адсорбційним методом наступний: SiO2 - 56,2%; Fe2SO4 - 10,18%, Al2O3 - 23,71%; CaO - 0,99%; MgO - 0,73%; K2O - 2,44%; Na2O - 0,5%; SO3 - 7,55%; TiO2 - 1,09%. pH водної витяжки породи був таким: червона порода - 4,5; чорна - 3,3; сіра - 5,1; сіро-жовта - 3,0.

Рис.2 Загальний вигляд породного відвалу вугільних шахт ЦЗФ та дренажних канав - зі сторони фабрики ( с. Сілець Сокальського району Львівської області)

Рис. 3 Загальне зображення породного відвалу, під'їздні дороги для важкого транспорту

Рис. 4 Вид породного відвалу у довжину - з показом ярусності утворення та видом верхівки.

2.2 Об'єкт дослідження

Для дослідів використовували етиольовані проростки пшениці. Пшеницю пророщували у чашках Петрі на фільтрувальному папері, зволоженому розчинами за схемою поданою нижче. Насіння проростало у темряві в термостаті при температурі 24°С протягом семи діб, після цього проводили частину досліджень, пізніше виставляли рослини на світло (під лампи денного світла і визначали вміст пігментів фотосинтезу). За контроль приймали рослини, вирощені на дистильованій воді. Рослини ставили під лампи денного світла на 3 дні.

2.3 Схема досліду

1. Контроль;

2. 1 г. золи +100 г. червоної породи;

3. 2 г. золи +100 г. червоної породи;

4. 2.5 г. золи +100 г. червоної породи;

5. 5 г. золи +100 г. червоної породи;

6. 10 г. золи +100 г. червоної породи;

7. 1 г. золи +100 г. чорної породи;

8. 2 г. золи +100 г. чорної породи;

9. 2.5 г. золи +100 г. чорної породи;

10. 5 г. золи +100 г. чорної породи;

11. 10 г. золи +100 г. чорної породи

2.4 Визначення морфометричних параметрів

Визначали морфометричні показники етиольованих проростків пшениці, вимірюючи довжини і сиру маси пагонів та коренів на сьому добу росту на розчинах, які подані вище. Масу визначали зважуванням на електронних вагах, довжину за допомогою міліметрового паперу.

2.5 Визначення вмісту водню пероксиду

Для визначення вмісту водню пероксиду рослинний матеріал (1г.) гомогенізували та екстрагували 10 мл, 1/15 мМ фосфатним буфером (рН =7,0). Гомогенат фільтрували через фільтри Шота під вакуумом. Для визначення пероксиду водню до 1 мл фільтрату додавали 3 мл 0,1 % Ті(SO4)2 і витримували 5 хв. Інтенсивність забарвлення визначали при 410 нм на КФК-3.Вміст пероксиду водню розраховували у мг на 1г маси сирої речовини.

2.6 Визначення активності каталази

Наважка тканини 1г, додали на кінчику шпателя CaCO3 і 10 мл дист. води, розтерли і профільтрувати. Довели об'єм фільтрату до 10 мл, доливаючи воду через фільтр.

Каталазну реакцію запускали додаванням 0,1 мл гомогенату до 2 мл 0,03% розчину Н2О2. У холосту пробу замість гомогенату вносили 0,1 мл дистильованої води. Реакцію зупиняли через 5 хвилин додаванням 1 мл 4% розчину молібдату амонію.

Інтенсивність забарвлення холостої та дослідної проб визначали спектрофотометрично при довжині хвилі 410 нм проти контрольної проби, у яку замість пероксиду водню вносили 2 мл води.

Активність каталази визначали за формулою:

,

де, Е - різниця екстинції холостої та дослідної проб;

V - загальний об'єм суміші в кюветі;

n - розведення вихідного екстракту;

- молярний коефіцієнт екстинції комплексу Н2О2 з молібдатом амонію рівний 22200 М-1*см-1, в розрахунках використовували величину мілімолярного коефіцієнта екстинції, виражену як 22,2 см-1* мкмоль-1;

С - концентрація білка;

t - час реакції;

а - об'єм екстракту;

1 - довжина оптичного шляху.

Отримані результати виражали в мМоль Н2О2/хв мг білка.

2.7 Визначення концентрації білку

Метод базується на зв'язуванні з білками одного з кислих барвників - кумасі синього. При зв'язуванні з білками спектр поглинання барвника змінюється. Інтенсивність забарвлення залежить від концентрації білку у пробі.

Для визначення білку змішували 1,5 мл досліджуваного розчину із 1,5 мл. розчину Бредфорда. Через 20-30 хв. вимірювали поглинання світла при довжині хвилі 595 нм проти контрольної проби, яка не містила білку. Концентрацію білку визначали за допомогою калібрувального графіка і перераховували у мг на 1 г рослинного матеріалу.

3.РЕЗУЛЬТАТИ ДОСЛІДЖЕНЬ ТА ЇХНЄ ОБГОВОРЕННЯ

3.1 Морфометричні показники проростків пшениці за дії витяжків із порід

Першим етапом у нашій роботі було визначення морфометричних показників (табл. 1) у етиольованих проростків пшениці для з'ясування стійкості рослини до токсичних чинників даного породного відвалу, якими є низьке рН і великий вміст ВМ, які перевищують ГДК у десятки і сотні разів. Були зроблені водні розчини ВМ.

Таблиця 1

Вплив водних витяжок з субстратів породного відвалу вугільних шахт та золи Добротвірської ТЕС на морфо метричні показники етиольованих проростків пшениці

Варіант	Морфометричні показники
	Довжина пагона	Довжина кореня
	М±m	% до контролю	t	М±m	% до контролю	t
К.H2O	6,84±0,62	-	-	10,84±1,72	-	-
Червоний(1:5)	7,47±0,40	109	0,01	9,69±1,00	89	0,08
Чорний(1:5)	7±0,56	102	0,55	10,55±1,38	97	0,68
1 г. (Зола)/100мл	6,8±0,43	99	0,86	10,2±0,95	94	0,31
2 г .(Зола)/100мл	7,04±059	103	0,47	9,64±1,94	88	0,16
2.5г.(Зола)/100мл	6,96±0,40	101	0,61	9,56±1,73	88	0,11
5 г .(Зола)/100мл	7,13±0,41	104	0,23	9,97±1,28	91	0,21
10 г.(Зола)/100мл	7,17±0,49	104	0,2	11,3±1,1	104	0,48
К.H2O	0.074±0,01	-	-	0,059±0,016	-	-
Червоний(1:5)	0,072±0,006	97	0,75	0,057±0,012	96	0,78
Чорний(1:5)	0,076±0,014	102	0,77	0,058±0,012	98	0,89
1 г.(Зола)/100мл	0,077±0,012	104	0,63	0,052±0,010	88	0,28
2 г.(Зола)/100мл	0,085±0,013	114	0,1	0,055±0,013	93	0,53
2.5г.(Зола)/100мл	0,077±0,008	104	0,57	0,049±0,009	83	0,11
5 г.(Зола)/100мл	0,076±0,005	102	0,67	0,048±0,010	81	0,1
10 г.(Зола)/100мл	0,076±0,010	102	0,73	0,066±0,012	111	0,27

Дані таблиці 1 показують,що в більшій мірі витяжки з порід впливають більше на корінь, ніж на пагін. За дії витяжок червоної та чорної порід спостерігалось зменшення розмірів та маси кореня на 4 - 11%. Натомість довжина та маса пагона практично не мінялась, а в деяких випадках спостерігалось збільшення довжини та маси пагона відносно кореня. З використаних концентрацій золи найкращий ефект дії на показники виявила концентрація 2г. на 100мл води(1:50). Рослини, що зростали на суміші порід та золи проявляли кращі ростові процеси і набирали більшу біомасу.

Таблиця 2

Вплив водних витяжок з сумішей субстратів та різних концентрацій золи на морфометричні показники етиольовані проростків пшениці

Варіант	Морфометричні показники
	Довжина пагона(см)	Довжина кореня(см)
	М±m	% до контролю	t	М±m	% до контролю	t
К.H2O	6,6±0,39	-	-	11±1,31	-	-
1г/100г. черв.	6,6±0,46	100	1	7,86±1,57	71	0,0001
2г/100г. черв.	5,25±0,85	79	0.0002	5,71±3,04	51	8,33
2.5г/100г.черв	6,82±0,78	103	0,44	9,2±2,13	83	0,03
5г/100г. черв.	6,2±0,52	93	0,069	8,67±2,65	78	0,02
10г/100г. черв.	6,25±0,70	94	0,18	8,89±1,65	80	0,005
1г/100г. чорн.	6,32±0,55	95	0,21	11,06±2,42	100	0,94
2г/100г. чорн.	6,42±0,58	97	0,42	8,94±1,75	81	0,008
2.5г/100г.чорн	6,2±0,46	93	0,052	10,37±1,25	94	0,28
5г/100г. чорн.	5,86±0,42	88	0,0007	7,93±1,54	72	0,0001
10г/100г. чорн.	6,06±0,59	91	0,027	9,62±2,51	87	0,14
К.H2O	0,06±0,02	-	-	0,05±0,013	-	-
1г/100г. черв.	0,069±0,009	115	0,21	0,04±0,016	80	0,11
2г/100г. черв.	0,05±0,009	83	0,32	0,02±0,015	40	0,0004
2.5г/100г.черв.	0,06±0,011	100	0,21	0,05±0,01	100	0,73
5г/100г. черв.	0,06±0,009	100	0,077	0,04±0,014	80	0,11
10г/100г. черв.	0,06±0,015	100	0,58	0,05±0,01	100	0,84
1г/100г. чорн.	0,07±0,009	116	0,16	0,05±0,01	100	0,85
2г/100г. чорн.	0,07±0,01	116	0,2	0,04±0,01	80	0,29
2.5г/100г.чорн.	0,06±0,007	100	0,55	0,05±0,01	100	0,38
5г/100г. чорн.	0,05±0,005	83	0,75	0,04±0,01	80	0,15
10г/100г. чорн.	0,06±0,01	100	0,43	0,05±0,013	100	0,8

За дії витяжок суміші різних концентрацій золи з чорною та червоною породою, кращою на чорній породі виявляється 2г. на 100г. породи, а на червоній - 2,5г. на 100г. породи.

3.2 Визначення активності каталази у проростках пшениці за дії водних витяжок з порід

Каталаза - це один із ферментів антиоксидантного захисту, який, як і пероксидаза, бере участь у знешкодженні Н2О2 , що утворюється за дії стресових чинників. Каталаза каталізує розщеплення пероксиду водню до кисню та води, запобігаючи тим самим його токсичному ефекту, проте на відміну від пероксидаз вона не потребує відновного субстрату.

Таблиця 3

Визначення активності каталази в етиольованих проростках пшениці за дії водних витяжок з порід

Варіант	Вміст каталази
	M±m	%
Контроль	1,9*10^-5±1,21*10^-5	100
2,5г. золи	3,3*10^-5±4,11*10^-5	173
100г. чорної	3,8*10^-5±4,36*10^-5	200
100г. червоної	6,83*10^-5±6,37*10^-5	359
2,5+100г. чорної	7,46*10^-5±1,12*10^-5	392
2,5+100г. червоної	3,33*10^-5±2,04*10^-5	175

3.3 Визначення вмісту пероксиду водню у проростках пшениці за дії водних витяжок з порід

Відомо, що нагромадження активних форм кисню (АФК), до яких належить Н2О2, вважається однією з ключових реакцій рослинних клітин на дію стресових факторів. При дії абіотичних чинників у рослин виникає окислювальний стрес, внаслідок якого відбувається надпродукція активних форм кисню, які можуть неконтрольовано реагувати з білками, ліпідами, нуклеїновими кислотами, порушуючи їх структуру.

Таблиця 4

Вміст пероксиду водню у етиольованих проростках пшениці

Варіант	Вміст пероксиду водню
	M±m	%
Контроль	0,021±0,004	100
2,5г. золи	0,019±0,004	90,4
100г. чорної	0,023±0,007	110
100г. червоної	0,022±0,02	105
2,5+100г. чорної	0,036±0,014	171
2,5+100г. червоної	0,034±0,014	162

Спостерігаються відмінності в активності каталази у проростків пшениці за росту на витяжках золи та обох порід. На сумішах зола + чорна порода спостерігався синергізм, що виявляється у збільшені активності каталази, тоді як на суміші червона порода і зола навпаки зниження активності ферменту.

Що стосується змін вмісту пероксиду водню, то вони корегували з активністю каталази.

ВИСНОВКИ

Досліджено вплив витяжок субстратів породного відвалу та золи на ростові та біохімічні показники проростків пшениці.

Ростові показники проростків за дії сумішей були кращими, ніж за дії окремих компонентів.

Відмічено зміни вмісту H2O2 та активність каталази за дії витяжок золи, субстратів та їх сумішей.

Виявлені оптимальні концентрації золи для додавання до чорної та червоної породи.

Таким чином, додавання золи до субстратів в певних концентрація доцільно до використання в практиці фітомеліорації.

СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ

1. Белова Н.А. Экология, микроморфология, антропогенез лесных почв степной зоны Украины. - Днепропетровск: изд-во ДГУ, 1997. - 260 с.

2. Бессонова В.П., Михайлов О.Ф., Корытова А.И. Динамика пигментов и углеводов в листьях акации белой, произрастающей в различных лесорастительных условиях // Вопросы степного лесоведения и охраны природы. - Днепропетровск: ДГУ, 1976. - С.100-105.

3. Бондарь Г., Додатко Э. Сингенетические сукцессии растительного покрова на породах надугольной толщи Александрийского буроугольного месторождения // Груды Днепропетровского СХИ, 1974, т. 26. - С. 50-61.

4. Бурда Р.И. Антропогенная трансформация флоры. - К.: Наук, думка, 1991 - 168 с.

5. Бяллович Ю.П. Метод фитомелиорации/ Научн. отчет за 1945 г. Укр. ин-та агролесомелиорации. - Киев -Харьков. 1945.-С. 105-148.

6. Гладкова Л.И. Использование рекультивированных земель в сельском и лесном хозяйстве. - М.: ВНИИТЭИСХБ 1977. - 53 с.

7. Горбунов Н.И., Травлеев А.П., Красавин А.П. и др. Методические указания по рекультивации земель, нарушенных промышленостыо. - Днепропетровск: ДГУ, 1979.-51 с.

8. Зверковский В.Н. Биоэкологическое обоснование лесной рекультивации земель, нарушенных угольной промышленностью Западного Донбасса // Охорона довкілля: екологічні, освітянські, медичні аспекти. Матеріали III Всеукраїнської конференції. І частина- Кривий Ріг, 1998. - С 18-26.

9. Калашников Ю.Е., Закржевский Д.А., Балахнина Т.И. Действие засухи и переувлажнения на активацию кислорода и систему защиты от окислительной деструкции в корнях ячменя // Физиология растений. - 1992. - Т. 39, вып. 2. - С. 263-269.

10. Карпець Ю.В., Акініна Г.Є. Індукування термотолерантності рослинних клітин агентами окислювального стресу // Молодь і поступ біології. Збірник наукових статей Першої Міжнародної конференції студентів та аспірантів. - Львів: Сполос, 2005. - С.152.

11. Кондратюк Е.Н. Исследования и практика рекультивации нарушенных земель в Донбассе // Интродукция и акклиматизация растений. - К., 1985, вып. 3. - С. 3-6.

12. Кузнецов В.В., Ракитник В.Ю., Саданов Н.Г. и др. Участвуют ли полиамины в дистанционной передаче стрессорного сигнала у растений // Физиология растений. - 2002. - Т. 49, №1. - С. 136-147.

13. Кучерявий В.П. Урбоекологія. - Львів: Світ, 1999. - 360 с.

14. Кучерявый В.П. Екологія. - Львів: Світ, 2000. - 500 с.

15.Логгинов Б.И., Корецкий Г.С., Киричек Л.С. Использование вегетационного опыта при подборе пород для лесонасаждений на отвалах Криворожья / Научные труды Укр. с-х академии, вып. 94, 1973. - С. 4-6.

16. Жуков СП. Антропогенные сукцессии отвалов угольных шахт Донбасса. - Авто-реф. дис. к. б. н., Днепропетровск, 2000. - 19 с.

17. Меркулов В.А. Охрана природы на угольных шахтах. - М.: Недра, 1981. - 183 с.

18. Мірошниченко О.С. Біогенез, фізіологічна роль та властивості каталаз //Біополімари і клітина. - 1992. - Т.8, № 6. - С. 59-77.

19. Панас Р.Н. Агроэкологические основы рекультивации земель.- Львов: Изд-во ЛГУ, 1989.-158 с.

20. Пескин А.В. Взаимодействие активного кислорода с ДНК // Биохимия. - 1997. - Т. 62, вып. 12. - С. 1571-1578.

21. Самуилов В.Д. Программируемая клеточная смерть у растений // Соросовский образовательный журнал. - 2001. - Т. 7, №10. - С. 13.

22. Струев М.И., Исаков В.И., Шпакова В.Б., Караваев В.Я., Семенный В.И., Попель Б.С. Львовско-Волынский каменноугольный бассейн. Геолого-промышленный очерк. -К.: Наук, думка, 1984. - 273 с.

23. Сукачев В.Н. Основы лесной типологии и биогеоценологии, т.1. - Л.: Наука, 1972.- 393 с.

24. Травлеев А.П., Лындж А.Г., Зверковский В.Н. Физико-химические особенности шахтных пород и насыпных почвогрунтов участков лесной рекультивации в Западном Донбассе // Биогеоценологические особенности лесов Присамарья и их охрана. - Днепропетровск, 1981. -- С. 49-59.

25. Шипман Л.Л. Электронная структура и функция хлорофиллов и их феофитинов // Фотосинтез. - 1987. -Т.1. - С. 403-120.

26.Foyer C., Lelandis M., Kunert K. Photooxidative stress in plants // Physiol. Plant. - 1994. - Vol. 92. - P.717.

27. Siedov J. Plant lipoxygenase: structure and function // Plant Mol. Biol. - 1991. - Vol. 42. - P. 145-188.

Размещено на Allbest.ru