Электромонтаж Ремонт и отделка Укладка напольных покрытий, теплые полы Тепловодоснабжение

Поглощение тяжелых металлов растениями

10.11.2018

К тяжелым металлам (TM) относится относительно большая группа химических элементов с плотностью выше 5 г/см3 и относительной атомной массой более 40. Эту группу составляют медь, цинк, марганец, железо, никель и другие металлы, в небольших количествах необходимые как животным, так и растениям. Среди тяжелых металлов, не относящихся к необходимым питательным элементам, наиболее распространены Cd и Pb. Загрязнение ими среды обусловлено:

• сжиганием жидкого и твердого топлива;

• выбросами металлоплавильного производства;

• сбросом сточных вод, в которых Pb и Cd содержатся в повышенных количествах;

• внесением в почву химикатов, в том числе удобрений.

Связываясь на поверхности клеток или проникая в них, TM

могут взаимодействовать с функциональными группами белков, нуклеиновых кислот, полисахаридов и других соединений, а также замещать ионы других металлов, связанные с этими группами. В результате возникают различные нарушения метаболизма, начинающиеся с момента поступления TM в растения.

Факторы, влияющие на поглощение TM растениями. Тяжелые металлы поступают в растения главным образом из почвы, через корневую систему. На поверхности корня Cd2+ и Pb2+ связываются с карбоксильными группами уроновых кислот слизи. Способность слизи связывать тяжелые металлы зависит от природы катиона и уменьшается от свинца к цинку: Pb2+ > Cu2+ > Cd2+ > Zn2+.

Связывание со слизью ограничивает поступление TM в корень и может быть важным компонентом барьерной функции корневой системы. Часть связанных металлов может высвобождаться после биодеградации слизи.

В меньшей степени Cd и Pb могут поступать в растения через листья, причем чем сильнее опушенность листьев, тем интенсивнее поступают через них металлы при загрязнении атмосферы.

Кинетика поглощения TM, как и других катионов, носит типичный двухфазный характер. Скорость поглощения металлов зависит от pH почвенного раствора, содержания органических веществ в почве, а также концентрации других ионов. Увеличение pH понижает растворимость солей TM в почвенном растворе. В результате биодоступность почвенных TM снижается. Содержание Cd у растений, выращенных на кислых почвах, выше, чем на известкованных. Известкование почвы снижало количество никеля в зерне примерно в 6 раз, в корнях — в 2 раза. На фоне известкования соотношение количества никеля в зерне и соломе уменьшалось примерно в 1,2-1,5 раза.

При добавлении искусственных хелаторов (ЭГТА, ЭДТА) в загрязненную почву аккумуляция Cd и Pb в растениях увеличивалась, что может использоваться для очистки почвы от TM.

На поступление TM в органы растения влияют другие ионы. Ионы щелочных и щелочно-земельных металлов по уменьшению ингибирующего влияния на поглощение Cd2+ корнями фасоли можно расположить в следующий ряд:
Поглощение тяжелых металлов растениями

Ионы Zn2+ также выступают как антагонисты поглощения Cd2+. Внесение в почву цинка уменьшало концентрацию кадмия в органах пшеницы, тогда как фосфорные и азотно-фосфорные удобрения, напротив, ее увеличивали.

Специфические механизмы поглощения TM, благодаря которым отличается способность разных видов или даже сортов одного вида накапливать их, до сих пор не выявлены. Это может объясняться разными скоростями поглощения и/или оттока TM из клеток корней, связыванием их в нерастворимые комплексы и т. д.

Локализация и транспорт TM по растению. Внутриклеточная локализация. Относительно высокая концентрация Cd и Pb в клеточных стенках выявлена у целого ряда видов. Клеточные стенки одно- и двудольных растений отличались по содержанию пектина и гемицеллюлозы и соответственно по способности связывать катионы.

Свинец прочнее связывается с клеточными стенками, чем кадмий, и медленнее передвигается по апопласту. Сродство других металлов к полигалактуроновой кислоте уменьшается в ряду:

Клеточная стенка может быть барьером для поступления Cd2+ и Pb2+ в цитоплазму. В устойчивых клонах душистого колоска свинец присутствовал в срединной пластинке и в клеточных стенках, но не обнаруживался в цитоплазме. У чувствительных клонов он обнаружен в цитоплазме, крайне дезорганизованной. Таким образом, устойчивость к Pb обусловлена особенностями структуры и состава клеточных стенок, обеспечивающих эффективное связывание ими Pb.

Внутри клеток большая часть Cd и Pb находится в вакуолях. Суммарное содержание поглощенного металла в вакуоли и клеточной стенке доходит до 96%. Отложение металлов в вакуоли в виде комплексов или солей приводит к выведению их из цитоплазмы и может являться одним из механизмов детоксикации.

Кроме того, тяжелые металлы найдены в структурах аппарата Гольджи и ЭПР, что может быть связано с секрецией ионов металлов и дальнейшим выделением их на клеточную поверхность или в вакуоль. Небольшие количества TM поступают в ядро, хлоропласта и митохондрии, оказывая на них токсическое действие.

Около 90% никеля в растительной клетке содержится в цитоплазме. В значительных концентрациях Ni накапливается в виде водорастворимого полярного комплекса в вакуолях. При этом его токсичность значительно снижается. В хлоропластах обнаружено 8—10% никеля, тогда как в митохондриях и рибосомах — от 0,32 до 2,85%. При удобрении растений солями микроэлементов и никеля обнаружено концентрирование их как в ядрах, так и в хлоропластах, где содержание Cu и Ni возрастало в 20 раз по сравнению с контрольными растениями.

Недавно у гипераккумуляторов Ni были охарактеризованы гены и переносчики - TgMTP (от англ. Metal Tolerance Protein — белок устойчивости к металлу), активация которых позволяла накапливать в вакуоли до 75% Ni, находящегося в симпласте. Высокий уровень экспрессии указанных генов, кодирующих локализованные на тонопласте переносчики и ответственных за транспорт металлов в вакуоль, может быть одной из причин устойчивости растений к действию TM.

Однако основное количество тяжелых металлов все-таки связано с полигалактуроновыми кислотами клеточных стенок и различными лигандами в вакуолях. Благодаря этому концентрация металлов в цитоплазме уменьшается во много раз. По-видимому, устойчивость растений к TM может быть в значительной степени обусловлена именно эффективностью их исключения из цитоплазмы.

Если TM все же попадают в цитоплазму, то оказывают множественное токсическое действие, связанное как с прямым их действием, так и со снижения активности одних процессов в результате нарушения других.

Транспортеры тяжелых металлов. Семейства транспортеров в растениях составляют несколько групп.

АТФазы P-типа. Они образуют большое семейство транспортеров, обнаруженных у различных видов растений, и вовлечены в мембранный транспорт целого ряда микроэлементов, а также потенциально токсичных для растительной клетки металлов. АТФазы P-типа функционируют как насосы, перекачивающие TM через клеточные мембраны. Механизм их действия заключается в образовании фосфорилированного интермедиата в реакционном цикле.

У гипераккумулятора Thlaspi caerulescens описан ген ТсНМА4, кодирующий АТФазу P-типа. Данный белок локализован на мембране протопласта и ответственен, как предполагается, за поступление металлов в сосуды ксилемы. Остатки гистидина и цистеина на С-конце обладают высокой металл-связывающей способностью. Экспрессия данного гена значительно возрастала при добавлении в среду солей кадмия и цинка.

Интересный аспект функционирования АТФаз P-типа заключается в их потенциальном взаимодействии с металлошаперонами.

ABС-транспортеры. Это семейство АТФ-связывающих мембранных белков обнаружено у представителей всех видов живых организмов. Они характеризуются наличием одной или двух копий пары главных структурных особенностей: высокогидрофобного трансмембранного домена, содержащего 4 или 6 трансмембранных участков, и периферического (цитозольного) АТФ-связывающего домена или нуклеозидсвязывающей петли. Большинство ABC-белков являются АТФ-зависимыми насосами, транспортирующими широкий ряд субстратов, в том числе ионы металлов. Есть данные, доказывающие роль АВС-транспортеров в переносе ионов Cd внутрь вакуоли в форме хелатов.

CDF-транспортеры. Представители семейства CDF (от англ. Cation Diffusion Facilitator — белки-ускорители диффузии катионов) выполняют функцию переносчиков преимущественно ионов Zn, Cd и Co. Эти белки содержат 6 трансмембранных доменов, особую N-концевую последовательность и С-терминальный катион-связывающий домен. Впервые ZAT-тен CDF-семейства транспортеров был найден у Arabidopsis, где он экспрессируется конститутивно практически во всех органах растения и имеет 35—40%-ю гомологию с ZnTs-теном млекопитающих.

ZIP-транспортеры. Они участвуют в транспорте ряда металлов — Fe, Mn, Zn, Cd. У арабидопсиса найдено 15 генов ZIP-транспортеров. ZIP-белки имеют 8 трансмембранных доменов с N- и С-концами на внешней стороне плазматической мембраны. Участок между ТД-3 и ТД-4, расположенный со стороны цитоплазмы клетки, является потенциальным металлсвязывающим доменом, богатым гистидином.

Показано активное участие одного из них — TcZNTl из Thlaspi caerulescens — в поглощении цинка. Ген экспрессируется как в корнях, так и в надземных частях растений, причем интенсивность экспрессии находится в прямой зависимости от концентрации цинка в среде.

СОРТ-транспортеры. Это широко распространенное семейство Cu-транспортеров обнаружено в растениях. Пять представителей данного семейства транспортеров (СОРТ 1—5) были найдены у Arabidopsis thaliana. Ген, кодирующий СОРТ1, экспрессируется в кончиках корней, пыльцевых зернах, трихомах и устьицах. Вторая группа включает СОРТ3- и СОРТ5-транспортеры и принимает участие в транспорте ионов меди в хлоропластах. Гены, кодирующие СОРТ4, активно экспрессируются в корнях. СОРТ4 беден остатками цистеина и предположительно играет лишь косвенную роль в процессе трансмембранного переноса меди.

Широкий интерес к генам транспортеров TM обусловлен возможностью генетической модификации состава металлов в растениях, в том числе и с целью фиторемедиации. Для большинства транспортеров идентифицированы соответствующие гены, кодирующие их биосинтез. Регуляция транспорта TM на уровне экспрессии генов-транспортеров также важна для поддержания гомеостаза TM в растительных клетках и детоксикации при избыточном их поступлении в растение.

Распределение по органам и тканям. Растения по способности накапливать металлы разделяются на три группы:

• аккумуляторы, накапливающие металлы главным образом в надземной сфере при низкой и невысокой их концентрации в почве;

• индикаторы, концентрация металла в которых отражает его концентрацию в окружающей среде;

• исключители, в которых поддерживается низкая концентрация металлов в побегах, несмотря на их высокую концентрацию в окружающей среде.

Различные виды или даже линии одного вида, например кукурузы, различаются по способности накапливать Cd и Pb. Содержание Cd в побегах у 23 видов колебалось от 1,8 (редька) до 21 мкг/г сухой массы (жерушник), а в корнях — от 4,8 (эспарцет) до 163,8 (пастернак) мкг/г сухой массы. Почти у всех видов концентрация металла в корнях была значительно выше, чем в побегах. Содержание Pb в побегах разных видов отличалось в 50 раз, а в корнях — в 14 раз. Концентрация Ni у большинства растений, растущих на незагрязненных почвах с естественным содержанием химических элементов, невелика (менее 10 мг/кг сухой массы). Для деревьев она колеблется в пределах 1—15 мг/кг.

Содержание металлов в разных органах уменьшается в следующем порядке: корни > листья > стебли > соцветия > семена, хотя этот порядок для разных видов может несколько различаться. Так, распределение никеля у бобовых и овса является исключением из общей тенденции распределения металлов в растениях. Установлено, в частности, что у дикорастущих бобовых коэффициент накопления Ni (цветки : почва) колебался от 6 до 18,5. При этом в корнях иногда его содержание было меньше, чем в надземной массе, или несколько больше, но никогда не превышало содержания этого элемента в цветках. Около 78% никеля, транспортированного из корней в надземную часть растений сои, обнаружено в семенах (главным образом, в семядолях). Это характеризует никель как элемент с высокой подвижностью в растениях, сравнимой с подвижностью основных биогенных элементов.

Овес относится к культурам, способным аккумулировать Ni в больших концентрациях в корнях и репродуктивных органах, где максимальная концентрация отмечена в цветках. Меньше его в молодых листовых пластинках и стеблях, причем чем моложе орган, тем больше в нем никеля. Овес обладает способностью потенциально накапливать большие количества Ni независимо от сорта, и его содержание может достигать 4,0-5,5 и более мг/кг зерна, тогда как в зерне пшеницы, ячменя и озимой ржи не превышает 0,5-0,8 мг/кг. У зерновых культур наиболее чувствительным к содержанию Ni является урожай зерна, в меньшей степени — вегетативная масса.

Кадмий также аккумулируется преимущественно в молодых листьях Brassicajuncea и Talaspi caerulescens, хотя у других видов содержание Cd и Pb выше в стареющих листьях. Устойчивость растений к Cd сохраняется лишь при его наличии в окружающей среде, теряясь при его отсутствии. Использование таксономического подхода позволило установить, что представители семейства крестоцветных наиболее устойчивы к Cd. Толерантность остальных уменьшалась в следующем порядке: пасленовые > злаки > бобовые, что, однако, не всегда согласуется с данными по накоплению TM.

В целом, растения большинства видов полевых культур относятся к исключителям, накапливающим тяжелые металлы в подземной сфере. Ограничение поступления металлов в побеги может быть связано с особенностями транспорта TM и распределения их по тканям.

Кадмий и свинец локализуются преимущественно в клеточных стенках семенной кожуры и не проникают в зародыши семян, прорастающих на растворах этих металлов, даже при летальных концентрациях.

При поглощении металлов корнями большая их часть локализуется в ризодерме и коре, за исключением редиса, у которого максимальное количество Pb было связано клеточными стенками эндодермы. Многослойная кора, по-видимому, может ослаблять токсичное действие ионов тяжелых металлов на другие ткани, связывая значительную их часть в клеточных стенках и выполняя таким образом барьерную роль для зашиты растения от токсичного действия тяжелых металлов. Содержание Ni, напротив, было существенно выше в протопластах, чем в клеточных стенках. Заметное количество металлов было найдено в корневых волосках, однако пока не ясно, играют ли они особую роль при их поглощении. Содержание Pb в базальном участке корня было в несколько раз ниже, чем в апикальном. Противоположная тенденция установлена для Ni.

Мало изучено распределение Cd и Pb в тканях стебля и листьев растений, выращенных на растворах TM. Небольшое количество металлов найдено в проводящих тканях листьев пшеницы, первого листа проростков кукурузы, в листьях Brassicajunceae. Содержание Zn в листьях Т. caerulescens было в 5—6 раз выше в эпидермальных, чем в мезофильных клетках, в то время как после обработки Zn наблюдается обратная тенденция. Содержание Cd в волосках листьев Brassicajunceae — одного из кандидатов на фито-ремидиацию— было в 40 раз выше, чем в среднем в листе. Значительная доля Ni и Zn обнаружена в волосках листьев других гипераккумуляторов .

Транспорт по растению. Ионы Cd2+ и Pb2+ передвигаются от ризодермы до эндодермы главным образом по апопласту. Пояски Каспари тормозят их дальнейшее передвижение.

Наряду с эндодермальными клетками, защита клеток пери-цикла обусловлена особенностями структуры и состава стенок клеток центрального цилиндра, благодаря которым ионы TM практически не могут передвигаться по апопласту клеток стели. Ион Pb2+ мог транспортироваться как по апопласту меристемати-ческих тканей, так и по симпласту. Возможность симпластного транспорта была также продемонстрирована на гипокотилях салата. Никель, транспортируясь по симпласту, свободно поступает через эндодерму в ткани стели и накапливается в клетках перицикла проводящих тканей и ксилемной паренхимы, что приводит к практически полной приостановке ветвления корня.

Продольный транспорт Cd2+ происходит с гораздо большей скоростью, чем Pb2+. Возможно, это зависит от различий в скоростях их движения по апопласту. Присутствие экзогенного цитокинина ограничивало поступление Pb2+ в стель, но увеличивало его мобильность в тканях центрального цилиндра. В результате содержание Pb2+ в побеге возрастало. Видимо, поступление металла в побег является контролируемым процессом.

Попадая в ксилему, в результате радиального транспорта некоторое количество Cd2+ и Pb2+ может транспортироваться в надземные органы растения в составе ксилемного сока. Так, скорость передвижения Cd2+ в стеблях томата составляет 0,3-0,6 м/ч, что сравнимо со скоростью передвижения Ca2+. Транспортная форма кадмия, по-видимому, представляет собой смешанный комплекс, состоящий из органических кислот, в частности лимонной, и аминокислот.

Хотя дальний транспорт TM происходит преимущественно по ксилеме, он может также осуществляться и по флоэме. Так, при погружении в солевой раствор Cd только 18% металла попадало в плоды арахиса путем прямого поглощения и 82% — через корневую систему. Большая часть кадмия поступала в плоды по флоэме.

Скорость транспорта металлов зависит от присутствия в среде ионов других металлов. Так, Ca2+ увеличивал скорость акропетального передвижения Cd2+ в корнях ячменя, но ингибировал как поглощение, так и транспорт Mn2+ и Zn2+.

Скорости поглощения и транспорта металлов могут различаться у разных видов, являясь одной из причин устойчивости растений. Так, райграс имел наименьшую скорость транспорта кадмия в побеги, тогда как клевер ползучий отличался наибольшей скоростью как поглощения, так и транспорта.
Имя:*
E-Mail:
Комментарий: