Исследование воздействия ионов некоторых тяжелых металлов на формирование проростков вики

До настоящего времени в литературе не встречаются данные о дефиците никеля для растений, однако в ряде экспериментов установлено положительное влияние внесения никеля в почвы на урожайность сельскохозяйственных культур, которое, возможно, связано с тем, что он стимулирует микробиологические процессы нитрификации и минерализации соединений азота в почвах. Токсичность никеля для растений проявляется в подавлении процессов фотосинтеза и транспирации, появлении признаков хлороза листьев. Для животных организмов токсический эффект элемента сопровождается снижением активности ряда металлоферментов, нарушением синтеза белка, РНК и ДНК, развитием выраженных повреждений во многих органах и тканях. Экспериментально установлена эмбриотоксичность никеля. Избыточное поступление металла в организм животных и человека может быть связано с интенсивным техногенным загрязнением почв и растений этим элементом [26].

1.6.4 Биологическая роль и токсикологическое влияние свинца

Биологическая роль свинца изучена весьма слабо, однако в литературе встречаются данные, подтверждающие, что металл жизненно необходим для животных организмов на примере крыс. Животные испытывают недостаток этого элемента при концентрации его в корме менее 0,05-0,5 мг/кг. В небольших количествах он необходим и растениям. Дефицит свинца в растениях возможен при его содержании в надземной части от 2 до 6 мг/кг сухого вещества [25].

Повышенный интерес к свинцу вызван его приоритетным положением в ряду основных загрязнителей окружающей природной среды. Металл токсичен для микроорганизмов, растений, животных и людей.

Избыток свинца в растениях, связанный с высокой его концентрацией в почве, ингибирует дыхание и подавляет процесс фотосинтеза, иногда приводит к увеличению содержания кадмия и снижению поступления цинка, кальция, фосфора, серы. Вследствие этого снижается урожайность растений и резко ухудшается качество производимой продукции. Внешние симптомы негативного действия свинца - появление темно-зеленых листьев, скручивание старых листьев, чахлая листва. Устойчивость растений к его избытку неодинаковая: менее устойчивы злаки, более устойчивы бобовые. Поэтому симптомы токсичности у различных культур могут возникнуть при разном валовом содержании свинца в почве - от 100 до 500 мг/кг. Концентрация металла выше
10 мг/кг сух. в-ва является токсичной для большинства культурных растений.

В организм человека свинец в основном поступает через пищеварительный тракт. При токсичных дозах элемент накапливается в почках, печени, селезенке и костных тканях. При свинцовом токсикозе поражаются в первую очередь органы кроветворения (анемия), нервная система (энцефалопатия и нейропатия) и почки (нефропатия). Наиболее восприимчива к свинцу гематопоэтическая система, особенно у детей [26].

2. ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

В качестве объекта исследования нами были выбраны проростки вики (лат. Vicia) --род цветковых растений семейства Бобовые (Ericaceae).

Эксперимент проводился по следующей методике. Предварительно отсортированные вымытые, просушенные и взвешенные зерна помещались в чашки Петри на слой фильтровальной бумаги. Бумага смачивалась раствором соли соответствующего металла до полного насыщения, но что бы под слоем бумаги не образовывался слой жидкости.

Для эксперимента были взяты соединения хрома, свинца, кобальта и никеля, квалификации не ниже х.ч., в концентрациях 1, 5, 10 и 50 их предельно допустимой концентрации в почве. В качестве среды для контрольных образцов использовалась дистиллированная вода. Проращивание проводилось в условиях контролируемой температуры и влажности воздуха.

В ходе эксперимента ежесуточно проводился контроль числа проросших зерен; числа и длинны проростков корней; длины стеблевого проростка; а также прирост биомассы. Эксперимент продолжался до достижения проростком вики длины ?10 см, приблизительно седьмой день развития. Благодаря большому количеству тест-объектов в серии (?100), большому числу повторов и проведенной статистической обработке удалось получить статистически достоверные сведенья, где относительная ошибка эксперимента не превышала 20% при доверительной вероятности 0,95.

3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

3.1 Исследование влияния ионов Cr+3 на формирование проростков вики

Для оценки влияния соединений Cr+3 был выбран хлорид хрома. Данный выбор объясняется тем, что ионы хлора, в малых концентрациях, не оказывают какого-либо существенного влияния на морфологические и физиологические характеристики растительных объектов.

При оценке влияния ионов Cr+3 на длину стеблевого проростка вики было выявлено наличие явной зависимости скорости развития стеблевого проростка от содержания в экспериментальной среде ионов металла токсиканта (рис. 1).

Рисунок 1. Влияние концентрации ионов хрома на длину стеблевого проростка вики за время эксперимента

При концентрации Cr+3 менее или равном 10 ПДК не удалось выявить какую-либо зависимость, значения экспериментальных величин находятся в пределах ошибки эксперимента.

Увеличение содержания исследованного токсиканта до значения 50 ПДК заметно уменьшает скорость развития стеблевого проростка тест-объекта.

Полученные данные свидетельствуют о том, что данный параметр тест объекта не является высокочувствительным по отношению к ионам Cr+3. Явные эффекты проявляются лишь при значительном содержании токсиканта в экспериментальной среде.

При изучении влияния ионов хрома (III) на массу проростка вики не удалось выявить какого-либо влияния на экспериментальные образцы. Выявленные отклонения от скорости прироста биомассы проростков вики во времени мало отличаются от таковых для контрольных образцов, выращиваемых на дистиллированной воде, и находятся в пределах ошибки эксперимента. Заметно незначительное отставание в приросте биомассы у образцов развивающихся в среде с содержанием ионов Cr+3 соответствующем 50 ПДК в почве (рис. 2).

Рисунок 2. Влияние концентрации ионов хрома на массу семян вики за время эксперимента

Рисунок 3. Влияние концентрации ионов хрома на длину корневого проростка семян вики за время эксперимента

Исследование влияние ионов Cr+3 на длину корневого проростка показало отсутствие подавления развития и даже некоторую стимуляцию при содержании токсиканта не превышающем 10 ПДК (рис. 3). При содержании данного токсиканта в 50 ПДК, наблюдается ярко выраженное подавление развития корня у проростка вики. Это может быть связано с тем, что при относительно небольших концентрациях хром, являющийся микроэлементом, необходимым для нормального развития некоторых растительных организмов, может оказывать стимулирующее действие на развитие корневой системы. При высоких же концентрациях хром проявляет свое токсическое действие.

Таким образом, исследованный тест-объект не проявляет ярко выраженной корреляции между присутствием в экспериментальной среде ионов Cr+3 в концентрации, не превышающей 50 ПДК и контролируемыми параметрами. Эффекты выявленные для развития корневой системы не совсем однозначны и требуют дополнительного исследования с меньшими интервалами значений концентраций токсиканта.

3.2 Исследование влияния ионов Co2+ на формирование проростков вики

Изучение влияния соли Co2+ в форме хлорида не выявило четко выраженных воздействий данного токсиканта на параметры исследуемого тест-объекта (рис. 4-5).

Рисунок 4. Влияние концентрации ионов кобальта на длину первичного корня семян вики за время эксперимента

При исследовании влияния ионов Co2+ на длину корневого проростка было выявлено отсутствие действия данного токсиканта на рассматриваемый параметр. Только при содержании в экспериментальной среде ионов кобальта в количестве 50 ПДК наблюдается незначительное замедление скорости развития корня вики.

Рисунок 5. Влияние концентрации ионов кобальта на массу семян вики за время эксперимента.

Изучение влияния ионов кобальта (II) на прирост массы проростков вики не выявило значительных различий между контрольными образцами и образцами, развивающимися в присутствии токсиканта. То же можно сказать и об остальных контролируемых в процессе эксперимента параметрах тест-объекта.

3.3 Исследование влияния ионов Pb2+ на формирование проростков вики

Для оценки влияния соединений Pb2+ был выбран ацетат свинца. Данный выбор обусловлен нейтральным действием ацетат иона по отношению к растительным тест-объектам.

Исследование влияния ионов свинца на процент проросших семян показало четко выраженное стимулирующее действие при всех значениях концентраций (рис. 6).

При исследовании влияния ионов свинца на длину корневого проростка вики было выявлено (рис. 7), что низкие концентрации 1 и 5 ПДК оказывают стимулирующее действие на развитие корневого проростка. Содержание Pb2+ 10 ПДК практически не оказывает какого-либо действия. При содержании свинца в 50 ПДК наблюдается четко выраженное подавление развития корня. На другие контролируемые параметры тест-объекта свинец в исследованных концентрациях не оказывает выраженного действия (рис. 8).

Рисунок 6. Влияние концентрации ионов свинца на процент проросших семян вики за время эксперимента

Рисунок 7. Влияние концентрации ионов свинца на длину корневого проростка семян вики за время эксперимента

Рисунок 8. Влияние концентрации ионов свинца на массу семян вики за время эксперимента

3.4 Исследование влияния ионов Ni2+ на формирование проростков вики

Для исследования влияния ионов никеля на параметры тест-объекта был взят хлорид данного металла.

Рисунок 9. Влияние концентрации ионов никеля на длину корневого проростка семян вики за время эксперимента

Изучение влияния ионов никеля на развитие корневого проростка показано, что в течение первых пяти дней эксперимента, какое-либо фиксируемое влияние отсутствует (рис. 9). При большей продолжительности эксперимента фиксируется замедление развития корневого проростка при содержании в экспериментальной среде Ni2+ в количестве 10 и 50 ПДК. Меньшие количества токсиканта не оказывают ни стимулирующего, ни подавляющего действия на данный параметр тест-объекта. Это может быть объяснено тем, что при концентрациях менее 10 ПДК никель, являющийся микроэлементом, необходимым для нормального развития растений, проявляет незначительное стимулирующее действие, которое компенсирует токсические эффекты.

При изучении влияния ионов Ni2+ на другие параметры тест-объекта, в частности на прирост массы проростка и процент проросших семян (рис. 10-11) не выявило четко выраженной концентрационной зависимости.

Рисунок 10. Влияние концентрации ионов никеля на массу семян вики за время эксперимента

Рисунок 11. Влияние концентрации ионов никеля на процент проросших семян вики за время эксперимента.

Таким образом, данный тест-объект не отличается высокой специфичностью и чувствительностью по отношению к ионам Ni2+. Влияние на формирование корневого проростка прослеживается лишь на поздних сроках развития проростка вики, что затрудняет применение данного тест-объекта при проведении мониторинговых исследований для контроля за содержанием соединений никеля в природных средах.

3.5 Исследование влияния совместного присутствия ионов некоторых тяжелых металлов на формирование проростков вики

Особый интерес вызывает совместное присутствие в среде ионов нескольких тяжелых металлов, т.к. для данного типа загрязнителей очень часто имеет место усиление токсического эффекта при одновременном содержании.

Для изучения возможных синергетических эффектов было исследовано влияние на параметры исследованного тест-объекта совместного присутствия ионов двух металлов. Т.к. в предыдущих экспериментах заметные эффекты подавления развития проростков вики исследованные соединения проявляли лишь при концентрациях выше 10 ПДК, то было изучено влияние совместного присутствия 10 и 50 ПДК в различных комбинациях.

Исследование совместного присутствия ионов хрома и кобальта на прирост биомассы проростков показало следующие результаты (рис. 12). На ранних стадиях развития, независимо от соотношения концентраций исследованных токсикантов ярко выраженное влияние отсутствует. Это свидетельствует об отсутствии явного синергетического эффекта, т.к. и в случае индивидуального присутствия ионы данных металлов не проявляли заметного влияния на массу формирующегося проростка.

Рисунок 12. Влияние концентрации раствора хрома и кобальта на массу семян вики за время эксперимента

На поздних стадиях эксперимента имеет место незначительное торможение скорости прироста биомассы, что может быть связано с усилением токсичности ионов Cr3+ и Co2+ на проростки вики именно на данной стадии развития.

Данные выводы подтверждаются влиянием данных токсикантов в тех же соотношениях концентраций на формирование корневого проростка (рис. 13). Как и в случае прироста массы, имеет место замедление формирования корневой системы. Особенно явно это проявляется при содержании ионов хрома и кобальта 1:5.

Рисунок 13. Влияние концентрации раствора хрома и кобальта на длину корневого проростка семян вики за время эксперимента

Изучение процесса формирования проростка вики в совместном присутствии ионов Ni2+ и Pb2+ показало сходные результаты. Ярко выраженное действие в случае воздействия на длину корневого проростка проявляется на поздних стадиях эксперимента (рис. 14).

Отличие от предыдущего сочетания металлов состоит в стимулирующем влиянии данных токсикантов при концентрации 10 ПДК в соотношении 1:1.

Более детально результаты эксперимента могут быть описаны следующим образом. Первые три дня образцы во всех экспериментальных средах показывают приблизительно одинаковые результаты. С четвертого по восьмой день эксперимента было выявлено, что экспериментальная среда содержащая ионы никеля и свинца в соотношении 50 на 50 ПДК, а также 50 на 10 ПДК и 10 на 50 ПДК соответственно оказывают резко подавляющее действие на развитие корневого проростка. Меньшую токсичность проявляет экспериментальная среда содержащая Ni2+ и Pb2+ в соотношении 10 на 10 ПДК.

Рисунок 14. Влияние концентрации раствора никеля и свинца на длину корневого проростка семян вики за время эксперимента

При изучении влияния Ni2+ и Pb2+ на длину стеблевого проростка (рис. 15) было установлено, что присутствие в экспериментальной среде одновременно 10 ПДК никеля и 50 ПДК свинца, а также 10 ПДК никеля и 10 ПДК свинца оказывает стимулирующее действие на развитие стеблевой части проростка вики. В присутствии 50 ПДК никеля и 10 ПДК свинца, а также 50 ПДК никеля и 50 ПДК свинца имеет место явное подавление развития, что может свидетельствовать о наличии синергетического эффекта.

Рисунок 15. Влияние концентрации раствора никеля и свинца на длину стеблевого проростка семян вики за время эксперимента

Рисунок 16. Влияние концентрации раствора кобальта и свинца на процент проросших семян вики за время эксперимента

Исследование влияния совместного присутствия в экспериментальной среде ионов Co2+ и Pb2+ на формирование корневого проростка (рис. 17) показало, что наибольшее подавление развития корневой системы тест-объекта оказывает присутствие 50 ПДК кобальта и 50 ПДК свинца; 50 ПДК кобальта и 10 ПДК свинца, а также 10 ПДК кобальта и 50 ПДК свинца. Так же как и во всех выше рассмотренных случаях наибольший эффект наблюдается на заключительных стадиях эксперимента (5-8 сутки). Меньшее воздействие на данный параметр оказывает совместное присутствие в экспериментальной среде 10 ПДК Co2+ и 10 ПДК Pb2+.

Рисунок 17. Влияние концентрации раствора кобальта и свинца на длину корневого проростка семян вики за время эксперимента

Изучение влияния на параметры тест-объекта совместного присутствия ионов Ni2+ и Cr3+ показало следующие результаты. Одновременное содержание 10 ПДК Ni2+ и 10 ПДК Cr3+, а также 10 ПДК Ni2+ и 50 ПДК Cr3+ стимулирует развитие стеблевого проростка на всех стадиях эксперимента. Тогда как 50 ПДК Ni2+ и 50 ПДК Cr3+, а также 50 ПДК Ni2+ и 10 ПДК Cr3+ оказывают явное подавляющее воздействие (рис. 18).

Рисунок 18. Влияние концентрации раствора никеля и хрома на длину стеблевого проростка семян вики за время эксперимента.

В то же время влияние данных экспериментальных сред на скорость прорастания и прирост биомассы семян вики (рис. 19-20) показало отсутствие каких-либо явных эффектов. Это может быть связано с тем, что данные токсиканты в исследованных концентрациях, скорее всего не оказывают влияния на скорость прорастания семян вики.

Рисунок 19. Влияние концентрации раствора никеля и хрома на процент проросших семян вики за время эксперимента

Рисунок 20. Влияние концентрации раствора никеля и хрома на массу семян вики за время эксперимента

тяжелый металл биоиндикация паросток

Таким образом, все исследованные вещества во всех рассмотренных концентрациях проявляют незначительные синергетические эффекты по отношению к исследованным параметрам тест-объекта. Сложность и неоднозначность выявленных эффектов требует проведения более подробных исследований.

Выводы

1. Исследование влияния ионов Cr+3 на формирование проростка вики показало наличие явной концентрационной зависимости скорости развития стеблевого проростка от присутствия в экспериментальной среде токсиканта и отсутствие влияния на скорость прироста биомассы и формирование корневой системы тест-объекта.

2. Исследование влияния ионов Co2+ на параметры тест-объекта не выявило четко выраженных корреляций между скоростью развития и формирования проростка и концентрацией токсиканта в экспериментальной среде.

3. Исследование влияния ионов Pb2+ на параметры тест-объекта показало неоднозначное влияние: имеется четко выраженное стимулирующее воздействие на скорость прорастания семян при всех исследованных концентрациях, влияние на развитие корневого проростка изменяется от стимулирования развития при малых концентрациях Pb2+ до явного подавления при больших. На остальные контролируемые параметры тест-объекта свинец в исследованных концентрациях не оказал выраженного действия.

4. Исследование влияния ионов Ni2+ на параметры тест-объекта показало незначительное воздействие на скорость развития корневой системы на завершающей стадии эксперимента при больших концентрациях токсиканта в экспериментальной среде. Влияния на другие исследованные параметры не было зафиксировано.

5. Исследование влияния совместного присутствия токсикантов на исследованные параметры тест-объекта выявило наличие незначительных синергетических эффектов. Сложность полученных концентрационных зависимостей и неоднозначность выявленных эффектов требует проведения более подробных исследований.

Литература

1. Хотунцев Ю. Л. Экология и экологическая безопасность : Учеб. пособие для студентов высш. пед. учеб. заведений. 2-е изд. перераб. - М. : Издательский центр "Академия", 2004. - 480 с.

2. Кощура А. В., Отарашвили З. А. Экологический вызов: выживет ли человечество. - М. : М3 Пресс, 2005. - 80 с.

3. Делятицкий С. и др. Экологический словарь. - М. : Конкорд Лтд, Экопром, 1993. - 360 с.

4. Экологический мониторинг: Учебн. - методическое пособие / Под ред. Т.Я. Ашихминой. - М. : Академический проект, 2005. - 186 с.

5. Мониторинг и методы контроля окружающей среды. - М. : Изд-во МНЭПУ Ч. 2 Специальная, 2001. - 334 с.

6. Смуров А.В. Биологические методы диагностики среды обитания// Экологическая диагностика (серия Безопасность России)/ под. ред. В.Г. Клюева. МГФ «Знание». - М. : Машиностроение, 2000. - 450 с.

7. Шишкинская, Н.А. Словарь биологических терминов и понятий / Н.А. Шишкинская. Саратов: Издательство «Лицей», 2004. - 288 с.

8. Биологический энциклопедический словарь / Под ред. М.С. Гилярова. - М. : Большая российская энциклопедия, 1995. - 864 с.

9. Беспамятов Г.П., Кротов Ю.А. Предельно допустимые концентрации химических веществ в окружающей среде. - Л. : Химия, 1985. - 528 с.

10. Шуберт Р. Биоиндикация загрязнений наземных экосистем. - М. : Мир, 1988. - 246 с.

11. Львов Ю. А. Биоиндикационная экология // Экология промышленного города. Томск, 1992. - 256 с.

12. Оливернусова Л. Оценка состояния окружающей среды методом комплексной биоиндикации // Биоиндикация и биомониторинг. - М. : Наука, 1991. - 76 с.

13. Дятлов С.Е. Роль и место биотестирования в комплексном мониторинге морской cреды // Экология моря. 2000, вып.51. - 83-87 с.

14. Крайнюкова А.Н. Биотестирование в охране вод от загрязнения // Методы биотестирования вод. Черноголовка, 1988. - 4-14 с.

15. Неверова О.А. Опыт использования биоиндикаторов в оценке загрязнения окружающей среды : аналит. обзор / О.А. Неверова, Н.И. Еремеева ; Гос. публич. науч.-техн. б-ка Сиб. отд-ния Рос. акад. наук, Ин-т экологии человека. Новосибирск, 2006. - 88 с.

16. Волкотруб Л. П., Андропова Т. В. Мониторинг химических канцерогенов с использованием фитоиндикаторов // Экология и рациональное природопользование на рубеже веков. Итоги и перспективы: Материалы науч. конф. Томск, 2000. Т. 2. - 36-38 с.

17. Сызныс Б. И., Тянтова Е. Н., Мелехова О. П. Экологический риск: Учебное пособие для вузов/ Под ред. Г. В. Козьмина. - М. : Логос, 2005. - 168 с.

18. Алексеев Ю. В. Тяжелые металлы в почвах и растениях. Л.: Агропромиздат. Ленингр. от-ние 1987. - 142 с.

19. Федорова А.И., Никольская А.И. Практикум по экологии и охране окружающей среды: Учеб. пособие для студ. высш. учеб. Заведений. - М. : Гуманит. изд. центр ВЛАДОС, 2003. - 256 с.

20. Оценка экологического состояния почвы. Практическое руководство. Муравьев А.Г., Каррыев Б.Б., Ляндзберг А.Р. СПб: Крисмас+, 2008, - 256 с.

21. Плеханов Г. Ф., Дмитриева Н. Г., Паршина Н. В. Биоиндикационный метод оценки антропогенного загрязнения территории // Охрана природы: Сб. статей. Томск: Изд-во НТЛ, 2000. - 91-98 с.

22. Тяжелые металлы как супертоксиканты XXI века. С. Л. Давыдова, В. И. Тагасов, изд-во: Российского Университета дружбы народов,2002. - 140 с.

23. Экология / под ред. проф. В. В. Денисова. М.: ИКЦ "МарТ", 2006. - 768 с.

24. Черных Н. А., Овчаренко м. М. Тяжелые металлы и радионуклеотиды в биогеоценозах. Учебное пособие. - М. : Агроконсалт, 2002. - 200 с.

25. «Биологическая роль микроэлементов», - М. : Наука, 1983. - 238 с.

26. Степановских А. С. Прикладная экология: охрана окружающей среды: Учебник для вузов. - М. : ЮНИТИ-ДАНА, 2005. - 751 с.

Размещено на Allbest.ru