Методология исследования процесса биоаккумуляции металлов растениями

Романова Т.Е.

Новосибирский национальный исследовательский государственный университет,

Новосибирск, Россия.

Студент V курса.

Научный руководитель: Шуваева О.В.

Тяжелые металлы относятся к числу наиболее распространенных и опасных для биоты загрязнителей окружающей среды. В этой связи важной задачей экологии является разработка эффективных способов очистки водоемов от тяжелых металлов. Для решения этой задачи все чаще пользуются фиторемедиацией [1] – способом очистки водоемов с применением растений-гипераккумулянтов, которые способны накапливать большие дозы поллютантов и концентрировать их в тканях.

При использовании фиторемедиации на практике, встает вопрос о необходимости изучения процесса накопления тяжелых металлов растениями. Существует широкий спектр методов аналитической химии, позволяющих получать информацию о накоплении и трансформации поллютантов в растениях. Однако в работах, посвященных исследованию данных процессов [2,3], как правило, рассматриваются отдельные этапы взаимодействия тяжелых металлов с тканями растительных организмов. Целью настоящей работы была разработка методологии исследования трансформации и транспорта микроэлементов в плавающих растениях-гипераккумулянтах на примере кадмия.

Объектами исследования являлись плавающие макрофиты Eichhornia crassipes (водяной гиацинт) и Pistia stratiotes. Всего за одну-две недели эти растения способны давать 100%-ный прирост биомассы, формируя при этом развитую корневую систему, с помощью которой осуществляется поглощение загрязняющих веществ из воды.

В качестве модельного элемента был выбран кадмий, т.к. в условиях проведения натурного эксперимента его содержание в незагрязненных водах Новосибирского водохранилища достаточно мало (<0,1 мкг/л), что позволяет исключить появление систематической погрешности при проведении исследований.

Для изучения механизма накопления металла растением необходимо последовательное рассмотрение отдельные стадий процесса аккумуляции, а именно: динамику накопления, распределение в тканях и органах, а также определить тип соединений, в виде которых металлы транспортируются и депонируются в организме растений.

Изучение динамики накопления поллютанта целесообразно проводить в лабораторных условиях, где возможен контроль таких условий как освещенность, температура и рН воды. В настоящей работе для определения концентрации поллютанта в воде применяли инверсионную вольтамперметрию (ИВА) и атомно-эмиссионную спектрометрию с индуктивно связанной плазмой (ИСП-АЭС). При этом правильность количественных данных оценивали путем сопоставления результатов, полученных независимыми методами анализа, а именно ИВА и ИСП-АЭС, которые продемонстрировали вполне удовлетворительную сходимость.

Определение содержания кадмия в различных органах растений (корнях, стеблях и листьях) проводили с применением метода ИСП-АЭС после микроволнового разложения растительных образцов.

Для изучения распределения поллютанта в тканях растений, как правило, используют гистохимические методы, основанные на качественных химических реакциях, в результате которых образуются окрашенные соединения исследуемых компонентов с различными реагентами. Для выявления областей локализации кадмия в растениях в качестве такого реагента применяли дитизон, селективность взаимодействия которого с ионами металлов зависит от условий проведения реакции (pH, среда и т.п.). Методика характеризуется экспрессностью и информативностью, дает возможность в сочетании с количественными аналитическими данными оценить диапазон накопления и характер распределения тяжелых металлов внутри структурных элементов растения. Следует отметить, что на текущий момент в литературе отсутствуют данные об использовании дитизоновой методики для изучения распределения металлов в органах растений-гидробионтов.

При выявлении функциональных групп на поверхности растений, а также изучении процесса комплексообразования кадмия с биологически активными веществами растений - флавоноидами, участвующими в связывании кадмия в растениях применяли методы молекулярного анализа ИК- и UV-VIS-спектроскопию.

В результате проведенных исследований показано, что аккумуляция кадмия водяным гиацинтом в условиях натурного эксперимента происходит интенсивнее по сравнению с пистией слоистой, причем начальный этап накопления обусловлен биосорбцией за счет кислородсодержащих групп. Выявлено, что по мере накопления Cd происходит его перераспределение между частями растения, однако основная часть концентрируется в ризодерме и коре корня растения. Установлено, что в изучаемых растениях содержатся вещества, способные образовывать комплексные соединения с Cd, причем их качественный и количественный состав видоспецифичен, хотя, по всей видимости, они вносят значительный вклад в связывание Cd лишь на начальном этапе.

Литература:

[1] Chhotu D. Jadia, Fulekar M. H. African Journal of Biotechnology 8(6), 921-928 (2009)

[2] Hadad, H. R., Maine, M. A., Mufarrege, M. M., Del Sastre, M. V., Di Luca, G. A. Journal of Hazardous Materials 190, 1016-1022 (2011)

[3] Zhang, J., Brodbelt, J. J. Am. Soc. Mass. Spectrom 16, 139-151 (2005)