Спосіб визначення фізіологічної ефективності кореневих бар’єрів у рослин до накопичення важких металів з ґрунту

Спосіб визначення фізіологічної ефективності кореневих бар'єрів у рослин до накопичення важ 3 нах за фазами розвитку, коефіцієнту кореневого бар'єру. Вченими доведено, в багатьох випадках вдається встановити пряму пропорційну залежність між вмістом ВМ у живильному субстраті та рослині. Але надходження ВМ до рослинного організму носить не схоластичний характер, а регулюється фізіологічними бар'єрами поглинання біохімічної природи. Поглинання ВМ сповільнюється під впливом відомих механізмів бар'єрної функції кореня, таких як: реактивних центрів апопласта кореня, клітинної стінки, компартментації у вакуолях клітин, що зупиняє акропетальне переміщення шкідливих елементів. Тому, на наш погляд, визначення спрямованості та ефективності дії кореневого бар'єру по відношенню до важких металів може свідчити про толерантність конкретного рослинного організму до існуючих екологічних умов. Найближчим до запропонованого є спосіб визначення коефіцієнту кореневого бар'єру (Ккб), який представлений в роботі В.А. Плеханової [17] і виражається співвідношенням вмісту ВМ в корені рослини до його вмісту в надземній частині (на суху масу) в конкретних екологічних умовах. Цей показник є одним з варіантів акропетального коефіцієнту, але в даному випадку автором чітко визначено морфологічні органи рослини, які підлягають дослідженню: корінь та надземна вегетативна маса. Проте, значним недоліком даного параметру є те, що він дає уяву лише про ємнісну характеристику (вміст в корені та у вегетативній масі) та загальну спрямованість процесу (переважання накопичення у корені або у вегетативній масі). Тоді як в ряді випадків важливо знати інтенсивність проходження процесів накопичення рослиною як біогенних, так і токсичних елементів з живильного субстрату по відношенню до середовища, яке вважається еталонним. Для цього нами пропонується визначати показник фізіологічної ефективності бар'єрів (ФЕБ) у рослинному організмі. В основу корисної моделі поставлено задачу визначити стійкість рослин до техногенного пресингу шляхом встановлення ступеня ефективності їх кореневих бар'єрів при зміні екологічної ситуації, що забезпечить реальне відображення екологічного стану конкретного екотопу по відношенню до еталонного. Поставлена задача вирішується шляхом оцінювання ступеня зміненості бар'єрної функції коренів рослин одного виду (сорту) порівняно з еталонним екотопом. Для визначення ФЕБ необхідно у відповідності з поставленою задачею прийняти еталонний екотоп, з урахуванням якого і будуть проводитись всі визначення. Залежно від поставленої задачі в якості еталонів можуть виступати рослини з екотопів різного агротехногенного навантаження: природний фон вмісту біогенних та токсичних елементів, ділянки з найвищим рівнем удобрення та продуктивності, ділянки з різним обробітком ґрунту тощо. Показник ФЕБ пропонується визначати на різних етапах органогенезу рослин, що допоможе встановити шляхи оптимізації їх системи живлення у різних екологічних умовах. 47697 4 Показник ФЕБ є логічним продовженням досліджень щодо співвідношення вмісту хімічних елементів у морфологічних органах рослин. Але спосіб визначення ФЕБ пропонує визначати не лише спрямування, а й ефективність дії кореневого бар'єру за зміни екологічних умов. Обґрунтування способу. Збільшення вмісту у ґрунті важких металів (ВМ) чи мікроелементів (ME) супроводжується розбалансуванням природної концентрації елементів у ґрунтовому розчині, що спричиняє зміну доступності біогенних елементів рослинам і може сприяти накопиченню токсикантів у рослинах. Акумуляція металу до певної межі не завдає шкоди рослинному організму, тим більше, що деякі з них є біогенними мікроелементами, необхідними для нормального розвитку рослин (цинк, купрум, ферум, нікол, манган). Це передбачає пасивний транспорт елементів (без затрати метаболічної енергії), який є приоритетним за толерантного вмісту ВМ у живильному субстраті (в т.ч. ґрунті) (Фіг. 1, Фіг.2). При перевищенні певної межі, навіть необхідні рослині мікроелементи перетворюються у токсиканти, що інгібують біохімічні процеси, ріст і розвиток рослини. Якщо перевищення зонального фону ВМ у ґрунті (ґрунтовокліматична зона) є неприйнятним для конкретного представника фітоценозу, то за рахунок змін у біохімічних процесах рослинний організм намагається знизити надходження токсичних елементів до надземних органів (Фіг.3). Такі біохімічні процеси, що обмежують надходження та міграцію токсикантів прийнято вважати фізіологічним бар'єром у рослин. Фізіологічні бар'єри біохімічної природи сприяють зв'язуванню ВМ в малорухомій формі. Ці бар'єри, функціонуючи на межі ґрунт → корінь, корінь → надземні вегетативні органи, надземні вегетативні органи → генеративні органи, запобігають вільному надходженню і переміщенню шкідливих елементів у рослинному організмі. Накопичення кожного з металів відбувається в різних частинах рослини, залежно від її біологічних особливостей. За сталих умов оточуючого середовища, або при їх незначних змінах, співвідношення концентрацій ВМ у корені та надземній масі (Ккб) у кожного виду є величиною, що мало змінюється [16, 18]. Адже накопичення надлишкових кількостей ВМ у корені забезпечується механізмами активного транспорту і є енергоємним процесом. А отже, при толерантних концентраціях ВМ у живильному субстраті рослина "не витрачає" метаболічну енергію на забезпечення кореневого бар'єру [17]. За поглиблення процесу забруднення ґрунту рослина зазнає екологічного стресу і витрачає метаболічну енергію для протидії негативним змінам оточуючого середовища, і як результат - активізуються фізіологічні бар'єри та спостерігається понадприродна акумуляція ВМ у різних органах рослини, що супроводжується зміною коефіцієнта кореневого бар'єра (Ккб). Порівняно з еталонними умовами (фіг.1), на схемах (фіг.2, фіг.3) зображено деякі випадки можливої зміни накопичення ВМ та ME у коренях та надземній вегетативній масі. При вирощуванні рослин є можливим збільшення концентрації хімічних елементів у коренях та надзем 5 ній вегетативній масі без зміни величини їх співвідношення в рослині (фіг. 1). Це може відбуватись при гармонійному поліпшенні умов живлення рослини за рахунок застосування агротехнічних прийомів, або толерантному відношенні культури до змін у екотопі. В таких випадках коефіцієнт бар'єрної функції (Ккб=К/Н, де К - вміст елементу у коренях, мг на кг сухої речовини, а Н - вміст елементу у надземній вегетативній масі, мг на кг сухої речовини) не змінюється порівняно з еталонним (фіг. 1). Відхилення складу та концентрованості ґрунтового розчину від межі толерантності може спричиняти зміни вмісту токсичних хімічних елементів у морфологічних органах рослини, а отже і зміну Ккб. Виходячи з вищезазначеного, зміна Ккб є свідченням порушення розподілу хімічних елементів між морфологічними органами рослини у стресових ситуаціях. Але зі схем (фіг.1, фіг.2, фіг.3) видно, що найбільш інформативно зміну інтенсивності дії бар'єрної функції кореня ілюструє співвідношення різниці величин накопичення хімічного елементу в коренях еталонного і досліджуваного екотопів ( к) до різниці величин накопичення цього ж елементу в надземній масі еталонного та досліджуваного екотопів ( н): к/ н= кб Визначення відносної частки величини кб стосовно еталонного Ккб характеризує фізіологічну ефективність дії кореневого бар'єру (ФЕБ) по відношенню до конкретного елемента: ФЕБ= кб*100/Ккб Зі збільшенням відхилення системи від нормального екологічного стану показник ФЕБ буде зростати, сигналізуючи про інтенсивність діяльності кореневих бар'єрів, тобто їх ефективність. Хід визначення. Дослідження проводяться з рослинами одного виду, а для культурних рослин одного сорту. Є обов'язковим відбір рослинних зразків в межах однієї і тієї ж фази органогенезу як з еталонного, так і досліджуваного екотопу. Бажано проводити одномоментний відбір рослин у цих екотопах. Але за потреби допускається використання фонового зразка, відібраного в попередні роки з урахуванням фази розвитку. В такому випадку еталонний рослинний матеріал в очищеному та висушеному стані повинен зберігатись у герметично закритих посудинах не більше 1-2-х років. В кожному екотопі для аналізування слід відбирати найхарактерніші за морфологічними ознаками рослини. Відібраний матеріал ретельно очищується від поверхневого забруднення пилом та ґрунтом шляхом послідовного відмивання звичайною водою, 0,02 Н розчином соляної кислоти та дистильованою водою. У очищених зразків відділяють корені від надземної маси і аналізують окремо. Визначення важких металів у рослинному матеріалі проводиться методом атомної абсорбції і розраховується у мг на кг повітряно сухого рослинного матеріалу. На основі даних щодо вмісту ВМ у коренях та надземній вегетативній масі рослин з еталонного та досліджуваного екотопів розраховують показник ФЕБ: 1) к=Кд-Ке, мг на кг сухої речовини; 2) н=Нд-Не, мг на кг сухої речовини; 47697 6 3) кб= к/ н; 4) Ккб=Ке/Не; 5) ФЕБ=||Акб|-Ккб)|*100/Ккб, де Кд - вміст хімічного елементу в корені рослин дослідного екотопу; Ке - вміст хімічного елементу в корені рослин еталонного екотопу; Нд - вміст хімічного елементу в наземній масі рослин дослідного екотопу; Не - вміст хімічного елементу в наземній масі рослин еталонного екотопу; кб – співвідношення різниці величин накопичення хімічного елементу в коренях еталонного і досліджуваного екотопів ( к) до різниці величин накопичення цъого ж елементу в надземній масі еталонного та досліджуваного екотопів ( н); Ккб - коефіцієнт кореневого бар'єру рослин з еталонного екотопу; 100 - перерахунок на відсотки. Значення ( кб), а також різниця (| кб|-Ккб) беруться по модулю (без урахування знаку "+" чи "-"), оскільки є важливою лише величина відхилення від значень в еталонних умовах. Список використаних джерел 1. Бокова М.И., Ратникова А.Н. Биологические особенности растений и почвенные условия, определяющие переход тяжелых металлов в растения на техногенно загрязненной территории // Химизация в сельском хозяйстве, 1995. - № 5. - С. 15-17. 2. Добровольский В.В. Ландшафтногеохимические критерии оценки загрязнения почвенного покрова тяжелимы металамы // Почвоведение, 1999. - № 5. - С. 639 - 645. 3. Пащенко Я.В., Накисько С.Г. Некоторые методические подходи к изучению буферности почв к тяжелым металлам // Вісник ХДАУ, 1999.-№ 1.-С. 214-217. 4. Важенин И.Г. Почва как активная система самоочищення от токсического воздействия тяжелых металлов // Химия в сельском хозяйстве, 1982. - № 3. -С. 3-5. 5. Алексеев Ю.В. Тяжелые металлы в почвах и растениях. - Л.: Агропромиздат. Ленингр. отдние, 1987.-142 с. 6. Ильин В.Б. Тяжелые металлы в системе почва-растение. - Новосибирск: Наука. Сиб. отд-ние, 1991.-151 с. 7. Биндич Т.Ю., Мурза І.Ф. Міграційні здібності важких металів при поліелементному складі забруднювачів // Агрохімія і ґрунтознавство. - Спец, випуск до V з'їзду УТГА, 6-10 липня 1998, м. Рівне. -Харків, 1998. -Ч. 4 – С. 181-183. 8. Ґалаґан О.О. Ландшафтно-геохімічні дослідження міграції важких металів у лісостепових ландшафтних комплексах України // Український географічний журнал. - К., 1993. - № 2. – С. 32-35. 9. Фатєєв А.І., Мірошниченко М.М., Биндич Т.Ю. Особливості міграції важких металів з орного шару зональних грунтів України // Вісник ХДАУ, 1999. - № 2. - С. 99-100. 10. Mils L J., Parker G.R. Effect jf Soil Cd Addition on Germination of Native Plant Species // Plant and Soil. -1980. - Vol. 54, № 27. - P. 243 - 247. 7 47697 11. Гармаш Г.А. Содержание свинца и кадмия в различных частях картофеля и овощей, выращенных на загрязненной этими металлами почве // Химические элементы в системе почварастение. - Новосибирск, 1982. - С. 105-110. 12. Макарова Ю.В. эколого-биогеохимические исследования в агрофитоценозах Самарской области // Весник СамГУ - Естественнонаучная серия, 2006. -№ 7 (47). -С. 108-117. 13. Перельман А.И. Геохимия ландшафта. М.: Высшая школа., 1975. - 342 с. 14. Минкина Т.М. Соединения тяжѐлых металлов в почвах нижнего Дона, их трансформация под влиянием природных и антропогенных факторов // автореф. дис на соиск. Уч .ст доктора биол наук. - Ростов - на Дону, 2008 -49 с. Комп’ютерна верстка І.Скворцова 8 15. Авесаломова И.А. геохимические показатели при изучении ландшафтов. - М.: Из-во Москов. ун-та, 1987. -103 с. 16. Фортескью Д. Геохимия окружающей среды. - М.: Прогрес, 1985. - 359 с. 17. Плеханова В.А. Характер сопряжения накоплений цинка и кадмия растениями в условиях фитоценоза и агрокультуры. // Автореф. дис.канд.биол.наук. - Уфа, 2007. – 22 с. 18 Максимова Е.В., Косицина А.А., Макурина О.Н. Влияние антропогенных факторов химической природы на некоторые эколого-биохимические характеристики рстений. // Вестник СамГУ - Естественнонаучная серия, 2007. № 8 (58). - С. 146-152. 19. Brooks R.R. Biogeochemical parameters and their singnificance for mineral exporation // J. Applied Ecology. 1973.10(3). -P.825-836. Підписне Тираж 26 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601