Определение каталазной и пероксидазной активности в тканях высшего водного растения

Один из путей, обеспечивающих устойчивость к ТМ, состоит в предотвращении поступления металла в клетку. Это достигается иммобилизацией ионов в клеточной стенке, ограничением транспорта ионов через плазмалемму вследствие изменения свойств ее трансфераз, а также с помощью лигандов, хелатирующих металлы, которые выделяются из клетки в окружающую среду. Такими лигандами могут быть органические кислоты, сахара, фенолы и пептиды.

При неэффективной  работе указанных механизмов невозможно избежать попадания в клетку ТМ, тогда включаются внутриклеточные способы формирования металлотолерантности. Это механизмы детоксикации, или активного выделения металлов, и те способы, которые позволяют клетке нормально функционировать в присутствии избытка ионов или быстро восстанавливать повреждения, вызванные ими. К первой группе относится образование физиологически неактивных форм металлов – органических комплексов или нерастворимых органических соединений [69].

           Свинец – один из представителей тяжёлых металлов. Повышенный интерес к свинцу вызван его приоритетным положением в ряду основных загрязнителей окружающей природной среды. Металл токсичен для микроорганизмов, растений, животных и людей [21].

 Атомная  масса 207,2. Все растворимые соединения  свинца ядовиты. В естественных  условиях он существует в основном в форме PbS. По сравнению с другими ТМ он наименее подвижен, причем степень подвижности элемента сильно снижается при известковании почв.  Подвижный Pb присутствует в виде комплексов с органическим веществом (60-80 % подвижного Pb). При высоких значениях рН свинец закрепляется в почве химически в виде гидроксида, фосфата, карбоната и Pb-органических комплексов [46].

           Значительное повышение содержания свинца в окружающей среде (в т.ч. и в поверхностных водах) связано со сжиганием углей, применением тетраэтилсвинца в качестве антидетонатора в моторном топливе, с выносом в водные объекты со сточными водами рудообогатительных фабрик, некоторых металлургических заводов, химических производств, шахт и т.д. [18]. 

            В топливно-энергетическом комплексе загрязнение окружающей среды свинцом обусловлено производством этилированных бензинов и сжиганием топлива (прежде всего угля). Выбросы автотранспорта – основной источник загрязнения окружающей среды ионами свинца. Еще несколько лет назад одной из наиболее важных проблем для России было снижение свинцового загрязнения окружающей среды за счет перехода на использование неэтилированного бензина [64].

         Существенными источниками загрязнения окружающей среды свинцом и его соединениями являются предприятия оборонной промышленности. Так, монтажно-спаечные работы обусловливают дополнительным выпуском свинца и его неорганических соединений. Поступление свинца в окружающую среду происходит также при производстве свинецсодержащих боеприпасов, нанесении свинцовых покрытий и других специальных работах.

        В ракетно-космической технике основным источником свинцового загрязнения являются пиросредства. Наибольшее применение получили пиросредства: пиропатроны, разрывные болты, трубки дистанционного типа. Снаряженные детонаторами и электродетонаторами с инициирующим составом из азида свинца и тринитрорезорцината свинца, при срабатывании которых, в числе других вредных веществ, выделяется свинец в парообразном состоянии [29].

Также в загрязнение  окружающей среды свинцом огромный вклад  привносят химические источники тока. Опасности для человека, окружающей среды возникают преимущественно на этапе утилизации отработавших аккумуляторов. По-прежнему много батарей после использования выбрасывается в мусоропроводы. На свалках или установках для компостирования аккумуляторы разлагаются, при этом в почву и подземные воды попадает большое количество свинца [36].

 Естественными источниками поступления свинца в поверхностные воды являются процессы растворения эндогенных (галенит) и экзогенных (англезит, церуссит и др.) минералов [21].

ПДК свинца для  пресноводных водоёмов составляет 0,006 мг/л [59].

 

• 1.3. Влияние синтетических поверхностно-активных веществ на растительные организмы

 

Синтетические поверхностно-активные вещества (СПАВ) представляют обширную группу соединений, различных по своей структуре, относящихся к разным классам. Эти вещества способны адсорбироваться на поверхности раздела фаз и понижать вследствие этого поверхностную энергию (поверхностное натяжение) [1, 67]. 

         Синтетические поверхностно-активные вещества относят к группе распространенных и опасных загрязнителей водной среды [2, 50].

В зависимости  от свойств, проявляемых СПАВ при  растворение в воде, выделяют: анионные вещества (активной частью является анион), катионные (активной частью молекул является катион), амфолитные и неионогенные, которые совсем не ионизируются [6, 33].   

Катионные СПАВ ˗˗ вещества, которые ионизируются в водном растворе с образованием положительно заряженных органических ионов. К ним относятся четвертичные аммониевые соли, состоящие из: углеводородного радикала с прямой цепью, содержащей 12-18 атомов углерода; метильного, этильного или бензильного радикала; хлора, брома, иода или остатка метил- или этилсульфата [52, 61].

Катионные дороже анионных, обладают антибактериальными свойствами и используются для придания мягкости тканям и для дезинфекции [1, 67]. 

Производство  и широкое применение синтетических  поверхностно-активных веществ, особенно в составе моющих средств, обусловило поступление их со сточными водами во многие водоемы, в том числе источники хозяйственно-питьевого водоснабжения. В настоящее время эти вещества являются одним из самых распространенных химических загрязнений водоемов [65]. Неэффективность очистки воды от ПАВ на современных водопроводных очистных сооружениях является причиной появления их в питьевой воде водопроводов. В то же время поверхностно-активные вещества могут оказывать отрицательное влияние на качество воды, самоочищающую способность водоемов, организм человека, а также усиливать неблагоприятное действие других веществ на эти показатели, что требует ограничения их содержания в воде.

В водоисточники  ПАВ могут поступать следующими основными путями:

а) с бытовыми сточными водами в результате использования ПАВ в составе синтетических моющих средств (СМС) в быту, в прачечных;

б) с промышленными  сточными водами при производстве и  в результате использования ПАВ  и СМС в промышленности;

в) с поверхностным  стоком с сельскохозяйственных полей как результат использования ПАВ для эмульгирования пестицидов, а также с территорий, прилегающих к предприятиям, производящим СМС;

г) в подземные  воды ПАВ могут попадать в результате использования почвенных методов  очистки сточных вод, содержащих ПАВ,  при пополнении подземных вод водой из поверхностных водоисточников и при прочих загрязнениях почвы этими веществами.

В поверхностных  водах СПАВ находятся в растворенном и сорбированном состоянии, а  также в поверхностной пленке воды водного объекта.

В слабозагрязненных поверхностных водах концентрация СПАВ колеблется обычно в пределах тысячных и сотых долей миллиграмма в 1 дм³. В зонах загрязнения водных объектов концентрация повышается до десятых долей миллиграмма, вблизи источников загрязнения может достигать нескольких миллиграммов в 1 дм³ [6].

Попадая в водоемы  и водотоки, СПАВ оказывают значительное влияние на их физико-биологическое  состояние, ухудшая кислородный  режим и органолептические свойства, и сохраняются там долгое время, так как разлагаются очень медленно. Отрицательным, с гигиенической точки зрения, свойством ПАВ является их высокая пенообразующая способность. Хотя СПАВ не являются высокотоксичными веществами, имеются сведения о косвенном их воздействии на гидробионтов. Результатом действия СПАВ на гидробионтов может быть развитие окислительного стресса, повреждение молекул белков и нуклеиновых кислот, клеточных и тканевых структур, а в ряде случаев и гибель организма. При концентрациях 5-15 мг/дм³ рыбы теряют слизистый покров, при более высоких концентрациях может наблюдаться кровотечение жабр [6]. При этом наиболее опасными для гидробионтов являются катионные СПАВ [2 – 80].

 

  1.4. Влияние температуры на растительные организмы

 

 Температура  воды является одним из важных  физических факторов для высших водных растений. Средняя температура воздуха постепенно возрастает по разным причинам, соответственно вызывая потепление водоемов.

Повреждающее  действие во многом определяется не только абсолютным значением, но и продолжительностью действия высоких температур. Кратковременное влияние очень высоких температур (+43-45 °С) может быть таким же губительным, как и продолжительное действие более низких (+35-40 °С).

Прежде всего, температура влияет на скорость диффузии, и, как следствие, на скорость химических реакций (прямое влияние). Кроме того, она вызывает изменение структуры белковых макромолекул (косвенное влияние) [28]. Это приводит не только к изменению активности ферментов, но и к увеличению проницаемости мембран, нарушению гомеостаза, изменению взаимодействия между липидами, комплементарными цепями нуклеиновых кислот и белками, гормонами и рецепторами. Денатурация белков и нарушение структуры мембран являются первыми звеньями повреждения клеток при высокой температуре. С увеличением температуры скорости ферментативных реакций возрастают.

Изменения каталитических свойств  ферментов, т.е. их энергий активации, являются одним из важнейших типов  приспособительных реакций организмов к изменяющимся температурным условиям и происходят в результате модификаций молекул ферментов.

Многие растения способны компенсировать влияние температуры  на скорость биохимических реакций  путем изменения содержания ферментов  в клетках. В первую очередь это  относится к ферментам, лимитирующим скорость ключевых процессов метаболизма, например, фотосинтеза и дыхания [69].

 

1.5. Общие понятия о стрессе, стрессоре

 

Растительные организмы  в природных условиях очень часто  подвергаются воздействию неблагоприятных  факторов окружающей среды. Стрессорный фактор, или стрессор, – сильно действующий фактор внешней среды, способный вызвать в организме повреждение или даже привести к смерти. Если повреждающее действие стрессора превосходит защитные возможности организма, то наступает смерть – можно говорить об экстремальном факторе.

Интенсивность (доза) стрессора, вызывающая гибель организма, называется летальной (ЛД) и характеризуется ЛД50, т. е. интенсивностью действующего фактора, при которой погибает половина растений.

Наиболее распространенными  неблагоприятными для растений факторами  являются засуха, высокие и низкие температуры, избыток воды и солей в почве, недостаток кислорода, присутствие в атмосфере вредных веществ, ультрафиолетовая радиация, ионы тяжелых металлов, фитопатогены. [9].

В состояние  стресса организм переходит при  действии повреждающего фактора-стрессора [3, 7]. Стрессоры подразделяются на три основные группы: физические (недостаточная или избыточная влажность, освещенность, температура, радиоактивное излучение, механические воздействия, аноксия и т.д.), химические (соли, газы, ксенобиотики, промышленные отходы и т.д.), биологические (поражение возбудителями болезней или вредителями, конкуренция, отрицательное влияние животных [53].

Способность к  защите от повреждающих и неблагоприятных  факторов среды – обязательное свойство любого, в том числе и растительного, организма. [9].

Состояние, в  котором находится растение под  действием того или иного стрессора, называется стрессом [53].

Основные понятия  и положения учения о стрессе  были разработаны в 1936 г. канадцем Гансом Селье [32, 34].

Стресс (от англ. stress – давление, нажим, напор,  гнет,  нагрузка,  напряжение) – это интегральный неспецифический ответ организма  на повреждающее действие, направленный на выживание организма за счет мобилизации  и формирования защитных систем [53].

У большинства  растений под действием самых  различных неблагоприятных факторов развивается особое состояние –  фитостресс.

Для растений характерны три фазы стресса: 1) первичная стрессовая реакция, 2) адаптация, 3) истощение.

Первая  фаза – первичная индуктивная стрессовая реакция. В целом реакция растения на изменившиеся условия является комплексной, включающей изменения биохимических и физиологических процессов. Эти изменения могут носить как неспецифический, так и специфический характер.

Неспецифическими являются однотипные реакции организма на действие разнородных стрессоров или разных организмов на один и тот же стресс-фактор. К специфическим относят ответные реакции, качественно отличающиеся в зависимости от фактора и генотипа. Понятие специфичности и неспецифичности адаптивных реакций применяют, во-первых, определяя отношение организма (вида, сорта) к различным стрессорам, а во-вторых, характеризуя реакцию различных организмов (видов, сортов) на один и тот же стрессор [51].

Таким образом, характер ответа растения на различные факторы включает в себя неспецифические реакции, возникающие при действии неблагоприятных условий и специфические реакции, зависящие от особенностей воздействия.

К первичным неспецифическим  процессам, происходящим в клетках  растений при действии любых стрессоров, относятся следующие:

1. Повышение  проницаемости мембран, деполяризация  мембранного потенциала плазмалеммы.

2. Вход ионов кальция  в цитоплазму из клеточных  стенок и внутриклеточных компартментов  (вакуоль, эндоплазматическая сеть, митохондрии).

3. Сдвиг рН цитоплазмы  в кислую сторону.

4. Активация сборки актиновых  микрофиламентов цитоскелета, в  результате чего возрастает вязкость и светорассеяние цитоплазмы.

5. Усиление поглощения  кислорода, ускоренная трата АТФ,  развитие свободно-радикальных процессов.