Физиологическая роль металлов в жизнедеятельности растительных организмов

 

К тяжелым металлам относят металлы с удельным весом более 4.5 г/см³. Тяжелые металлы играют особую роль в биосфере. Находясь преимущественно в рассеянном состоянии, они могут образовывать локальные аккумуляции, где их концентрация в сотни и тысячи раз превышает среднепланетарные уровни. Большинство металлов, присутствуя в живых организмах в ничтожно малых количествах, выполняют весьма важные функции, входя в состав биологически активных веществ. Соотношение их концентраций в организмах выработалось на протяжении всего хода эволюции органического мира. Значительные отклонения от этих соотношений вызывают отрицательные, часто губительные, последствия для живых организмов. Наконец, являясь одним из главных природных ресурсов, непременным условием поддержания и развития современной цивилизации, металлы образуют группу наиболее опасных загрязнителей биосферы.

По биологической роли в живых организмах тяжелые металлы включают в себя как типичные микроэлементы (Co, Cu, Zn, Mo, Cr, Mn, Ni, V), биохимические функции которых подробно изучены, так и металлы, чья биологическая роль в живых организмах не столь многогранна и важна или вообще сомнительна (Sc, Ru, Rh, Pd, Ag, Cd, W, La и лантаноиды, Hf, Pt, Au, Hg, Pb, As, Ge, Sn, Sb, Tl, Bi и другие).

Все химические элементы, в том числе и тяжелые металлы, в определенном количестве необходимы растительному организму. Элементы, из которых состоят растения, можно условно разделить на две группы. В одну входят структурные элементы, из которых построены молекулы основных органических соединений (белков, жиров, углеводов), в другую - функциональные. Последние активно участвуют в синтезе структурных соединений, но, как правило, не входят в них. Функциональные элементы обладают высокой биологической активностью, часто являются кофакторами различных ферментов, влияют на проницаемость биомембран, способствуют лучшему перераспределению метаболитов внутри растения [1]. Микроэлементы (к которым относятся многие тяжелые металлы) в основном являются функциональными элементами, так как входят в состав ферментов, витаминов и других биологически активных веществ. По абсолютному их содержанию в растительном веществе тяжелые металлы можно разделить на четыре групп: элементы повышенной концентрации - Mn, Zn, Fe; средний - Cu, Ni, Pb, Cr; низкой - Co, Mo, Cd, Sn; очень низкой - Hg, Ag [2].

Исключительно велика каталитическая роль микроэлементов, особенно в окислительно-восстановительных процессах. Медь играет важную роль в ходе ферментативного катализа, в частности, во время его первой стадии, т.е. во время связывания субстрата ферментом [3]. К настоящему времени в биологических системах обнаружен ряд медьсодержащих протеинов, и частности связанный с кислородом гемоцианин, цитохромная оксидаза, тиросиназа и лакказа. Медь, как и железо, участвует в природной селекции аэробных клеток и в эволюции металлопротеинов и металлоферментов. Последнее выражается в развитии Сu-Zn-фермеитов (сверхкислая дисмутаза), Fe-Сu-ферментов и богатых кислородом белков. Во всех названных протеинах медь связывается с лигандами азота, кислорода и (или) серы. Вместе с тем доминирующая роль меди в биологических системах определяется ее способностью стабилизировать серные радикалы.

Многочисленными исследованиями растительных организмов доказано положительное влияние меди на интенсивность фотосинтеза, дыхание, перераспределение углеводов, восстановление и фиксацию азота, проницаемость сосудов ксилемы для воды. Сu контролирует образование ДНК и РНК, оказывает влияние на механизмы, определяющие устойчивость к заболеваниям.

К числу давно известных и широко представленных в растении активируемых медью окислительных ферментов относятся энзимы фенолазного комплекса и аскорбатоксидаза. Предполагаемый механизм действия этих катализаторов включает образование комплексов меди с кислородом и изменение валентности металла фермента в ходе реакции.

Медь активирует процесс фиксации молекулярного азота. Медь является единственным элементом, улучшающим рост в условиях аммиачного питания. Растения на среде с аммиаком при хорошей аэрации и в присутствии меди были сравнимы по росту с растениями на нитратном фоне. Участие меди в фотосинтезе подтвердилось присутствием в хлоропластах цитохромоксидазы и последующего открытия в хлоропластах пластоцианина, который встречается исключительно в фотосинтезирующих органах, зеленых частях растений. Многие медь-содержащие ферменты [4] катализируют восстановление О₂ до Н₂О₂ или Н₂О. Окисляя монофенолы, медь принимает участие в образовании сложных биополимеров, таких как лигнин и меланин.

Марганец является катализатором в процессах дыхания и усвоения нитратов. Показано [5], что марганец при нитратном питании выступает в роли восстановителя, а при аммиачном - как окислитель. При недостатке марганца в растениях разобщаются процессы фотосинтеза и биосинтеза нуклеиновых кислот, снижается содержание ионов калия, а содержание натрия, калия, магния, нитратов, фосфатов возрастает, что, очевидно, связано с увеличением проницаемости клеточных мембран и с активным накоплением их в вакуолях против градиента концентрации. Недостаток марганца сопровождается повышением в корнях удельного веса фосфолипидов, холин- и инозитфосфатидов, что так же может быть связано с изменением проницаемости мембран.

При любой степени недостаточности марганца угнетается только та часть фотосинтеза, которая ответственна за образование кислорода. При его добавлении в среду происходит быстрое восстановление обоих процессов - завершение фотосинтеза и образование кислорода. Марганец включается в процесс между фотолизом воды и образованием необходимым элементом в жизнедеятельности свободноживущих азотфиксаторов [6].

Цинк входит в состав большого числа разнообразных ферментов. Прочно удерживает цинк белок карбоангидразы, которая активирует обратимое разложение угольной кислоты. Цинк является металлом - активатором таких ферментов, как энолаза, альдолаза. Последняя участвует в разложении фруктозодифосфата до фосфодиоксиацетона и фосфоглицеринового альдегида. В отсутствии цинка нарушается процесс окислительного фосфорилирования [7]. В молекуле фермента алкогольдегидрогеназа на одну молекулу белка приходится четыре атома цинка, который обеспечивает не только каталитическую функцию фермента, но и служит для его стабилизации.

Цинк участвует в метаболизме стимуляторов и ингибиторов роста, а также ускоряет синтез и увеличивает содержание РНК в растениях [8].

Влияние цинка на рост имеет прямое отношение к его участию в обмене ауксина и особенно индолилуксусной кислоты, которая тесно связана с аминокислотой триптофаном. При недостатке цинка окислительно-восстановительное равновесие сдвигается и наступает коацервация, окисление, нарушается синтез белка. Это определяет влияние цинка на фотосинтез, образование хлорофилла и рост растений.

Ванадий стимулирует фиксацию атмосферного азота и рост азотобактера в культурах, к которым азот в связанном виде не добавлялся. Наблюдалось усиление (в 8 раз) скорости роста зеленых водорослей при добавлении ванадия к очищенному питательному раствору. Имеются данные о значения ванадия в процессе фотосинтеза [9].

Кобальт необходим бобовым растениям в отсутствие связанного азота. Имеются данные о значении кобальта, входящего в состав витамина В₁₂, неорганического кобальта в фиксации азота свободноживущими микроорганизмами. Кобальт является активатором многих ферментов и играет важную роль в энергетическом обмене. Под его влиянием значительно повышалось содержание АТФ в растениях, у которых под воздействием засухи и высоких температур снизилось содержание последней. Кобальт способствует росту тканевых культур эпикотиля и имеет значение для прорастания пыльцы [9].

Физиологические функции ионов металлов тесно связаны между собой. При этом наблюдаются как проявления синергизма, так и антагонизма по отношению металлов друг к другу. В целом, взаимодействие ионов является весьма сложным процессом, включающим не только конкуренцию их при поступлении в растения, но и более глубокие биохимические и физиологические изменения в процессе метаболизма. Иногда единственной причиной положительного действия некоторых микроэлементов (йода, алюминия) является их антагонистическое действие, их способность обезвреживать действие других ионов. Чаще всего причина антагонизма ионов заключается в диаметрально противоположном действии на коллоидно-химические свойства плазмы и на ход определенных важных жизненных процессов ионов-антагонистов [10]. Анализируя явления антагонизма и синергизма, необходимо указывать, при каких условиях они проявились. Например, при увеличении недостатка испытуемого элемента явления синергизма переходят в антагонистические, а при избытке его антагонизм переходит в синергизм. Известно, что молибден способствует улучшению биодоступности железа. Это связано со способностью молибдена образовывать комплекса с фосфором, что ведет к задержке осаждения железа в виде фосфата и приводит благодаря этому к увеличению доступности железа. Напротив, торможение поступления железа в растение при избытке марганца рассматривается как результат конкуренции между двумя указанными элементами за место в простетических группах ферментов. Антагонистические свойства некоторых металлов лежат в основе их токсического действия на растительные организмы. Так, например, способность кадмия замещать цинк во многих энзиматических реакциях приводит к их разрыву или торможению. В то же время кадмий может ингибировать токсичность меди. При совместном действии меди и свинца, меди и кадмия отмечается антагонизм в их влиянии на растения, а в случае меди и никеля - синергизм.

При резком увеличении содержания одного или нескольких металлов-микроэлементов в среде наблюдается смена нормальных физиологических функций металла токсическим воздействием. Токсичность тяжелых металлов тесно связана с физико-химическими свойствами, со способностью к образованию более или менее прочных соединений с рядом функциональных группировок на поверхности или внутри клеток. При токсическом действии металлов происходит не только грубое нарушение в коллоидах, но и денатурация белков, их осаждение, а также блокирование активных центров ферментов. Именно нарушения нормального и согласованного действия ферментных систем представляют основной механизм действия токсических веществ [11]. Установлено, что в больших дозах металлы образуют ковалентные связи в отличие от физиологически необходимых металлов, для которых характерны ионные связи [12]. Многие металлы связываются с компонентами мембраны, изменяя ее проницаемость и энзиматическую активность. Такие металлы, как кадмий и ртуть, способны индуцировать мутагенез, канцерогенез и вызвать макроскопические изменения. Связываясь с ДНК никель вызывает снижение ее синтеза. Токсическое действие свинца и хрома проявляется в нарушениях митотической активности растительных клеток.

Воздействие загрязнителей на растительные организмы приводит к возникновению у них разнообразных нарушений, приобретающих в зависимости от силы воздействия, его направленности и специфичности характер патологической реакции, патологического процесса, болезни или же патологического состояния [13]. Патологические явления, вызываемые у растений загрязнителями, могут быть объединены в две основные категории - категорию патологических явлений, возникающих без нарушения генетической конституции растений, по существу эпигеномных, и категорию патологических явлений, связанных с возникновением мутаций в гаметах или же соматических клетках.

При обследовании водной растительности [14] было установлено, что кадмий менее ядовит для растений, чем ртуть и медь, и сопоставим по токсичности со свинцом, никелем и хромом. В зависимости от формы нахождения и условий опыта приостановка роста и фотосинтеза происходит обычно при содержании кадмия 0.02-1.0 мг/л. Однако, хронические эффекты наблюдались и при низких концентрациях - 1 мкг/л. Токсичность кадмия может быть объяснена способностью его замещать цинк, связанный с протеинами; соответственно добавление цинка в среду заметно понижает повреждение клеток. В то же время кадмий может ингибировать токсичность меди. У водорослей под действием кадмия наблюдались набухание, вакуолизация и дегенеративные формы митохондрий, указывающие на значительную цитотоксичность кадмия. Кадмий в количестве 0.01-0.1 мг/л понижает также концентрацию АТФ и хлорофилла у многих видов и уменьшает продукцию кислорода. Ингибирование роста растений наблюдается при концентрациях меди £0,1 мг/л. При содержании меди 0.003-0.03 мг/л отмечается уменьшение потребления углекислоты и кремневой кислоты. Ртуть - единственный металл, который для растений более токсичен, чем медь. Сублетальный эффект медной интоксикации проявляется в начальной потере калия, что связано с увеличением проницаемости клеток. Это может приводить к интенсивности фотосинтеза. При содержании меди ниже 0.05 мг/л отмечается уменьшение объема клеток, содержании азота и углерода. Острое и хроническое действие свинца проявляется при концентрациях около 0.1-5 мг/л. марганец и медь могут парализовать стимулированную свинцом ингибицию, отражающую конкуренцию за активные места в ферментах. Концентрация хлорида ртути 0.002-0.25 мг/л вызывает у растений задержку роста. Существенное снижение интенсивности роста растений отмечается при содержании 0.1-0.5 мг/л никеля. При совместном влиянии никеля и ртути, никеля и меди на многие виды водных растений отмечается синергизм, а при совместном воздействии никеля и кадмия, никеля и цинка - антагонизм.

Загрязненные растения не выполняют в полной мере функцию «зеленых легких» планеты, уменьшается их роль в регуляции температурного и светового режимов и водного баланса, в осуществлении биохимических циклов, в предотвращении водной и ветровой эрозии, в возникновении и воспроизведении трофических цепей.