Экологические стрессы у растений

Ганс Селье впервые описал явление стресса – общей неспецифической реакции организма , направленной на мобилизацию его защитных сил при действии раздражающих факторов. В развитии стресса были выделены три стадии :

1.Стадия тревоги, выражающаяся в мобилизации всех ресурсов организма

2. Стадия сопротивления

3.Стадия истощения.

Г. Селье сформировал теорию общего адаптационного синдрома ( ОАС) и адаптационных болезней , как следствие адаптационной реакции, согласно которой ОАС проявляется каждый раз , когда организм чувствует опасность.

Особенно актуальна

эта проблема для растений, т.к. растения в отличии от других организмов не могут мигрировать.Загрязнения окружающей среды наносят громадный ущерб городскому озеленению и растениеводству, поэтому необходимо получать растения, устойчивые к этим воздействиям.

Для получения растений, устойчивых к загрязнениям , наряду с традиционными методами селекции перспективно использовать современные биотехнологические подходы, которые уже хорошо зарекомендовали себя при получении растений, толерантных к различным экологическим стрессовым факторам: засухе, засолению, низким и высоким температурам и др. В настоящее время получены клеточные линии льна , устойчивые к кадмию ( Гончарук и др., 2001 ), полевицы, устойчивые к кадмию,цинку и кобальту ( Гладков, Гладкова 2003), получены клеточные линии перца , кукурузы, полевицы и овсяницы, устойчивые к осмотическому стрессу (Diaz, 1994, Долгих и др., 1994, Гладков и др. ,2003), к замораживанию (И.И.Туманов, 1977), каллусные культуры кукурузы , толерантные к низким температурам и жаре.

1.2. Действие тяжелых металлов (ТМ) на растения

1.2.1 Влияние тяжелых металлов на рост и развитие растений

Термин” тяжелые металлы" применяется к металлам с плотностью, превышающей 50 г/см^3 либо атомным числом больше 20. Однако существует другая точка зрения, согласно которой к тяжелым металлам относят свыше 40 химических элементов с атомными массами, превышающими 50 единиц (Кабата-Пендиас,1989; ).

Пути поступления ТМ в экосистемы весьма разнообразны. Важнейшие из них: – отходы жилых домов (среди которых отходы отопительных систем, мусор, пищевые отходы, непригодные предметы домашнего обихода, отходы общественных учреждений- являются важной чертой экосистем городов);

– теплоэнергетика (помимо образования массы шлаков при сжигании каменного угля, выделяется в атмосферу сажа и несгоревшие частицы, оседающие в почве);

– электростанции;

* минеральные и органические удобрения;

*

сточные воды промышленных предприятий (в которых в больших количествах присутствуют различные тяжелые металлы);

* отходы животноводства;

*

автотранспорт (при работе двигателей внутреннего сгорания в большом количестве выделяются оксиды азота, углеводороды и тяжелые металлы, оседающие на поверхность почвы; в результате истирания автопокрышек в почву поступают кадмий, медь, свинец, цинк и другие элементы )

* сжигание твердых отходов;

* работа металлообрабатывающих предприятий и предприятий черной и цветной металлургии;

* добыча полезных ископаемых.

Тяжелые металлы наиболее токсичны среди химических элементов и сравнимы по уровню опасности с пестицидами. К очень токсичным относятся следующие химические элементы : Cu , Co , Ni , Zn , Sn , As , Se , Fe , Rb , Ag , Cd , Au , Hg , Pb , Sb , Bi , Pt . Фитотоксичность тяжелых металлов зависит от многих химических свойств: валентности, ионного радиуса и способности к комплексообразованию.

В большинстве случаев

химические элементы по степени опасности располагаются в следующей последовательности: Cu > Ni > Cd > Pb > Hg > Fe > Mo > Mn (Гуральчук ,1994; Феник и др., 1995). Ряды элементов по токсичности для растений отличаются в зависимости от эксперимента и вида растений, но коррелируют со следующими факторами (Матвеев и др,1995; Пронина, 2000):

электроотрицательностью двухвалентных ионов;

устойчивостью хелатов;

произведением растворимости сульфидов;

биологической доступностью.

При длительном поступлении в почвах городов накапливается значительное количество тяжелых металлов, сопоставимое с содержанием их в естественных геохимических аномалиях или даже превосходящее его (Ильин, 1991; Ладонин, Ладонина, 2000). Однако между почвами техногенно загрязненных территорий и почвами геохимических аномалий есть существенная разница. В первом случае тяжелые металлы концентрируются в верхнем слое почв и присутствуют в виде металлосодержащих минералов, во втором – прослеживается увеличение концентрации тяжелых металлов с глубиной почвенного профиля и они присутствуют в различных формах.

Действие тяжелых металлов на растения в биогеохимических провинциях и в антропогенно загрязненных территориях различается. В биогеохимических провинциях, в районах рудных месторождений, в течении веков шла адаптация и сформировалась, так называемая, металлофитная флора.

Металлофиты делят на абсолютные, которые обитают только на обогащённых металлом почвах, и локальные, которые встречаются на обогащённых почвах лишь в пределах определённого района и растущие также на обычной почве. Металлофиты используют как индикаторы месторождений. Например, купрофильные виды мхов используют как индикаторы медных месторождений. В Африке распространена специфичная эндемичная флора на почвах, обогащённых медью. У растений, растущих вдоль отвалов месторождений, чётко выражена внутривидовая дифференциация, выявлены растения устойчивые к Cu, Zn, Ni. В составе сообществ на почвах отвалов рудников также встречаются обычные виды местной флоры. Их адаптации произошла за счёт формирования устойчивых популяций.

Однако к очень высоким концентрациям ТМ растения не могут адаптироваться. На территориях, обогащенных тяжелыми металлами, угнетается развитие зональной растительности вплоть до её исчезновения . Например, в Заире и Зимбабве месторождения меди были обнаружены на травянистых пустотах и безлесных участках в тропическом лесу и саванне .

Растения, произрастающие на техногенных почвах, загрязненных тяжелыми металлами, не могут адаптироваться к постоянно и быстро увеличивающемуся загрязнению. Для них характерны – наличия серпентиноморфозов, проявляющихся в карликовости растений, аномальном расположении листьев и появлении тератологических изменений .

Растения являются чуткими индикаторами геохимической среды: накапливают различные металлы из загрязненных почв и воздуха. Увеличение содержания меди, цинка, кадмия, никеля , железа и других металлов в почвах городов вызывает повышение концентрации металлов и в растениях .

По степени накопления выделяют следующие группы элементов: Cd , Rb , Cs – поглощаются легко; Cu , Zn , Mo , Pb , Ag , Co , As – имеют среднюю степень поглощения ; Mn, Ni, Li, Be, Cr – поглощаются слабо; Se, Fe, Te, Ba – довольно трудно доступны растениям .