Ауыр метал иондарының кейбір өсімдіктердің жекеленген мүшелерінде таралу ерекшеліктері

Кадмийді қорғасынмен салыстырғанда топырақ-өсімдік жүйесінде қасиетінің өзгеше екендігі анықталған. Төрт жыл бойы жасанды жолмен ластанған ортада жүргізілген тәжірибе нәтижелерінің қорытындысы бойынша, бірінші жылы қорғасынның өсімдікке түсуі жоғары болған, бірақ төртінші жылы оның  өсімдіктердегі мөлшері қалыпты деңгей мөлшеріне (2-3 мг/кг құрғақ затқа шаққанда) дейін  төмендеген. Ал кадмийдің мөлшері төртінші жылы да  жоғары (5-8 мг/кг) деңгейде сақталған. Бұл алынған көрсеткіш кадмийдің топырақ-өсімдік жүйесіндегі жылжымалы-белсенді күйі ұзақ уақыт сақталатынын көрсетеді.

Cd-дің өсімдіктерге әсері. Бұршақ өсімдігімен жүргізілген тәжірибеде қоректік ортадағы кадмийдің мөлшері 10 мг/кг болғанда өсімдіктер бақылау вариантымен қатар биомасса жинап  гүлдеген, бірақ олардың жеміс түзу қабілеті күрт төмендеген.  Бұл тәжірибеде өсімдіктің бүрлену кезінде тамыр және жерүсті мүшелерінде кадмийдің мөлшері жоғарылаған, бұдан кейін төмендеп кеткен. Ал қоректік ортадағы кадмийдің концентрациясын жоғарылатқанда өсімдіктің өсуі мен дамуы  баяулап,  жеміс түзілмеген .

С. Атабаева мен әріптестерінің ізденіс жұмысында бидай өсімдігінде (8-күндік Омская-9 с.) Cu мен Cd-дің әсері салыстырмалы түрде зерттелген. Бұл тәжірибеде кадмийдің 10-20-40-80 мг/кг концентрациялары дәл осындай мыстың концентрацияларына қарағанда өте улы әсер ететіні анықталған. Мысалы, өсімдік сабағы бойынша мыстың 10 мг/кг концентрациясы бидай өсімдігінің өсуін 3 %-ға тежесе, кадмийдің дәл осы концентрациясы 10 %-ға төмендеткен. Ал, 40 мг/кг концентрацияда мыс 20 % -ға төмендетсе, кадмий 75 %-ға тежеген. Осы тәжірибеде өсімдіктің биомасса жинауы сабағы бойынша 10 мг/кг мыста 4 %-ға, 40 мг/кг мыста 15 %-ға дейін төмендесе, дәл осы концентрациядағы кадмий оны (биомасса жинақтау процесін) 13 және 33 %-ға дейін төмендеткен. Ал, тамырдың биомасса жинауы 10 мг/кг мыста 4 %-ға жоғарылап, 40 мг/кг мыста 37 %-ға төмендесе, кадмийдің осы концентрациясында 3 және 77 % -ға дейін төмендеген. Бұл кадмийдің басқа элементтермен салыстырғанда өте улы екендігінің тағы бір дәлелі.      

Арпа өсімдігінің жас өскіні кадмийді жақсы жинақтайды. Ал қарқынды өсу кезінде бұл металдың мөлшері төмендейді, бірақ өсімдіктің онтогенезі соңында бұл металдың мөлшері қайта жоғарылайды. Сонымен қатар кадмийдің көп бөлігі астық тұқымдас және мәдени жеміс өсімдіктердің онтогенезі соңында көп жинақталатынын айта кеткен жөн.

Cd-дің физиологиялық және биохимиялық  процестерге әсері. Кадмий өсімдіктердің  мембрана өткізгіштігіне кедергі  келтірумен қатар тыныс алу, фотосинтез және бірқатар ферменттердің белсенділігіне кері әсерін тигізеді. Кадмий жүгерінің тамыры меристемалық клеткасының митоздық бөліну кезінде ядроның бөлінуіне кедергі келтіреді. Бұл кедергі қайтымсыз және клетканың өлуіне әкеледі. Кадмийдің 6х10-6 М концентрациясы күнбағыс өсімдігінің нитратредуктаза және глутаминсинтетаза ферменттерінің белсенділігін жоғарылатқан, ал оның 1-ден 25 мМ концентрациясы 2 апталық жүгері өсімдігінің малатдегидрогеназа, глюкоза-6-фосфатдегидрогеназа және гваякол-пероксидаза ферменттерінің белсенділігін тежеген. Сонымен қатар кадмий күріш тамырының пероксидаза ферментінің белсенділігін жоғарылатып, ондағы пролиннің жинақталуына әкелген [68].

Бидайдың (8-күндік Омская-9 с.) АТФ-аза ферментінің белсенділігі кадмийдің 10 мг/кг, 20 мг/кг, 40 мг/кг концентрацияларында  бақылаумен салыстырғанда 19, 61, 63 %-ға дейін төмендеген. Кадмий іn vіtro жағдайында АТФ-аза ферментінің белсенділігін жоғарылатса, іn vіvo жағдайында Н+/К+ иондарының тасымалдануын тежеген.

Ю. П. Мельничук (1979) қызметтестерімен бірге ауыл шаруашылық өсімдіктері тұқымдарының алғашқы өсу кезінде кадмийдің төменгі концентрациясымен өңдегенде оң әсер беретіндігін көрсетеді. Ол қант қызылшасы тұқымы үшін 1 х10-4 М,  асбұршақ өсімдігі  үшін 5х10-5М, 2,5х10-5 М, күріш өсімдігі үшін 2,5х10-5М концентрациялары. Кадмийдің хлорлы тұзы ерітіндісінің 2,5х10-5М концентрациясы асбұршақ өсімдігінің тамыр меристемасы клеткасының  митоздық бөлінуінің G1-кезеңінде белок биосинтезі мен РНҚ синтезін жоғарылатқан. Бұл мәліметтер кадмийдің 2,5х10-5 концентрациясы асбұршақ өсімдігінің тамыр меристемасы клеткасының  митоздық бөлінуінің G0-G1 кезеңдерін тежемейді, керісінше оны тұрақтандыратын әсер беретіндігін жорамалдайды.

Мыс. Мыс-өсімдік тіршілігінде ауыстырылмайтын микроэлементтер қатарына жатса, оның қоршаған ортадағы жоғары концентрациясы улы ауыр металл болып саналады. Бұл элементтің таралуының негізгі көзі мыс-никель балқыту заводтары (50%), жанар-жағар май (22%), ағаш жағу (11%) және темір өңдеу орындары (11%) болып табылады. Сонымен қатар кейбір мәдени өсімдіктерді зиянкес, ауру қоздырғыштардан қорғауда (темекі, жүзім, күріш, мақта, томат) құрамында мыс секілді ауыр металдар кездесетін фунгицидтерді қолдануда, ауыр металдар топырақ бетіне көп шоғырланады.  Өсімдіктерді бүрку арқылы өңдеу олардың жер үсті мүшелеріне тікелей әсер етеді .

 А. В. Кузнецов (1997) мәліметтері  бойынша мұндай аймақтар Ресейде 1416 мың гектар жерді алып жатыр.

Өсімдіктердің белсенді өсіп-даму кезеңі мысқа өте сезімтал келеді. Мыстың улы әсеріне өсімдіктердің морфологиялық белгілері: жапырақ тақтасының кішіреюі, бұралуы, өсіп-дамуының баяулауы және  хлороз, некроз ауруларының пайда болуы [69].

Мыстың әсерінен өсімдік жапырағының паренхима клеткалары үлкейіп саны азаяды, олардың арасындағы қуыстары кеңейеді .

В. В. Демидчик (2001) қызметтестерімен жүргізген тәжірибелерінің нәтижелері  бойынша мыстың негізгі шоғырланатын орны хлоропластар, ядро, вакуольдер және клетка қабығы болып есептелді.

Мыстың улы концентрациясы жоғары және төменгі сатыдағы өсімдіктердің хлорофилл биосинтезін төмендетеді. Сондықтан оның әсеріне фотосинтез процесі өте сезімтал келеді, жұмысы бұзылады. Бірақ, мыстың әсерінен болатын фотосинтездің биохимиялық, фотохимиялық реакциялары әлі толық зерттелмеген. Тек, протохлорофиллидредуктазалар жұмысының тежелетіндігі туралы болжам жасалған. Мыстың жоғары концентрациясы әсерінен фосфоенолпируваткарбоксилаза және рибулоза-1,5-дифосфаткарбоксилаза ферменттері белсенділігі тежеледі.

Мыстың әсерінен хлоропластардың белоктық құрамы өзгеріске ұшырайды. Мысалы, 30-күндік күріш өскініне мыстың 4х10-6 моль/л ден жоғары концентрациясымен әсер еткенде тилакоид мембранасының полипептидтік құрамы өзгерген. Мыстың көбеюінен кейбір полипептидтердің пайда болуымен қатар, қайсыбір полипептидтер жоғалып кеткен.

Мыс фотосинтезге әсер ететін концентрациядан төмен мөлшерінің өзінде өсімдіктердің тыныс алуына кері әсерін тигізеді. А. В. Косицин (1983) жұмыстарында мыстың жоғары концентрациясы азоттың айналымын, белок биосинтезін және көмірсулар жұмысын бұзатындығы туралы мәліметтер келтірілген . Осы процестерге жауапты NO3-NO2-редуктазалар, малатдегидрогеназалар, глюкоза-6-фосфатдегидрогеназалар, изоцитратдегидрогеназалар белсенділігін мыстың 10-6 моль/л концентрациясында тежелген.

Мыстың өзіндік физиологиялық рөлі кіші диометрлігі, жоғары атомдық салмағы, валенттілігін жеңіл өзгертуге қабілеттілігі, тұрақты кешенді қосылыстар түзуге қабілеттілігімен анықталады [70].

Мыс металдар арасында ионды формасымен (Cu+2 – Cu+) химиялық қасиетіне байланысты ерекше орын алады. Сонымен қатар мыс басқа ауыр металдармен салыстырғанда оттегімен, азотпен және құрамында күкірт бар қосындылармен жақсы байланысқа түседі, сондай-ақ екі валентті металдардың кешенді байланыс түзу қабілетті мына ретке қарай төмендейді Cu+2 >Zn+2 >Nі+2 >Co+2 >Fe+2 >Mn+2 >Mg+2 >Ca+2.

 Мысқа төзімділігі немесе  сезімталдылығы бойынша өсімдіктерде  бір тұқымдасқа жататын түрлер  арасында да ерекшеліктер бар. Бұл элементке сезімтал жоңышқа, шпинат, қант қызылшасы т. б. өсімдіктер  болса, төзімділігімен райграсc, қарабидай, бидай ерекшеленеді.

Қорғасын. Қорғасынның биологиялық маңызы тірі ағзалар үшін әлі толық зерттелмеген.. Дегенмен, П. А. Авцын (1991) жұмыстарында кейбір жануарлар үшін оның маңызы туралы мәліметтерді кездестіруге болады. Мысалы, егеуқұйрық үшін 0,05-0,5 мг/кг қорғасынның физиологиялық маңызы бар деген тұжырым жасаған. Сонымен қатар кейбір деректерде қорғасынды тұздардың төменгі концентрациясы өсімдіктің өсіп-дамуына біршама жақсы әсері бар екендігін көрсетеді. Б. Д. Кальницкий  (1985) жұмыстарында қорғасынның 2-6 мкг/кг концентрациясын өсімдіктер үшін бұл элементке зәру болатындығын келтірген [71].  

Қоршаған ортадағы қорғасынның жоғары концентрациясы ауыр металдар арасында өсімдік тіршілігі үшін өте улы элементтер қатарына кіреді. Добровольскийдің (1985) мәліметтері бойынша  10 мг/кг қорғасынның концентрациясы өсімдікке улы әсер еткен.

Өсімдік түрлеріне байланысты қорғасынның топырақтағы 100-500 мг/кг концентрациясы улы әсер етеді. Қорғасынның улы әсері өсімдіктің өсуінің, биомассасының азаюынан, қою-жасыл бұралыңқы жапырақтардың пайда болуынан байқауға болады. Жоғары концентрацияда әсер еткен қорғасын өсімдіктердің тыныс алуын тежейді, фотосинтез қарқынын баяулатады, клетканың митозды бөлінуіне, судың сіңірілуіне кері әсерін тигізеді.

Негізінде қорғасынның басқа элементтермен салыстырғында топырақтағы жылжымалы формасы төмен. Осыған қарамастан (60-86 %) жылжымалы формасы өсімдіктерге органикалық заттармен кешенді қосылыс күйінде түседі [72].  

Мырыш және кадмиймен салыстырғанда қорғасын  өсімдіктердің жер үсті бөлігінде болуы өте төмен болғанмен, тамыр жүйесінде көп шоғырланады.

Ауыр металдардың өсімдік мүшелерінде шоғырлануы олардың өсімдік бойымен жылжуына байланысты. Зерттеушілердің мәліметтеріне қарағанда сары бөрібұршақ өсімдігінде қорғасын тамыр ұшында көп, базальді бөлігі мен гипокотильде аз мөлшерде жиналған. Орталық цилиндрмен салыстырғанда паренхимада қорғасын көп мөлшерде байқалған. Бұл дәлелдерге сүйене отырып зерттеушілер басқа металдармен салыстырғанда қорғасынның баяу, қозғалатындығын көрсетеді.

Қорғасынның жоғары концентрациясы өсімдіктерге басқа катиондар (Ca, Mg, Mn, Zn, Cu, Fe) мен аниондардың (NO3, SO4) сіңірілуін төмендетеді.

Қорғасын өсімдіктің тамырының клетка қабығындағы көлденең, ұзын тізбекті компоненттерімен қосылып олардың индолил-3-сірке қышқылын (ИСҚ) аз қабылдайтындай етеді. Сонымен қатар 20 мМ Pb(NO3)2 концентрациясы флюоресценцияны төмендетіп фотосинтез қарқынын бұзады . Бұл элементтің төменгі концентрациясы өсімдіктің нитратредуктаза ферментінің белсенділігін арттырса, ал жоғары концентрациясы керісінше әсер етеді. 

Қорғасынның 7,5 х10-3 және 9 х10-3 концентрацияларында пияз өсімдігінің тамырында екі ядролы клеткалар пайда болған және бұндай клеткалар барлық клеткалардың 2-3 %-ын құрап, 2 күнге дейін сақталған. Бұл, қорғасынның өсімдік клеткаларының бөлінуін тежейді деген қорытынды жасауға негіз береді.

Қорғасын негізінде өсімдіктердің тамыр клеткасында көп жинақталады және клетка цитоплазмасында, вакуолінде шоғырланады. Қорғасынның өсімдіктердің барлық физиологиялық және биохимиялық процестеріне әсері жайлы мағлұматтар И. В. Серегин., В. Б. Иванов (2001)  еңбектерінде кеңінен талқыланған.

Мырыш. Ауыр металдар арасында қоршаған ортаны ластаушы бірден-бір улы элемент-мырыш. Бірақ, басқа ауыр металдармен салыстырғанда бұл элементтің төменгі концентрациясы тірі ағзалардың тіршілігіне қажетті микроэлемент. Мырыш элементінің өсімдік тіршілігінде алар орны ерекше [74]. П. А. Авцын (1991) мәліметтеріне қарағанда ол 200-дей ферменттердің белсенділігін арттырады, олардың ішінде гидролазалар, трансферазалар, оксидоредуктазалар, лиазалар, лигазалар және изомеразалар бар. Сонымен қоса клетка органеллаларының қызметіне және құрылысын жасауға қатысады. Мырыштың негізгі көп бөлігі ядрода, митохондрияда, біршама бөлігі клетка сұйығынан табылған. Бұл элементтің көп бөлігі хлоропластан табылған, және жоғары сатылы өсімдіктердің рибосомалар тұрақтылығын қамтамасыз ететіні анықталған.

Мырыштың қоршаған ортадағы немесе топырақтағы қалыпты мөлшері - 90 мг/кг. Топырықтағы мырыштың жылжымалы формасы минералды заттар мен рН деңгейіне байланысты және органикалық заттармен мықты байланыста болады. Сондықтан ол топырақтың беткі қабатындағы қарашірікте көп жинақталады.  

Мырыштың қоршаған ортадағы жоғары концентрациясы барлық тірі ағзаларға улы әсер етеді. Өндіріс орындарының жақын маңы және құрамында мырыш элементі кездесетін тыңайтқыштардың қалыптан тыс пайдаланылуы өсімдіктердің мырышпен улануына әкеледі. Негізінен көптеген өсімдіктер мырышқа төзімді келеді. Мырыштың шамадан тыс көбеюі өсімдіктердің өсіп-дамуын тежеп, жас өскіндердің уланып, хлороз ауруына шалдығуына әкеледі. Мырыштың жоғары концентрациялары өсімдіктерде мыс пен темірдің тапшылығын тудырады.

Мырыштың жоғары концентрацияларына өсімдіктер әрқилы сезінеді. Мысалы, Н. Ю. Гармаш (1989) бидай мен бұршақ тұқымдас өсімдіктерімен жүргізген жұмыстарында бидайдың мырыш элементіне төзімділігімен ерекшеленгендігін көрсеткен. Қоректік ортаға 1-600 мг/кг мырыш қосылған құмда өсірілген тәжірибелерінде 1-100 мг/кг концентрацияда бидай өсімдігі бақылау вариантымен қатар өсіп-дамыған болса, 25 мг/кг жоғары концентрациялар бұршақ өсімдігінің өсуін тежеген. Ал, 200 мг/кг және одан жоғары концентрацияларда бидай өсімдігінің өсуі тежелген кезде, үш апталық бұршақ өсімдігінің тіршілігі тоқыраған. Бидай өсімдігі тек, 600 мг/кг болған жағдайда ғана тіршілігін жойған. Сонымен қатар өсімдіктердің үшінші жапырақтану кезеңінде мырыштың жоғары мөлшерін шоғырландырған болса, бидай өсімдігі бұршаққа қарағанда көп жинақтаған. Бұршақ өсімдігінің вегетациялық кезеңі соңында ғана мырыштың мөлшері артқан. Бұл көрсеткіштер мырыш элементінің әр өсімдік түріне әрқилы әсер ететіндігін білдіреді [75].

Өсімдіктердің клетка қабығының негізі-целлюлоза. Одан басқа оның құрамында пектинді заттар, гемицеллюлоза, белоктар, бейорганикалық катиондар және тағы басқа заттар бар. Бұл заттар бір-бірімен байланысқан және кристалды құрылысты целлюлозалы-микрофибрилдермен клетка қабығының алғашқы қуыстарын түзеді. Өсімдік клетка қабығының биохимиялық компоненттері өсімдіктің түріне байланысты әртүрлі қатынаста. Бірінші кезекте иондарды сіңіретін, катион алмастыратын пектинді және гемицеллюлозалар қатынасы. Қосжарнақты өсімдіктердің тамырының клетка қабығында пектинді заттардың көп болуы еківалентті катиондармен жоғары байланыста болуымен, ал даражарнақты өсімдіктерде пектинді заттардың аз болуы гемицеллюлозаның көп болуы бірвалентті катиондармен байланысының артық болуында .

Тамыр клеткасы қабығының негізгі ион алмастырушы теріс зарядталған функционалдық топтар (карбоксилдер, гидроксилдер, фосфаттар) полисахаридтер және гликопротеидтер, сонымен қатар аз мөлшерде оң зарядталған белоктардың аминтоптары болады .