Действие ксенобиотиков на растения
И их газоустойчивости.
Ксенобиотики (от греч. xenos – чужой и bios – жизнь) – это чужеродные
для организмов соединения (промышленные загрязнения, пестициды, тяжелые металлы, органические загрязнители, газы и т.д.), не входящие в естественный биологический круговорот.[1,2] Попадая в окружающую среду в значительных количествах, ксенобиотики могут воздействовать на генетический аппарат организмов, вызывать их гибель, нарушать равновесие природных процессов в биосфере. Изучение превращений ксенобиотиков в организмах, путей их детоксикации и деградации (с помощью микроорганизмов и растений) важно для организации санитарно-гигиенических мероприятий, мер по охране природы. Среди ксенобиотиков особое место занимают пестициды. Это одни из наиболее опасных токсических веществ.
Пестициды (от лат. pestis – зараза и caedo – убиваю) – это химические средства, используемые для борьбы с вредителями и болезнями растений, сорняками, вредителями зерна и зернопродуктов, древесины, изделий из хлопка, шерсти, кожи, с эктопаразитами домашних животных, а также с переносчиками опасных заболеваний человека и животных. В группу пестицидов включают также дефолианты и десиканты, облегчающие
механизированную уборку урожая некоторых культур, регуляторы роста
растений (ауксины, гиббереллины, ретарданты), добавки к краскам против
обрастания морских судов. Пестициды относятся к различным классам органических и неорганических соединений. Большинство пестицидов представляет собой органические вещества, получаемые синтетическим путём. Среди них важное место принадлежит хлорорганическим и фосфорорганическим пестицидам, производным карбаминовой кислоты, пестицидам растительного происхождения, триазинам, производным мочевины. Из неорганических веществ важны соединения меди, серы и др.
Классификация пестицидов.
Пестициды делят на следующие основные классы (в зависимости от того,против каких вредных организмов используют):
o акарициды – вещества для борьбы с клещами;
o антифидинги – вещества, отпугивающие насекомых от растений, которыми они питаются;
o инсектициды – средства, уничтожающие вредных насекомых;
o гербициды – препараты для борьбы с нежелательной растительностью;
o зооциды – яды, уничтожающие вредных позвоночных (вещества для
борьбы с грызунами называются родентицидами, а только с крысами –раттицидами);
o бактерициды, вирусоциды, фунгициды – средства для борьбы с
возбудителями бактериальных, вирусных и грибных болезней растений;
o нематоциды – препараты, убивающие круглых червей – возбудителей
нематодных болезней растений;
o моллюскоциды – вещества, уничтожающие вредных моллюсков (яды для борьбы с голыми слизнями называются лимацидами).
Пестициды включают также протравители семян, репелленты – средства, отпугивающие вредных насекомых, клещей, млекопитающих и птиц, аттрактанты – вещества для привлечения членистоногих с тем, чтобы их затем уничтожить или выявить локализацию или начало лета вредителей, хемостерилизаторы – препараты, которые не убивают насекомых, грызунов, клещей, но вызывают у них бесплодие. Имеются пестициды комплексного действия. Например, протравители семян содержат одновременно фунгицид, бактерицид, инсектицид и т.д. Использование таких пестицидов позволяет сократить затраты труда на обработку. В некоторых случаях пестициды объединяют в группы в зависимости от фазы развития вредного организма, против которого они применяются. Например, овициды – яды, убивающие яйца насекомых, клещей, ларвициды – уничтожающие личинок и т.д.
По способу проникновения в организм вредителей различают кишечные пестициды, проникающие через ротовые органы и кишечник, контактные – при контакте ядов с поверхностью тела вредителей, то есть через кожные
покровы, фумигантные, попадающие в организм в парообразном или
газообразном состоянии через дыхательные пути, и системные, легко
проникающие в ткани растений или животных и поражающие вредителей,
питающихся соком растений или животных.
По токсичности для человека и теплокровных животных пестициды разделяют на 4 группы: сильнодействующие, высокотоксичные, среднетоксичные и малотоксичные. ЛД50 (наименьшая доза пестицида, вызывающая смертность 50% подопытных животных) для этих групп равна соответственно до 50, 50-200, 200-1000 и свыше 1000 мг/кг. Такое деление носит условный характер, так как токсичность пестицидов для человека и
животных зависит не только от абсолютного значения смертельных доз препаратов, но и от других их свойств: возможности отдалённых последствий пестицидов при систематическом воздействии на организм; способности его накапливаться в организме и окружающей среде; стойкости во внешней среде; бластомогенных свойств (способность вызывать опухоли), мутагенных (влияющих на наследственность), эмбриотоксичных (влияющих на развитие плода), тератогенных (вызывающих уродства), аллергенных (обусловливающих извращённую повышенную чувствительность организма к пестицидам) и т.п.
Механизм действия различных классов пестицидов весьма различен и изучен ещё недостаточно. Например, органические соединения фосфора и
эфиры алкилкарбаминовых кислот ингибируют фермент холинэстеразу
членистоногих, производные тиомочевины блокируют окислительно-
восстановительные процессы в организме насекомых.
Токсичность различных газов для растений.
Поскольку до сих пор не существует единого мнения о допустимых нормах загрязнения воздуха для растений, будут представлены санитарные нормы для животных и человека. [1]Токсичные свойства кислых газов, выявленные различными авторами, позволяют расположить их по мере убывания токсичности в следующий ряд: F2, CI2, SO2, NO, CO, CO2, который отражает в известной мере и существующие допустимые нормы загрязнения воздуха. Сравниваемые газы мало различаются по величине молекул, скорости движения, длине побега и числу столкновений в единицу времени, за исключением СО2. Однако по мере увеличения молекулярного веса и плотности газа увеличивается его токсичность.
Известно, что химическая активность соединений зависит от степени диссоциации в воде и энергии, необходимой для разрыва связей в молекуле. С увеличением энергии диссоциации молекул уменьшается токсичность газа. Так, фтор, обладающий наименьшей энергией, необходимой для разрыва связей атомов, для растений наиболее токсичен. Токсичность газов зависит так же от степени растворимости в воде, ибо они проникают в клетку лишь через водную фазу. У кислых газов (за исключением хлора) наблюдается прямая связь между токсичностью и растворимостью в воде. Высокая токсичность фтора объясняется не только малой энергией связи атомов, но и высокой растворимостью. Фтор активно реагирует с водой, образуя высокоактивную плавиковую кислоту и кислород в активированной форме.
Таким образом, чем выше плотность газа и растворимость его в воде и меньше энергия, необходимая для разрыва связей между атомами, тем выше токсичность его для живых организмов. Отсутствие данных о допустимых нормах загрязнения воздуха для растений связано с отсутствием чувствительных фитофизиологических методов их определения и с мнением, что растения по сравнению с человеком менее чувствительны к действию вредных веществ. Однако ряд токсичности газов и паров для растений, определённый В.Крокером в 1950 году, оказался почти полностью противоположным ряду токсичности для животных:
Растения: CI2>SO2>NH3>HCN>H2S
Животные:HCN>H2S>CI2>SO2>NH3
Для растений более токсичны кислые газы и пары, нарушающие атмосферный характер метаболизма, а для животных –соединения, действующие на дыхательную, сердечную и нервную системы. Последнее и дало основание некоторым исследователям считать допустимые нормы загрязнения воздуха сернистым газом для растений более низким, чем для человека.
Действие газов на растение.
Вредное прямое воздействие газов на растения проявляется непосредственно на листовом аппарате.[1,2,3] Косвенное влияние газов на микрофлору, почвенный поглощающий комплекс, корни растений осуществляется через почву. Прямое действие ведет к ухудшению роста, ускорению старения, отмиранию отдельных органов, снижению урожая и его качества.
Кислые газы и кислотные дожди нарушают водный режим растений, в результате снижается оводненность тканей, падает содержание связанной воды, изменяется транспирация; приводят к закислению цитоплазмы, изменению работы транспортных систем; повреждают мембраны хлоропластов, плазмалеммы и других клеточных структур. Вследствие повреждения мембран хлоропластов снижается интенсивность фотосинтеза, разрушаются хлорофилл А и каротиноиды, в меньшей степени хлорофилл В и ксантофиллы. Особенно ядовитым для фотосинтеза считается сернистый газ, который лучше растворяется в воде, чем углекислота. Этот газ относят к фотосинтетическим ядам.
На пигментную систему неблагоприятно действуют хлор, сернистый газ; аммиак уменьшает содержание каротина и ксантофилла, но мало влияет на хлорофиллы. Наиболее чувствительны к загрязнению воздуха ферменты фотосинтеза.
Интенсивность дыхания вначале повышается, а затем, по мере усиления повреждения и отсутствия поставки субстратов вследствие нарушения фотосинтеза, снижается. Инактивируется транспорт электронов и всех окислительно-восстановительных ферментов. Нарушается фосфорный обмен: содержание общего фосфора падает, а кислотонерастворимого повышается. Неблагоприятные сдвиги происходят во всем минеральном обмене. Поглощение анионов из воздуха сопровождается поступлением из почвы катионов калия, кальция, цинка, свинца, меди.
Усиливаются свободно радикальные процессы, что особенно характерно для высокоактивного озона. В результате фотолиза озона образуются активные супероксид-анион-радикалы, которые вызывают фото-ингибирование и могут повреждать белки и нуклеиновые кислоты, вызывать мутации, разрушать липиды в процессе ПОЛ. В результате действия озона на листья ухудшается регуляция устьиц, повреждаются мембраны тилакоидов хлоропластов, деградирует РБФ-карбоксилаза, ингибируется фотосинтез в целом. Свободные серосодержащие радикалы продуцирует также сернистый газ при участии супероксиданионов.
Повреждения различают в зависимости от концентрации газов, и по степени усиления отмечают: скрытые, хронические, острые, катастрофические (депигментация, некротизация, дефолиация). Следует учитывать также, что при действии нескольких газов создается синергический эффект, то есть они оказывают повреждения и при более низких концентрациях. Степень отравления газами зависит от различных метеофакторов: температуры, влажности воздуха и почвы, освещенности и т.д.
Косвенное влияние загрязнения приводит к уменьшению плодородия почвы, вызывая гибель полезной микрофлоры, отравление корневой системы, нарушение минерального питания. При понижении рН в результате кислотных дождей увеличивается подвижность токсических металлов. До токсичных концентраций накапливаются, например, кальций, цинк, свинец, медь.
Очень сильно страдают от загрязнения хвойные породы: появляется суховершинность, уменьшается длина и увеличивается число хвоинок на побеге, происходит быстрая потеря хвои. У лиственных пород кислые газы вызывают уменьшение размеров и количества листьев, индуцируют появление черт ксерофорности.
Нарушение роста и развития растений под влиянием вредных газов может снижать устойчивость и к другим неблагоприятным факторам среды: засухе, засолению, понижению температуры. Например, растения, выращенные в атмосфере загрязненного воздуха, легче поражаются ржавчиной, серой гнилью, у них снижается интенсивность образования клубеньков.
Список литературы:
1. Николаевский В.С. Биологические основы газоустойчивости растений.
– Новосибирск: Наука, 1979. – 280 с.
2. Чиркова Т.В. Физиологические основы устойчивости растений. –
СПб.: Изд-во СПбУ, 2002. – 244 с.
3. Полевой В.В. Физиология растений / В.В. Полевой. – М.: Высшая школа, 2009. - 464 с.
4. Физиология растений: Учебник для студентов вузов. / Н.Д. Алехина, Ю.В. Балнокин, В.Ф. Гавриленко и др.; Под ред. И.П. Ермакова. – М.: Издательский центр «Академия», 2007. - 640 с.
5. Якушкина Н.И. Физиология растений / Н.И. Якушкина, Е.Ю. Бахтенко. – М.: Гуманитар. изд. центр ВЛАДОС, 2008. - 463 с.
