Heavy metals and metalloids accumulation in organs of some representatives of the genus Paeonia L. under technogenic pollution conditions

Full Text

Введение

Влияние тяжелых металлов весьма разнообразно и зависит от содержания в окружающей среде. Это обусловлено, во-первых, их химическими особенностями, во-вторых, отношением к ним организмов, в-третьих, условиями окружающей среды [1, с. 214].

Химические элементы в растениях выполняют определенные функции в физиологических процессах. Для ультрамикроэлементов (Cu, Cd, Pb, As), относящихся к группе тяжелых металлов, оптимальный интервал концентрации очень низок [2, с. 293]. Часто высшие растения без каких-либо морфологических изменений могут содержать опасные для человека и животных концентрации химических элементов [3, c. 52].

Металлы распределяются по органам растений неравномерно. Согласно литературным источникам, в наибольшей степени металлы накапливаются в листьях [4, с. 53]. Это обусловлено многими причинами, одна из которых – локальное накопление элементов в результате перехода их в малоподвижную форму.

Цель данной работы – определение содержания тяжелых металлов и металлоидов (мышьяка, свинца, кадмия, хрома, меди, железа, марганца, никеля) в вегетативных и генеративных органах некоторых представителей рода Paeonia L., интродуцированных на территории Южно-Уральского ботанического сада-института УФИЦ РАН.

Методы исследования

В качестве объектов исследования были использованы некоторые таксоны рода Paeonia L., произрастающие на коллекционных участках Южно-Уральского ботанического сада-института УФИЦ РАН (далее – ЮУБСИ УФИЦ РАН): P. peregrina Mill., P. lactiflora Pall., P. lactiflora Pall. f. rosea, P. delavayi Franch., P. hybrida ‘Аппассионата’, ‘Жанна д’Арк’, ‘Мустай Карим’.

Для изучения содержания тяжелых металлов в растениях применяли атомно-абсорбционный метод анализа [5, с. 4] на спектрофотометре «Shimadzu AA-6300» на базе аналитической лаборатории научно-исследовательского института сельского хозяйства.

Подготовку анализируемого растительного материала проводили в трехкратной повторности для каждой партии исследуемого сырья. Для фитохимического исследования были взяты цветки, стебли, листья и корни семи таксонов пиона, выращенных на базе ЮУБСИ УФИЦ РАН.

Для проведения анализа с 10 растений каждого таксона брали пробы растительного материала согласно общепринятым методикам [6, с. 34]. Для количественного анализа цветки, стебли, листья и корни высушивали до воздушно-сухого состояния, затем измельчали до размера частиц, проходящих сквозь сито с диаметром отверстий 1 мм [7, с. 219; 8, c. 203]. Масса лабораторной пробы, необходимой для выполнения измерений, составляет 50 г.

Изучение элементного состава образцов проводили по методике количественного химического анализа. Определяли содержание As, Pb, Cd, Cr, Cu, Fe, Mn и Ni в лабораторных пробах атомно-абсорбционным методом с электротермической атомизацией № М-02-1009-08 [5, с. 7; 9, с. 81; 10, с. 143].

Для оценки уровня содержания тяжелых металлов были использованы предельно допустимые концентрации (ПДК) в соответствии с методикой по определению содержания тяжелых металлов и мышьяка в лекарственном растительном сырье и лекарственных растительных препаратов [11, с. 31].

Математическую обработку данных осуществляли с помощью общепринятых методов вариационной статистики [12, с. 47] с использованием пакета программ AgCStat в виде надстройки Excel и пакета программ статистического и биометрико-генетического анализа AGROS 2.09 [13; 14, с. 36; 15; 16, с. 97; 17, с. 103].

Результаты и обсуждение

Мышьяк входит в состав растений, но его биохимическая роль практически не изучена. Наиболее высокие количества As фиксируются в листьях и корнеплодах [2, с. 292]. Концентрация мышьяка в растениях, произрастающих на незагрязненных почвах, изменяется в пределах 0,01–1,5 мг/кг сухой массы. Концентрация As в исследуемых растениях варьирует в широких пределах от 0,022 (‘Мустай Карим’) до 0,92 мг/кг (P. lactiflora), что не превышает предельно допустимую концентрацию по тяжелым металлам. Максимальное накопление данного элемента обнаружено в листьях, минимальное – в корнях у большинства образцов (рис. 1).

 

Рисунок 1 – Содержание мышьяка в органах некоторых представителей рода Paeonia L.

 

Содержание свинца в разных частях растений, произрастающих в незагрязненных областях, по данным разных авторов, составляет 0,05–3 мг/кг сухой массы [2, с. 293]. Известно, что свинец в природных популяциях присутствует во всех растениях, при этом его роль в метаболизме не установлена [18, с. 78]. В исследуемых растениях содержание Pb варьирует от 0,505 (‘Аппассионата’) до 7,758 мг/кг (P. delavayi), что не превышает верхний предел ПДК [18, с. 79], т.е. 10 мг/кг. Наибольшее содержание данного элемента отмечено в листьях у большинства образцов (рис. 2).

 

Рисунок 2 – Содержание свинца в органах некоторых представителей рода Paeonia L.

 

Кадмий хорошо известен, как токсичный элемент, но он же относится к группе «новых» микроэлементов [19, с. 58]. Согласно литературным данным, наибольшие концентрации кадмия в загрязненных растениях всегда обнаруживаются в корнях и листьях [18, с. 65]. Нормальное содержание Cd в растениях составляет 0,05–0,2 мг/кг воздушно-сухой массы. В исследованном сырье содержание кадмия находится в пределах допустимого (согласно ПДК) и колеблется от 0,01 (P. delavayi) до 0,118 мг/кг (P. lactiflora f. rosea). Максимальное накопление элемента выявлено в стеблях и цветках, минимальное – в корнях и листьях (рис. 3).

 

Рисунок 3 – Содержание кадмия в органах некоторых представителей рода Paeonia L.

 

Содержание хрома в высших растениях варьирует в пределах 0,02–0,20 мг/кг сухой массы [20, с. 112]. Некоторые растения, главным образом из районов развития серпентинитов или хромитовых месторождений, могут накапливать хром до 0,3% сухой массы [2, с. 294; 21, c. 68]. Содержание Cr в исследованных растениях варьировало от 0,099 (P. peregrina) до 0,332 мг/кг (P. delavayi). Наибольшие показатели элемента выявлены в разных частях растений (цветки, листья, стебли). Наименьшие значения отмечены в корнях у большинства образцов (рис. 4).

 

Рисунок 4 – Содержание хрома в органах некоторых представителей рода Paeonia L.

 

Железо участвует в синтезе хлорофилла, что определяет зеленую окраску листьев. Недостаток Fe тормозит фотосинтез, дыхание и вызывает глубокий хлороз развивающихся листьев [22, с. 1457]. По требованиям ПДК у травянистых растений содержание железа варьирует от 50,0 до 240,0 мг/кг сухого вещества [23, с. 48]. Концентрация железа в исследуемых образцах не превышает ПДК и колеблется от 0,328 до 0,773 мг/кг (P. peregrina). Максимальное и минимальное содержание Fe характерно для разных частей растений (рис. 5).

 

Рисунок 5 – Содержание железа в органах некоторых представителей рода Paeonia L.

 

Медь активно участвует в процессах фотосинтеза, дыхания, восстановления и фиксации азота у растений [24, с. 82]. Среднее содержание Cu в надземной части трав, по данным [23, с. 39], находится на уровне 8,6 мг/кг. Согласно ПДК, содержание меди в растениях изменяется в пределах от 30–40 мг/кг воздушно-сухой массы до 150 мг/кг [25, с. 11]. Концентрация меди в исследуемых растениях варьирует в широких пределах от 8,795 (P. lactiflora) до 16,13 мг/кг (‘Мустай Карим’). Максимальное накопление данного элемента отмечено в цветках, стеблях и корнях (рис. 6).

 

Рисунок 6 – Содержание меди в органах некоторых представителей рода Paeonia L.

 

Марганец широко распространен в природе. Он участвует в биосинтезе хлорофилла и повышает интенсивность фотосинтеза. Также играет важную роль в регулировании генетической функции растений [22, с. 1458]. Известно, что в зависимости от видовой принадлежности и места обитания растения в надземной части накапливают Mn от единиц до сотен мг/кг сухой массы. В исследуемых растениях концентрация марганца очень незначительна: от 0,945 (P. lactiflora) до 1,249 мг/кг (‘Аппассионата’). Наибольшее накопление элемента отмечено в стеблях и корнях, наименьшее – в цветках (рис. 7).

 

Рисунок 7 – Содержание марганца в органах некоторых представителей рода Paeonia L.

 

Биологическая роль никеля заключается в участии структурной организации и функционировании основных клеточных компонентов – ДНК, РНК и белка. Наряду с этим он присутствует и в гормональной регуляции организма [1, с. 215]. Содержание никеля не превышает ПДК, установленную в пределах 80 мг/кг, оно варьирует от 0,481 (‘Аппассионата’) до 1,385 мг/кг (‘Жанна д’Арк’). Наибольшая концентрация элемента обнаружена в стеблях, наименьшая – в цветках у большинства образцов (рис. 8).

 

Рисунок 8 – Содержание никеля в органах некоторых представителей рода Paeonia L.

 

Результаты двухфакторного дисперсионного анализа показали значимые различия по содержанию тяжелых металлов по таксонам и частям растения. Выявлено, что основное влияние на содержание кадмия, хрома, марганца оказывают таксоны с долей влияния 56,45–70,83%; на долю второго фактора (часть растения) приходится 2,37–14,87%; вклад взаимодействия таксон – часть растения составил 17,11–29,23%. На содержание мышьяка, свинца, меди, никеля и железа основной вклад внесло взаимодействие таксон – часть растения (41,16–68,87%); на долю первого фактора приходится 14,43–44,19%, на долю второго – 9,19–33,22%.

В результате проведенного корреляционного анализа выявлены соотношения содержания изучаемых элементов друг с другом в разных частях растения. Показано, что количество свинца и кадмия в стеблях, кадмия в цветках находится в прямой зависимости от содержания мышьяка с корреляцией в диапазоне 0,62–0,74. Также выявлена обратная зависимость содержания хрома в листьях, свинца и марганца в цветках, марганца в корнях, хрома в стеблях от количества мышьяка с корреляцией в диапазоне – 0,49–0,83.

Заключение

Анализ содержания восьми элементов в разных образцах сырья некоторых представителей рода Paeonia позволил выявить, что минимальные концентрации мышьяка, кадмия, хрома, марганца и железа наблюдаются в корнях; свинца и никеля – в цветках; меди – в листьях изучаемых пионов. Максимальное содержание мышьяка, свинца, хрома обнаружено в листьях; кадмия, никеля, марганца – в стеблях; железа – в цветках. Показано, что все изучаемые растения имеют достаточно высокое содержание меди (в 4,15–2520,00 раз выше по сравнению с другими элементами) во всех видах сырья. Максимальное содержание отмечено в корнях, минимальное в листьях растений. Отмечена видо- и сортоспецифичность в содержании элементов в надземных и подземных частях растений.

Результаты корреляционного анализа показали, что абсолютные значения концентраций изучаемых элементов у рассматриваемых таксонов пионов коррелируют между собой в средней и сильной степени. Так, положительная сильная связь выявлена между количеством хрома и меди (0,78), никеля и железа (0,84) в цветках; мышьяком и свинцом (0,74), свинцом и кадмием (0,77) в стеблях; хромом и железом в корнях (0,80). Отрицательная сильная связь отмечена между железом и медью (−0,78) в листьях; мышьяком и хромом (−0,83) в стеблях.

Показано, что концентрация тяжелых металлов в органах некоторых представителей рода Paeonia L., интродуцированных в Южно-Уральский ботанический сад-институт УФИЦ РАН находится в переделах фоновых значений и укладывается в диапазон нормального функционирования растений.

Рaботa выполненa по Программе фундаментальных исследований Президиума РАН «Биоразнообразие природных систем и биологические ресурсы России» и в рамках государственного задания ЮУБСИ УФИЦ РАН по теме АААА-А18-118011990151-7.

About the authors

Antonina Anatolyevna Reut

South-Ural Botanical Garden-Institute of the Ufa Federal Research Centre of Russian Academy of Sciences

Email: cvetok.79@mail.ru

candidate of biological sciences, leading researcher of Introduction and Selection of Floral Plants Laboratory

Russian Federation, Ufa

Svetlana Galimullovna Denisova

South-Ural Botanical Garden-Institute of the Ufa Federal Research Centre of Russian Academy of Sciences

Author for correspondence.
Email: svetik-7808@mail.ru

candidate of biological sciences, senior researcher of Introduction and Selection of Floral Plants Laboratory

Russian Federation, Ufa

References

Supplementary files