Экологическая роль комплексообразования кадмия и цинка с биологически активными лигандами в тканях растений тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 03.00.16, кандидат биологических наук Дубцова, Юлия Юрьевна

• Дубцова, Юлия Юрьевна
• кандидат биологических наук
• 2004

Оглавление диссертации кандидат биологических наук Дубцова, Юлия Юрьевна

Введение.

Глава 1. Кадмий и цинк в системе «почва — растение».

1.1. Кадмий и цинк в биосфере.

1.2. Токсическое действие Сс1 и Ъл на растительные и животные организмы.

1.3. Ответная реакция живых систем на поступление тяжелых металлов

Глава 2. Способы определения концентрации кадмия и цинка в почве и живых системах.

2.1. Прямое определение металлов.

2.2. Определение кадмия и цинка методами химического анализа.

Глава 3. Объекты и методы исследования.

3.1. Объекты исследования.

3.2. Методы исследования.

Глава 4. Исследование комплексообразования кадмия и цинка с модельными лигандами, содержащими биологически значимые функциональные группы.

4.1. Синтез комплексных соединений кадмия и цинка с модельными лигандами.

4.2. Спектрофотометрическое исследование комплексов кадмия и цинка с модельными лигандами.

4.3. Исследование комплексообразования кадмия и цинка с модельными лигандами методом ВЭЖХ.

Глава 5. Влияние поступления ионов кадмия и цинка в ткани растений различных видов на развитие растений.

5.1. Элементный анализ пшеницы, выращенной на почве с повышенным содержанием кадмия.

5.2. Выращивание и анализ растений различных видов (пшеница, ярутка, горох) на почве с повышенным содержанием кадмия.

5.3. Выращивание и анализ растений различных видов (пшеница, ярутка, горох) на почве при одновременном внесении в почву кадмия и цинка.

5.4. Сравнительное изучение металлоустойчивости дикорастущих растений семейства злаковые.

5.5. Исследование металлосодержащих веществ в газообразных выделениях растений.

Глава 6. Изучение комплексообразования кадмия и цинка с биологически активными веществами.

6.1. Синтез комплексных соединений кадмия и цинка с биологически активными лигандами.

6.2. Спектрофотометрическое исследование комплексных соединений кадмия с биологически активными лигандами.

6.3. Хроматографическое исследование комплексов кадмия и цинка с биологически активными лигандами.

Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Экологическая роль комплексообразования кадмия и цинка с биологически активными лигандами в тканях растений»

Актуальность темы. Проблема химического отклика растений на токсическое действие тяжелых металлов пока слабо изучена. Выработанные в ходе эволюции механизмы предотвращения токсического действия тяжелых металлов, в том числе кадмия и цинка, оказываются недостаточными для защиты растений от высокого уровня этих металлов в почве. При сильном загрязнении почвы растения испытывают тяжелометальный стресс, вызывающий повреждение фотосинтетической системы и создающий условия для угнетения роста и развития растений и в конечном итоге для их гибели.

Накопление кадмия в пищевых и кормовых растениях и его миграция по пищевым цепям способны нанести реальный вред здоровью человека.

Реакция разных видов растений на повышенное содержание кадмия и цинка в почве неодинакова. Одни виды накапливают эти тяжелые металлы в значительных концентрациях без особого вреда для своей жизнедеятельности (гипераккумуляторы). Другие виды при относительно небольших концентрациях тяжелых металлов в почве перестают образовывать плоды и даже обнаруживают признаки некроза корней. При этом химическая природа таких различий остается малоисследованной. В этой связи интересен вопрос о возможности образования комплексных соединений кадмия и цинка с веществами, встречающимися в тканях растений и их экологической роли, так как именно такие соединения представляют собой химический ответ растительных организмов на повышенное содержание этих металлов в почве. Интересен также вопрос о способах выведения тяжелых металлов из растений, так как именно этот механизм, вероятно, помогает многим растениям адаптироваться к жизни в условиях загрязнения почвы тяжелыми металлами.

Цель и задачи исследования. Целью настоящей работы является изучение экологической роли комплексообразования кадмия и цинка с биологически активными лигандами, встречающимися в растительных тканях. Для достижения данной цели были поставлены следующие задачи:

1. Изучить комплексообразование кадмия и цинка с модельными лиган-дами, содержащими биологически значимые функциональные группы методами физико-химического анализа.

2. Вырастить растения разных видов на почвах с повышенным содержанием кадмия, а также при одновременном внесении кадмия и цинка.

3. Проанализировать растения разных видов для изучения накопления тяжелых металлов в различных органах.

4. Обнаружить и изучить органические соединения, связанные с кадмием и цинком в тканях выращенных растений.

5. Исследовать некоторые растения на предмет выделения тяжелых металлов через листья при транспирации.

6. Изучить комплексообразование кадмия и цинка с биологическими ли-гандами, встречающимися в растительных тканях.

Научная новизна и практическая значимость работы. Среди результатов, полученных впервые, наиболее существенны следующие:

1. У растений разных видов эволюционно сформированы разные механизмы защиты от избытка кадмия в почве: у злаковых функцию защитных агентов выполняют вещества флавоноидной природы (пшеница - флавоноид три-цин), у гороха посевного — соединения с сульфгидрильными группами, у ярутки полевой - вещества, сочетающие сульфгидрильные и фенольные группы, что и обеспечивает их различную устойчивость к данному тяжелому металлу.

2. Показано, что в растениях комплексообразование с серусодержащими ли-гандами играет роль фиксации кадмия, а с полифенольными соединениями -функцию транспортировки данного тяжелого металла по растению.

3. Наличие цинка в почве замедляет поток кадмия в растение, смягчая кадмиевый стресс.

4. Одним из путей вывода кадмия из растений является его выделение в виде газообразных кадмийсодержащих органических соединений.

Полученные научные результаты могут быть использованы в практике научных исследований различных НИИ СО РАН.

Положения, выносимые на защиту. Комплексообразование органических соединений с кадмием и цинком в растительных тканях играет важную роль в детоксчкации и выведении этих тяжелых металлов из растений, а также лежит в основе металлоустойчивости различных видов растений.

Апробация работы. Материалы исследований докладывались на IV Конференции «Аналитика Сибири и Дальнего Востока - 2000», (Новосибирск, 2000), XIX Всероссийской школе-симпозиуме молодых ученых по химической кинетике, (Клязьма, 2001), на Международной конференции «Экология Сибири, Дальнего Востока и Арктики (ESFEA - 2001), (Томск, 2001), на II Школе-семинаре молодых ученых «Проблемы устойчивого развития региона», (Улан-Удэ, 2001), на Международной конференции по экологической ботанике, (Сыктывкар, 2002), на Первой международной научно-практической конференции «Проблемы ботаники Южной Сибири и Монголии», (Барнаул, 2002), на IX Рабочей группе «Аэрозоли Сибири», (Томск, 2002), на XI съезде Русского ботанического общества (Новосибирск-Барнаул, 2003), на Европейской аэрозольной конференции (Мадрид, Испания, 2003), на II Международной конференции «Окружающая среда и экология Сибири, Дальнего Востока и Арктики (EES-FEA - 2003) (Томск - 2003), а также на объединенных физико-химических семинарах ИХКиГ СО РАН и на семинарах лаборатории фитохимии ЦСБС СО РАН.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 13 печатных работ.

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, 6 глав, выводов и списка литературы. Основной текст изложен на 91 странице. В работу включено 14 рисунков и 11 таблиц. Список литературы содержит 70 наименований, в том числе 20 иностранных.

Заключение диссертации по теме «Экология», Дубцова, Юлия Юрьевна

Выводы:

1. Проведено масс-спектрометрическое и хроматографическое изучение поступления кадмия и цинка в растения. Обнаружено, что в ответ на кадмиевый стресс растения разных видов вырабатывают специфические защитные соединения (пшеница - флавоноид трицин, горох - серусодержащие вещества, ярутка — вещества как фенольной, так и сульфгидрильной природы), что и обусловливает различную их устойчивость к тяжелым металлам.

2. Изучена реакционная способность различных функциональных групп соединений, содержащихся в растительных тканях, в реакциях комплексообразования с цинком и кадмием. Показано, что наибольшей устойчивостью обладают комплексы кадмия и цинка с серусодержащими лигандами.

3. Показано, что в растении комплексообразование с серусодержащими лигандами выполняет функцию фиксации тяжелых металлов, а с полифенольными соединениями - функцию транспортировки тяжелых металлов по растительным тканям.

4. При изучении развития растений на почве, обогащенной как кадмием, так и цинком, обнаружено, что наличие цинка в почве замедляет поток кадмия в растения, тем самым смягчая кадмиевый стресс.

5. При исследовании реакции некоторых дикорастущих злаков на кадмиевый и цинковый стресс показано, что при поступлении в растения металлы связываются в комплексы с соединениями флавоноидной природы.

6. Экспериментально обнаружено, что одним из механизмов вывода металлов из растений может быть выделение их в виде летучих газообразных метаплоорганических соединений.

Список литературы диссертационного исследования кандидат биологических наук Дубцова, Юлия Юрьевна, 2004 год

1. Алексеев Ю.В. Тяжелые металлы в почвах и растениях. JL: Агропромиз-дат, 1987.- 153с.

2. Алексеева-Попова Н.В. Специфичность металлоустойчивости и ее механизмов у высших растений// Микроэлементы в биологии и их применение в сельском хозяйстве и медицине: Тез. докл. XI Всесоюз. конф. Самарканд, 1990.-С. 260-261.

3. Давыдова В.Н., Моченят К.И. Содержание абсциссовой кислоты в растениях фасоли при недостатке цинка// Физиология и биохимия культурных растений.-1980.- Т. 12. № 6. - С. 588-591.

4. Дубинина Ю.Ю., Палесский C.B., Дульцева Г.Г., Скубневская Г.И. Изучение защитной реакции растений (пшеницы, гороха, ярутки) на избыточное содержание кадмия в почве// Экологическая химия. -2003. Т. 12. - Вып.1. -С.41-46.

5. Дубинина Ю.Ю., Дульцева Г.Г. Изучение образования металлосодержащего аэрозоля при окислении выделяемых растениями металлоорганических газообразных веществ// Оптика атмосферы и океана. 2003. - Т. 16. - №5-6. -С.415-417.

6. Елпатьевский П.В., Аржанова B.C. Тяжелометальный пресс на экосистему// Экотоксикология и охрана природы: Тез. докл. респ. семинара. Рига, 1988. -С.62-63.

7. Игошина Т.И., Косицин A.B. Устойчивость к свинцу карбоангидразы Mélica nutans//Ботанический журнал. 1990.-Т.75. - №8.- С.1144-1150. Ильин В.Б. Тяжелые металлы в системе почва - растение. - Новосибирск: Наука, 1991.- 150с.

8. Исидоров В.А. Экологическая химия. СПб: Химиздат, 2001. - 304с. Кабата-Пендиас А., Пендиас X. Микроэлементы в почвах и растениях. - М.: Мир, 1989. С. 191-201.

9. Каплунова Е.В. Трансформация соединений цинка, свинца и кадмия в почвах: Автореф. дис.на соискание ученой степени канд. с/х наук. М., 1983, -22с.

10. Келлер Б.А. Ботаника. М., Л.: Сельхозгиз, 1935. - 471с.

11. Косицин A.B., Алексеева-Попова Н.В. Действие тяжелых металлов на растения и механизмы металлоустойчивости//Растения в экстремальных условиях минерального питания. JI.: Наука, 1983. - С. 5-22.

12. Краснова Н.М. Ферментативная активность и химический состав растений на почвах с повышенным содержанием Zn, Ni, Mg// Микроэлементы в биологии и их применение в сельском хозяйстве и медицине. Самарканд, 1990. - С. 296-297.

13. Мельничук Ю.П. Влияние ионов кадмия на клеточное деление и рост растений. Киев: Наукова думка, 1990. - 148с.

14. Мунир Аль Хабиб Аль-Аруд, Яцюк Т. Изоферментные спектры оксидоре-дуктаз при фитотоксическом воздействии свинца// Пром. ботаника. Киев, 1990.-С. 132-133.

15. Нестерова А.Н. Действие тяжелых металлов на корни растений// Биологические науки. 1989. - №9. - С.72-86.

16. Оголева В.П., Чердакова JI.H. Влияние никеля на биохимические процессы в люцерне// Химия в сел. хоз-ве. 1986. - №3. - С. 58-60. Орлов Д.С. Химия почв. - М.: Изд-во МГУ, 1985. - 436с.

17. Растения в экстремальных условиях минерального питания// Эколого-физиологические исследования/ под ред. Школьника М.Я., Алексеевой -Поповой Н.В. Л.: Наука, 1983. - 250с.

18. Смирнов Ю.С. Общее содержание фенолов у растений Helianthus annus (Compositae) при обогащении среды микроэлементами// Ботан. журнал. -1982.- Т.67. №4. - С. 440-446.

19. Соболев A.C., Мельничук Ю.П., Калинин Ф.Л. Адаптация растений к инги-бирующему действию кадмия// Физиология и биохимия культурных растений.-1982. Т. 14. - №1. - С.84-88.

20. Тяжелые металлы и радионуклиды в агроэкосистемах. М.: Агроэколас, 1994.-288с.

21. УмландФ., Янсен А., Тириг Д., Вюнш Г. Комплексные соединения в аналитической химии. М.; Мир, 1975. - 532с.

22. Устойчивость к тяжелым металлам дикорастущих видов/ Под ред. Алексеевой-Поповой Н.В. Л., 1991. - 91с.

23. Фатеев А.И., Мирошниченко Н.Н., Самохвалова В Л. Миграция, транслокация и фитотоксичность тяжелых металлов при поэлементном загрязнении почвы//Агрохимия. 2001. - №3. - С.57-61.

24. Химическая энциклопедия. М.: Большая Российская Энциклопедия, 1998. -Т.1. - 623с.

25. Химическая энциклопедия. М.: Сов. энциклопедия, 1990. - Т.2. - 671с. Химическая энциклопедия. - М.: Большая Российская энциклопедия, 1992. -Т.З. -639с.

26. Химия тяжелых металлов, мышьяка и молибдена в почвах. / Под ред. Зыри-на Н.Г. М.: МГУ, 1985. - 165с.

27. Черепанов С.К. Сосудистые растения России и сопредельных государств. -СПб.: Мир и семья, 1995. 992с.

28. Энциклопедия комнатного цветоводства/ Сост. Головкин Б.Н. — М.: Колос, 1993.-343с.

29. Chongpradithum P., Mori S., Chino M. Excess copper induces a citosolic cuprum, zink superoxide dismutase in soybean root// Plant Cell Physiol. - 1992. - V. 33. - №3. - P. 239-244.

30. Cox R.M., Hutchinson T.C. Multiple metal tolerances in the growth of Deschamp-sia caespitosa (L.) from sinbury smelting area// New Phyt. 1980. - V. 84. - №4. -P. 631-647.

31. Cumming J.R., Taylor G.J. Mechanisms of metal tolerancein plants: Physiological adaptations for exlusion of metal ions from cytoplasm// Stress Responses in Plants: Adaptation and Acclimation Mechanisms. Wiley-Liss, N.Y., 1990. P. 329-356.

32. Jhomas R., Law J.P. Properties of waste waters / Ed. by L. Elliott, R.J. Stevenson. N.Y., 1977.-P. 76-81.

33. Jarvis S.C., Löhes L.H.P., Hopper M.J. Cadmium uptake from solution by plants and its transport from roots to shoots// Plant and Soil. 1976. - V.44. - №1. - P. 179-191.

34. Pense N.S., Larsen P.B., Ebbs S.D. et al. The molecular physiology of heavy metal transport in the Zn / Cd hyperaccumulator Thlaspi caerulescens// PNAS. -2000. V.97. - №9. - P.4956-4960.

35. Qureshi J.A., Collin H.A. Metal tolerance in tissue cultures of Anthoxanthum odo-ratum// Plant Cell Rep. 1981. - №1. - P.80-82.

36. Steffens J. C. The heavy metal-binding peptides of plants// Plant Physiol., Plant Mol. Biol. 1990. - V.41. - P.553-575.