Ауыр метал иондарының кейбір өсімдіктердің жекеленген мүшелерінде таралу ерекшеліктері

Техногенді ластанған аудандардағы өсімдіктер мен өсімдік өнімдерінде кадмийдің мөлшері кең деңгейде ауытқиды. Бұған Ресейдің Москва облысындағы “Михайловка” тәжірибе алаңында жүргізілген зерттеулер дәлел бола алады. Бұл талдауларда өсімдік дәніндегі кадмий мөлшері қалыпты жағдайдан көп ауытқуы көрсетілген. Жоғары сапалы қара топырақта өсірілген өсімдіктерді өзара салыстырғанда арпа өсімдігі дәнінде Cd-дің мөлшері жоғары, ал бидай  дәнінде қалыпты жағдайда болған. Ал, кейбір жағдайда картоп түйнегінде Cd-дің мөлшері 0,27-0,60 мг/кг-арасында ауытқыса, енді бірде оның мөлшері қалыптағыдан едәуір жоғарылап кеткен . Осыған сәйкес кейбір зерттеушілердің көзқарасы бойынша ауыр металдардың, соның ішінде кадмийдің  өсімдік дәнінде қалыптан тыс жоғарылайтынын атап кетеді.

С. Анталова (1990) мен басқалардың тәжірибесінде Cd -ауылшаруашылық өсімдіктер өнімін 10-15 пайызға төмендететіндігі  көрсетілген .

Зерттеушілердің мәліметтері бойынша кадмийдің топырақ-өсімдік арасындағы таралуы көптеген факторларға байланысты. Ол өсімдік түріне, сортына, топырақтың физикалық, химиялық қасиетеріне, климат жағдайына, және қолданылған тыңайтқыш түріне  байланысты өзгеріп отырады .

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 .

        2. ЗЕРТТЕУ НЫСАНДАРЫ МЕН ӘДІСТЕМЕЛЕРІ

        2.1 Зерттеу нысандары

Ауыр металдардың табиғи астық тұқымдас өсімдіктердің дәнінің өнуіне, өсіп-дамуына және биомасса жинақтауына  әсерін салыстырмалы зерттеу үшін Алматы (2000-2002 жж) және Алтай (2003-2004 жж) ботаника бағынан келесі өсімдік дәндері жиналды.    

Agropyron repens L-Жатаған бидайық. Биіктігі 50-100 см. Тамырсабағы жатаған ұзын өскінмен. Сабағы жасыл, тегіс, түксіз. Жапырақ қынабы тегіс түксіз, кей жағдайда төмен шашақталған. Тілшесі қысқа, жапырағы тегіс немесе бұралыңқы, ені 5-10 мм. Төменгі жағы тегіс жоғарғы жағы бұдырлы. Масағы тік, ұзындығы 7-15 см. Масақтары тік кейде қисық орналасқан, ені 10-20 мм. Жасыл немесе күлгін түсті 5-7 гүлдері бар. Масақ қабыршағы сүйірленген ұзындығы 5-12 мм. Маусым, тамыз айларында гүлдейді. Құрғақшылыққа, суыққа және тұздануға төзімді. Қалыпты жағдайда 25-30 ц/г және одан жоғары өнім береді. 1000 дәннің салмағы 2,5±0,9 г. Жаңа жиналған дәннің лабораториядағы өнгіштігі 80 % және 5-7 жылға дейін сақталады. Қазақстанның барлық аймағында кездеседі. Құнарды мал азықтық көпжылдық шөптесін өсімдік.      

Phleum pratense L- Шалғын атқонақ. Биіктігі 60-100 см. Сабағы тік, түксізбуын аралығы қысқа кейде толық ұзын болып келеді. Жапырақ қынабы жылтыр, түксіз, Тілше ұзындығы 4 мм. Жапырағы тегіс, өткір бұдырланған, ені 8 мм.  Гүлі 6-12 см цилиндр тірізді. Масағы ұзынша бүйірінен сығылған. Гүл қабыршағы 2 есе масақ қабыршағынан қысқа өтпейтін тісшелері бар. Құрғақ алаңқайларда өседі. Аймақтарға байланысты мамыр, маусым айларында гүлдейді. Құнарлы, көпжылдық малазықтық шөптесін өсімдік.   

Zerna іnermіs- Қылтанақсыз арпабас. Биіктігі 40-100 см. Сабағы тік, жалқы немесе топтасқан, түксіз. Тамырсабағы жатаған өскінмен. Тілшесі 1-2мм тарамдалған. Жапырағы тегіс, аздап бұралыңқы. Түксіз, ұшынан төмен иілген, шеттері жіпшелермен бұдырланған. Ені 4-9 мм. Шашағы 10-15 см тік, жиі сабақшасы тік бағытталған 3-7 ден. Масағы түзу, ұзын өткір 1,5-3 см, гүлі 5-12-ден жасыл немесе сұрғылт-күлгін. Масақ қабыршағы ұзын, өткір, жалаңаш және жіпшелермен бедерлі. Төменгілері 6-7 жоғарғысы 9-11 мм. Маусым, тамыз айларында гүлдейді. Аязға, суыққа және құрғақшылыққа төзімді. Жоғары температураға төзімділігімен көптеген астық тұқымдастарының алдында тұрса, топырақтың тұздануына Жатаған бидайықтан (Agropyron repens L) кейінгі орында тұрады. Көптеген асық тұқымдастарына қарағанда кейін гүлдегенмен көп мөлшерде қор затын жинайды. Ылғалды жақсы жағдайда 50 ц/г-ға дейін өнім береді. Қазақстанның барлық аймағында кездеседі. Әсіресе жазық далаларда, тау бөктерлерінде. Жоғары өнімді. Мал азықтық шөптесін өсімдік.   

Agrostіs gigantea –Ақ суоты. Биіктігі 30-100 см. Тамырсабағы қысқа өскінді. Сабағы шоғырланып көптен орналасады кейде жалғыз тік болып келеді. Жапырағы тегіс, бұдырлы, ені 1-8 мм, Тілше ұзындығы 6 мм-ге дейін. Сыпырғыш ұзындығы 7-30 см үлпілдек, гүлдеген соң аздап сығылыңқы. Масақ сабақшалары жоғары бағытталған кейде көлденең жинақталып 4-15-тен  орналасады. Жіңішке, бұдырлы кейде шашақты болып келеді. Масақ қабыршағы сүйір-элипс тәрізді, күлгін, өткір 2-2,5 мм. Орташа жылдық өнімі 2-3 ц/г, құрғақшылық жылдары 0,2 ц/г –ға дейін төмендейді. Суыққа және басқа қолайсыз жағдайларға төзімділігі төмен. Қазақстанның барлық аймағында кездеседі. Әсіресе сулы, тоғанды өзен көлдердің маңында. Құнарлы мал азықтық шөптесін өсімдік [140, 141, 254].   

Тәжірибеге дейін өсімдік тұқымдары тазаланып лабораторияда сақталды. Ауыр металл ретінде кадмийдің, мыстың, мырыштың күкірт қышқылы (CdSO4,  CuSO4, ZnSO4) тұзы, және қорғасынның азот қышқылы (PbNO3)2 тұздары алынды. Тәжірибе  лабораториялық жағдайда таза жуылған, яғни 0,1 н HCl-мен бір күн өңделіп, тазартылған сумен бірнеше рет шайылған  құмда жүргізілді.  Барлық тәжірибе кальцийдің  күкіртті тұзының (CaSO4)  0,1 мМ ерітіндісінде жүргізілді. Кальцийдің тамыр жүйесінің морфофизиологиялық көрсеткіштері мен мембраналар қасиеттерін тұрақтандыратыны белгілі. Тәжірибе көлемі 200 мл пластмасса  ыдыста  3-5 қайталаумен,   ауыр металдарсыз бақылау, тәжірибе вариантына мыстың және кадмийдің 3,2 мг/кг, 6,4 мг/кг 12,8 мг/кг, 25,6 мг/кг концентрациялары және қорғасынның 200 мг/кг, 300 мг/кг, 400 мг/кг, мырыштың 100 мг/кг, 150 мг/кг, 200 мг/кг концентрацияларына  қойылды. Өсімдіктер дәні  жақсылап 15-20 минут 16% Н2О2 ерітіндісімен  жуылып, өңделді.  Әр ыдысқа 15 дәннен отырғызылды. Ыдыстар арнайы жабдықталған факторостатты бөлмеге қойылды. Онда 14 сағаттық жарық және күндізгі температура 24±2 0С,  ал түнгі температура 18±2 0С қалпында сақталды. Жарық (күші) мөлшері 5000 люкс. Ауа ылғалдылығы 65-70 %. Тәжірибе 15 күнге созылды. 15 күндік өсімдіктердің тамыр және сабақ ұзындықтары, дәннің өну көрсеткіші, жеке мүшелері мен бүкіл өсімдіктің биомассасы өлшенді.

Оңтүстік Қазақстан облысы Кентау аумағы төменгі тау бөктерлік шөлдің сұр топырағымен сипатталады. Ол  Бетпақ далада, Қаратаудың сырт бөктеріндегі жазық шөлейтті бөлігінде, Қызылқұм мен Мойынқұм жусанды өсімдіктер өсетін жерде дамыған. Шірінділі А + В қабаты 30...60 см; А1 қабаты (0...6 см) ашық-сұр тозаңды-қабыршақты-кесекті қыртыс; А2 (6-16 см) құба сұр, борпылдақ, қат-қабат тозаңды-қабыршақты; В – қара қоңыр, карбонаттардың дағы бар кесекті жаңғақты. Топырақтағы шірінді мен азоттың мөлшері өте аз, реакциясы сілтілі – рН – 8,3 ... 8,7. Қалыпты сұр топырақтың құнарлы тәлімі жерлері дәнді дақыл өсіруге пайдаланылады.

Өсімдіктер ретінде «Оңтүстік-полиметалл» ЖАҚ жақын жатқан қалдықтар орналасқан жерлерде өсетін жергілікті флораның өкілдері көкпек алабұта, арпаган арпабас, құм ебелек, жатаған бидайық, өсімсіз арпабас, биік шағырбидай, мортық арпабас, шоғыр тарғақшөп алынды. Өсімдіктердің топтық, түрлік құрамын анықтау сәйкес әдебиеттерді пайдалану арқылы жүргізілді [111,112].

2006-2009 жж. қойылған ауыр металдар  нұсқаларында тәжірибелік 4 түрлі  өсімдіктердің маусымдық өсу  ырғағы, биоөнімділігі және бөлек  органдарының ластану дәрежесі  зерттелді. Өлшемі 1х1 м тәжірибелік кіші сынама алаңдары «Қарнақ» шаруа қожалығының территориясында жүргізілді. ZnSО4∙7H2O, Pb(NO3)2, CuSO4∙5H2O, CdSO4 тұздары қолданылды.

2.2  Зерттеу әдістері

Өсімдік мүшелеріндегі ауыр металдарды анықтау әдісі. Кепкен өсімдік мүшелерін (тамыр, сабақ) ұнтақтап жоғары температураға төзімді пробиркаларға 20 мг-нан өлшеніп салынды. Әр пробиркаға 100 мл концентірленген күкірт қышқылына 8 мл  57 % хлор қышқылы қосылған қоспадан 1 мл-ден  құйылды. Пробиркалар қақпағын жауып түнге қалдырылды. Келесі күні ылғал күйдіру жұмысы ауа сорғыш шкафтың астында, электрлік плиткаға асбест төсеніші үстінде  жүргізілді. Толық түссізденуді біліп отыру үшін, бақылау варианты ретінде қышқылды жеке пробиркада 1 мл көлемде күйдірдік. Толық түссіздену процесі аяқталған соң, салқындатып көлемін 10 мл-ге дейін дистилденген сумен жеткізілді. Пробиркалар қақпағы жабылған күйде тоңазытқышта сақталды. Ондағы ауыр металл иондары атомдық-абсорбциялық спектрофотометрдің (AAS 1)  көмегімен анықталды.

Өсімдіктердің төзімділігін Уилкинс коэффиценті бойынша анықтау Wilkins D. S. (1978)  әдісі бойынша жүргізілді [257].

Фитосидерофорларды анықтау әдісі. Фитосидерофорларды бөліп алу Такаджи С. [220] әдісі бойынша жүргізілді. Өсімдік дәні жуылып тазартылды. 20 минут пергидрольдің 16 % ерітіндісінде өңделіп таза жуылған ыдыстарда 3-4 күнге өндіруге қойылды. Өнген өсімдік дәндері көлемі 3,5 литрлік  (бетіне тор төселген) пластмасса ыдыстарға ауыстырылды. Қоректік орта Хогланд ерітіндісінің 1/10 бөлігі бар және ауамен қамтамасыз етілген. Бұл ортада өсімдіктер 10 күн өсті, он бірінші күні Хогландтың 1/2 қоректік ортасына ауыстырылды және төмендегідей тәжірибе варианттары сақталды.

1. Бақылау   2. - Fe (Темірсіз) 3. - Fe + Cu (мыс) 4. + Fe + Cu 5. - Fe + Cd (кадмий)   6. +Fe + Cd 

Жоғарыдағы Хогланд 1/2 қоректік ортасында өсімдіктер 3 күн өсірілді. Үш күннен соң өсімдіктер Хогландтың толық ортасына ауыстырылды және варианттар жоғарыдағыдай сақталды. Толық қоректік ортада өскен өсімдік тамырынан келесі 3 күннен соң алғашқы экссудат жинап алынып, одан фитосидерофорларды анықтау жұмыстары басталды.

Экссудат алу. Экссудат алу жұмыстары әдетте таңертеңгісін жүргізілді. Алдынала дайындалған таза ыдыстарға 500 мл дистилденген су құйылып, олар әр варианттарға белгіленеді. Тәжірибедегі өсімдіктер осы ыдыстарға ауыстырылар алдында өсімдік тамырлары бірнеше қайтара таза сумен шайылды. Өсімдіктер бұл ортада 2 сағатқа қалдырылды. Екі сағаттан соң өсімдіктер бастапқы ортасына ауыстырылып алынған 500 мл суды тез арада қызыл фильтрден өткіздік. Жиналып алынған 500 мл экссудат көлемі 50 мл-ге дейін роторлы кептіргіште концентрлендірілді.

Әр варианттан таза пробиркаларға 10 мл экссудат алынып оған 0,5 мл 0,5 М натрий ацетат (Na Ac) және 2 мл 5 мМ FeCl қосылып 2 сағатқа 55 0С инкубациялануға кептіргіш шкафқа қойылды. Екі сағаттан соң алдын-ала дайындалған келесі пробиркаларға 0,2 мл 3 н H2SO4 бар ортаға сүзіліп құйылды және 0,5 мл 8 % гидроксиламин қосылды. Экссудат екінші рет 20 минутқа 550С инкубацияға қалдырылды. Жиырма минуттан соң 1 мл 2 М натрий ацетат (NaAc) және  250 мл 0,25 % фенантролин қосылып спектрофотометрде 508 нм толқын жиілігінде өлшенді.  

Фитосидерофорлар бөлініп алынған өсімдік тамырының ерігіш белоктар спектрлері электрофорез әдісі бойынша анықталды [251]. Белок концентрациясы M. M. Bradford (1976) әдісі бойынша жүргізілді [250].

Дәлділік. Тәжірибе 3-5 реттен қайталанды. Алынған нәтижелер статистикалық өңдеуден өткізілді [252].

Топырақтың механикалық құрамы, ылғалдылығы, қатты фазасының тығыздығы, жалпы кеуектілігі, рН және топырақтың басқа да физикалық–химиялық қасиеттерін анықтау белгілі әдістермен өткізілді [122].

Топырақ ферменттерінің белсенділігі ауалық құрғақ топырақта анық-талды. Гидролитикалық ферменттердің белсенділігі, топырақтың пероксидаза мен полифенолоксидаза белсенділіктері А.Ш.Галстян әдісі бойынша анықталды [123]. СО2-нің өндірілуі В.Ф.Штатнова әдісі бойынша анықталып, СО2-нің 100г топырақтағы мг түрінде өлшенді [124].

Дәндердің дамуының морфологиялық ерекшеліктерін сипаттау сандық және сапалық белгілері (өсімдіктердің биіктігі, генеративтік және вегетативтік өркендерінің саны, жапырақтарының ені мен ұзындығы т.с.с.) бойынша жүргізілді. Фенологиялық бақылаулар Г.С.Посыпановтың модификация әдісі бойынша жүргізілді. [125].