Электромонтаж Ремонт и отделка Укладка напольных покрытий, теплые полы Тепловодоснабжение

Загрязнение атмосферы окислами азота

10.11.2018

В Европе 30—50% выбросов антропогенного происхождения приходится на транспорт, 30—40% — на тепловые станции, а остальное — на природные выбросы (молнии, лесные пожары, микробиологическая активность почвы). В индустриальных регионах Европы и Северной Америки количество NO2, образованное в результате деятельности человека, превышает природные источники в 5—10 раз. В развитых странах мира введенные в конце 1970-х гг. катализаторы для автомобилей заметно снизили выбросы окислов азота. Стандарт содержания NO2 на 1 год, определенный ВОЗ, составляет 400 мкг/м3, что соответствует 0,22 ppm NO2. В Москве выбросы NOx в 1990 г. составили 210 тыс. тонн, причем 70% из них приходилось на генерирующие электричество станции. Загрязнение атмосферы NOx оказывает заметное влияние на отдельные звенья метаболизма растений и особенно на ферменты ассимиляции нитратов и аммония.

Нитратредуктаза. Добавление азота в корнеобитаемую среду растений, страдающих от дефицита азота, стимулирует нитратредуктазную активность (НРА), что подтверждено на генном уровне. В листьях для синтеза нитратредуктазы (HP) необходим также свет, хотя в отдельных случаях его может заменить сахароза. При нормальном свето/темновом цикле выращивания растений отмечены значительные колебания уровней РНК нитратредуктазы, белка и НРА.

Кроме регуляции HPA на уровне транскрипции, показана возможность быстрой ее модуляции in vivo. Так, при воздействии на листья шпината на свету пониженной концентрацией CO2, HPA снижается на 90% в течение 1 ч. При возвращении к нормальным условиям выращивания HPA восстанавливается, т. е. процесс обратим.

На количество экстрагируемой HP влияют многие факторы, в том числе уровень освещенности, время суток, возраст и положение листа на стебле, содержание углеводов, условия азотного обмена, сортовые особенности. Каждый из них оказывает на HPA гораздо большее влияние, чем отдельные атмосферные загрязнители, и поэтому должны быть приняты во внимание при анализе действия последних на азотный обмен у сельскохозяйственных растений.

Индукция HPA атмосферным диоксидом азота (NO2) была впервые обнаружена в 1974 г. при 10-минутной фумигации растерий гороха в очень высокой концентрации NO2 (12 мкл/л). Однако не все сорта (виды) реагируют подобным образом. Так, один из сортов томатов Аилса Грейк (Ailsa Graig) при фумигации NO2 в концентрации 1,5 мкл/л стимулировал НРА, а сорт Еврокросс ББ (Eurocross BB) и сорта перца не обнаружили изменения HPA в корнях и побегах. Уровень азотного питания определяет реакцию HPA на фумигацию: чем лучше агрофон, тем сильнее стимуляция НРА.

Опыты по изучению влияния NO2 на HPA и содержание белка фермента у двух сортов томата были проведены в теплице на фоне повышенной концентрации CO2. У устойчивого к NO2 сорта салата HPA после фумигации существенно повышалась при одновременном увеличении содержания белка HP, а у менее устойчивого сорта белоксинтезирующая способность была гораздо слабее.

Реакция полевых культур на другой атмосферный загрязнитель — O3 может быть в определенной мере обусловлена отрицательным эффектом на воздействие NO2. При воздействии смеси озона (50—60 мкл/л) с диоксидом азота (30—40 мкл/л) на фасоль в вегетативную фазу развития установлено, что действие отдельных газов определялось возрастом растения. У молодых растений, отличающихся высокой НРА, активность стимулировалась NO2, но не O3. Более того, после цветения O3 даже ингибировал НРА.

Нитритредуктаза локализована как в хлоропластах, так и в пластидах корней и использует ферредоксин в качестве восстановителя для превращения нитрита в аммоний. Ген этого фермента клонирован у целого ряда растений, также определен транзитный пептид для транспорта в хлоропласт. Активность нитритредуктазы (НиР) регулируется доступностью нитрита и светом. У кукурузы мРНК нитритредуктазы подобно HP быстро индуцируется нитратом, повышаясь сначала в корнях, а затем в листьях. Через 5 ч уровень мРНК достигает максимума, опускаясь в последующем до относительно низкого уровня.

Интересные данные получены при экспозиции кормовых бобов, подсолнечника и кукурузы в течение 6 ч в атмосфере NO2 (4 мкл/л) днем и ночью. Количество НиР увеличивалось, особенно у бобов и подсолнечника. НиРА у двух сортов сладкого перца при воздействии как NO, так и NO2 резко снижалась, а содержание HP практически не изменялось. Вместе с тем NO по-разному влияла на рост двух сортов томатов. Сорт, наиболее чувствительный к NO, отличался увеличением активности HP и НиР при фумигации как NO, так и NO2. Увеличение НиРА сопровождалось повышением содержания белка-фермента, что свидетельствует о более заметной роли грубой, а не тонкой регуляции активности НиР (табл. 13.12).

Есть мнение, что гены, кодирующие оба фермента, согласованно регулируются нитратом. Вполне возможно также, что NO и NO2 превращаются в нитрат, который затем индуцирует синтез ферментов посредством транскрипции мРНК.

Изучение влияния SO2, NO2 или SO2 + NO2 на содержание НиР у линий райграса многолетнего показало, что оно увеличивалось в присутствии NO2, в то время как фумигация SO2 не оказывала никакого влияния, как и совместное действие SO2 и NO2. Действительно, за исключением устойчивой к SO2 линии, НиРА у остальных линий была существенно ниже, чем в контроле (чистый воздух). Видимо, SO2 в определенной мере вмешивается в механизм транскрипции/трансляции и таким образом участвует в синтезе de novo белка нитритредуктазы.

Ассимиляция аммония. В ассимиляции аммония участвуют глутаминсинтетаза (ГС) и глутаматсинтаза (ГТС). В листьях содержатся два изоэнзима ГС — в цитоплазме и хлоропластах. Их активность резко возрастает в период образования клубеньков у бобовых. Существуют также две изоформы ГТС: одна использует в качестве восстановителя восстановленный ферредоксин, а другая — НАДН. Первый изофермент локализован исключительно в хлоропластах, а второй — преимущественно в азотфиксирующих клубеньках и в небольшом количестве в листьях.

Ген ферредоксинзависимой ГТС клонирован у кукурузы. Количество мРНК ГТС начинает расти через 6 ч после начала освещения этиолированных листьев, что указывает на светозависимое увеличение активности фермента. Ген НАДН-зависимой ГТС пока не выделен, однако иммунологические исследования показывают, что ферредоксин- и НАДФ-зависимая ГТС представлены разными белками.

Процесс восстановления нитратов (нитрат —> нитрит —> аммоний —> глутамин —> глутамат) на самом деле не такой простой, как описан в схеме. Аммоний может образоваться также в ходе других процессов, таких, как азотфиксация, фотодыхание, метаболизм фенилпропаноидов и транспортных форм азота. Так, в процессе фотодыхания у С3-растений может синтезироваться, по меньшей мере, в 10 раз больше аммония, чем при восстановлении нитратов. Это было подтверждено путем выделения мутантов ячменя, содержащих лишь 10% ГС и ГТС в сравнении с обычными формами и достаточно хорошо растущих при повышенной концентрации CO2 и соответственно при подавлении фотодыхания, но погибающих в обычной атмосфере.

Что касается активности ГС и ГТС при фумигации растений, полученные результаты неоднозначны. Одни исследователи не обнаружили изменений активности ГС при обработке NO2. В другом опыте при концентрации NO2 500 нл/л установлено почти 2-кратное увеличение активности в побегах при неизменной активности в корнях. Дисульфид серы (SO2) практически не влиял на активность ГС у ячменя. Озон уменьшал активность ГС в фазе вегетативного развития фасоли на 10%, а совместное действие O3 и NO2, напротив, повышало активность фермента на 20%. В фазе цветения все возможные сочетания газов снижали активность ГС в среднем на 5—10%.

При фумигации фасоли NO2 в концентрации 0,02—0,5 мкл/л в течение 5 сут активность ГТС возрастала, как и активность аминотрансферазы у томатов при воздействии NO в концентрации 0,2-0,5 мкл/л в течение 14 сут. Вместе с тем активность глутамат-дегидрогеназы у гороха при воздействии NO2 в течение 6 сут в концентрации 0,2-0,5 мкл/л не изменялась, а при действии SO2, NH3, SO2 + NH3 и SO2 + NO2 заметно возрастала.

Интересно, что соотношение активностей глутаматдегидрогеназы и глутаминсинтетазы у райграса многолетнего в атмосфере NO2 (0,25 мкл/л) при почти 60-суточной экспозиции возрастало, хотя активность ГС была в 50 раз выше, чем у глутаматдегидрогеназы.

Метаболизм аминокислот. Данные о влиянии газообразных загрязнителей на содержание аминокислот многочисленны и достаточно противоречивы. Наиболее часто встречаемая реакция — это увеличение общего содержания аминокислот в листе, в частности при экспозиции в атмосфере NO2. Однако при этом необходимо иметь в виду азотный статус растения. Так, в растениях ячменя и бобов в условиях дефицита азота при воздействии NO2 увеличивается содержание азота и аминокислот (по сравнению с контролем), а при нормальном обеспечении азотом оно уменьшается. Уровень амидов глутамина и аспарагина при фумигации NO2 также возрастает, что может указывать на наличие избыточного количества растворимого азота.

Полиамины (путресцин, спермидин и спермин) образуются из аргинина и орнитина с участием аденозилметионина. Концентрация полиаминов возрастает при действии целого ряда стрессоров, в том числе SO2 и O3 у ячменя, пшеницы, фасоли и сои. Активность аргининдекарбоксилазы в листьях ячменя после фумигации O3 существенно возрастала еще до момента появления пятен на листьях. Повышение активности фермента и увеличение концентрации полиаминов в листьях, возможно, предотвращают их повреждение. Действительно, при обработке листьев ингибитором аргининдекарбоксилазы повышения активности фермента не наблюдалось, однако резко увеличивалось повреждение листьев под действием озона. Аналогично экзогенная обработка листьев томата и табака полиаминами приводила к снижению пятен повреждения при фумигации озоном. Интересно, что при фумигации озоном растений табака в концентрации 0, 15 мкл/л в течение 5—7 ч концентрация свободного и связанного путресцина быстро возрастала у устойчивого к O3 сорта и оставалась на постоянном уровне трое суток. Этому предшествовало транзитное увеличение активности аргининдекарбоксилазы, наименее выраженное у неустойчивого сорта с крупными некротическими пятнами после обработки O3.

Поглощение и механизмы токсичности диоксида азота. Существует более чем 560-кратная разница между видами растений по поглощению NO2, что можно использовать для очистки воздуха от загрязнителей. Хотя по некоторым данным есть тесная связь между устьичной проводимостью, поглощением NO2 и чувствительностью к данному загрязнителю, имеются другие факторы внутренней регуляции поглощения. Интересно, что поглощение NO2 коррелирует с устьичной проводимостью, а поглощение NO может происходить и в темноте, что указывает на то, что указанные загрязнители имеют различные механизмы поглощения. Скорость поглощения не коррелирует с чувствительностью к NO2, и внутренние механизмы, в частности изменения в содержании белка в листьях и в активности ферментов ассимиляции нитратов, представляются более важными, особенно в детерминации реакции видов на высокие концентрации NOх. В случае NO2 эти механизмы светозависимы. В этом отношении интересны опыты на мутантах томатов, устьица которых постоянно открыты. Оказалось, что поглощение NO2 при этом не зависело от устьичной проводимости, но тесно коррелировало с уровнем освещенности, что дало основание предположить наличие фотосинтетически активного поглощения ионов.

Активность HP и НиР, как и других ферментов азотного метаболизма, важны в определении токсичности NOх. Это было показано на целой серии мутантов, в разной степени, а иногда и полностью, деффицитных по НРА. Так, на мутантах ячменя удалось проследить характер связи между HPA и поступлением NO2 в листья. Диоксид азота снижал HPA и НиРА у всех мутантов независимо от источника азотного питания - NO3- или NH4+. Однако поступление NO2 в листья мутантов было таким же, как и у исходных диких форм с нормальной НРА, и не зависело от устьичной проводимости (gs). При этом мутанты с полным отсутствием нитратредуктазы, не способные расти на нитратном азоте, не обнаруживали симптомов повреждения через 9 сут выдерживания при концентрации NO2, равной 300 нл/л. Видимо, кроме HP и НиР существуют также другие механизмы, позволяющие избежать токсичных эффектов продуктов метаболизации NO2.

Устойчивость к диоксиду азота изучали на мутантах ячменя, переносящих очень высокую (до 5 мкл/л) концентрацию данного загрязнителя. При выращивании в почвенной культуре и фумигации NO2 в концентрации 1 мкл/л, в отличие от мутантов, дефицитных по HP, у них было установлено повышение активности НРА, НиРА и глутаматдегидрогеназы, а также содержания белка как и у растений дикого типа. Вместе с тем при более высоких концентрациях NO2 и примерно одинаковом значении gs у этих мутантов обнаружено еще более существенное увеличение удельной активности HP, чем у дикого типа.

Отбор растений с другими мутациями, в частности НиР, обеспечит возможности для дальнейшего поиска внутренних механизмов, влияющих на реакцию растений на NO2. Однако кроме идентификации мутантов ячменя, отличающихся по накоплению нитритов, не были выведены формы с мутацией НиР. Интересную альтернативу в этом случае могут предоставить трансгенные растения. Так, в одном из исследований на трансгенном табаке для ингибирования ассимиляции нитратов без непосредственной модификации самого гена HP был использован антисмысловой ген НиР. Известны также отдельные опыты по использованию трансгенных растений для изучения реакций на разные загрязнители, в том числе и NO2.
Имя:*
E-Mail:
Комментарий: