Ауыр металдардың астық тұқымдас өсімдіктердің өніп-өсуіне әсері

Ауыр металдардың тамыр арқылы өсімдіктерге сіңірілуі олардың топырақтағы жеңіл жылжитын формаларымен анықталады [10]. Ауыр металдардың топырақтағы жылжымалы формасы жоғары емес орташа 5-10%-дай, негізінен ауыр металдардың ортадағы концентрациясына және топырақтың қасиеттеріне байланысты (рН, қарашіріктің мөлшері т. б.) өзгеріп отырады. Кабата-Пендиас, Пендиас Х. 1989)  ауыр металдардың өсімдік тамырымен сіңірілуінің бір-біріне тәуелсіз екі жолы активті (метаболиттік) және пассивті (метаболиттік емес) болатындығын болжап, атап көрсетті.

Химиялық элементтердің тамырмен сіңірілуінде ортадағы концентрациясына байланысты өзара бақталастық (антагонистік және синергистік) қызметінің әсері бар. Мысалы, қоректік ортада Mn, Zn, Cu, Co, Nі жоғары болуы Fe элементінің сіңірілуін төмендетсе, өз кезегінде Fe элементінің жоғары болуы жоғарыдағы элементтердің азаюына әкеледі. Мырыш элементі мыспен, никель және кадмий элементтері мырыш, мыс элементтерімен бір-біріне антагонистер болып есептеледі.

Иондар антагонизмі макроэлементтер (Ca, Mg, K, P) мен ауыр металдар арасында да болуы мүмкін. Ауыр металл қорғасын ерімейтін фосфаттарды түзеді де фосфордың жетіспеушілігін тудырады. Топырақ типі, оның механикалық құрамы, органикалық заттар мөлшері, pH көрсеткіші және басқа элементтердің қатысуы, әсіресе Ca және P өсімдіктегі ауыр металдардың улылығын өзгертуі мүмкін.

Барлық ауыр металдар органикалық қышқылдарда, пигменттерде, липидтерде Ca элементін төмендетсе, Mg нуклеин қышқылдарында, полисахаридтерде төмендеген. Ауыр металдар Mn-тің полярлы қосылыстарда жинақталуын тудырған. Cr, Bі, Cd және Ba әсерінен Zn элементі белокта, полисахаридтерде жоғарылаған. Тары өсімдігінде ауыр металдар әсерінен пигменттерде, липидте, белокта, пектатта Cu жинақталса, полисахаридтерде, органикалық және нуклеин қышқылдарында өзгермеген күйі қалған. Бұл алынған көрсеткіштерден өсімдіктердің жекеленген мүшелерінде және олардың фракцияларында ауыр металдар жоғарылап, өсімдікке қажетті микроэлементтердің ығысуына әсер ететінін көруге болады. Өсімдік тіршілігіндегі химиялық элементтердің ретінің бұзылуы олардың өсіп-дамуына теріс әсер беретіні белгілі.  

1.3 Ауыр металдардың өсімдіктерге сіңірілу және жинақталу процестеріне тамыр клетка қабығының атқаратын рөлі

Қоршаған ортадағы ауыр металдардың жоғары концентрациясы өсімдік тамырының клетка қабығына сіңіріліп қана қоймай әртүрлі қосылыстар түрінде оның бетіне шөгіп қалады. Мысалы, клетка қабығында қорғасын мен мырыш фосфатты комплекс түрінде байқалған [11], ал алюминий гидроксид түрінде кездескен.

Ауыр металдардың клетка қабығымен байланысы біртекті емес. Бұршақ, атбұршақ, жүгері және т. б. өсімдіктерде клетка қабығымен мырыш, темір, молибденнің жинақталған байланысы жоғары болса, бұл кезде марганецтің мөлшері төмен кездескен. Әртүрлі өсімдіктердің тамыр клетка қабығымен жоғары байланыста болатын кадмий, қорғасын, мырыш, сынап, алюминий болса, бұл кезде литий элементінің өте төмен екендігі байқалған [12].

D. T. Clarcson және І. B. Hanson (1980) зерттеулерінде арпа өсімдігінің жекеленген тамыр клетка қабығында екі валентті негізінен үш валентті иондар байланысы бір валентті иондарға қарағанда жоғары кездескен [43].

Клетка қабығының функционалдық топтарымен ауыр металдар арасындағы өзара байланысы константты тұрақтылық шамасымен түсіндірілуі мүмкін. Өсімдіктердің клетка қабығындағы полисахаридтермен олардың бетіндегі ауыр металдардың реакциялық байланысын зерттеу жұмыстарында константы тұрақтылық шамасы (Log K) мыс үшін 5,4, мырыш үшін 4,7 болатындығы көрсетілген. Осы зерттеулер нәтижесінің қорытындысы бойынша мыстың клетка қабығымен байланысы мырышқа қарағанда жоғары. Қорғасынның өсімдік клетка қабығымен байланысы кадмийге қарағанда жоғары, ол 6,4 және 4,9-ға сәйкестігі анықталған.

Сонымен қатар, кейбір зерттеушілердің алған нәтижелері бойынша металдардың клетка қабығымен берік байланысы олардың арасындағы өзара байланыс типтеріне де тәуелді. Металл мен клетка қабығындағы бос карбоксил және аминдік топтармен коваленттік байланыс түзуі мүмкін және металдар өсімдік клетка қабығының құрамына кіретін белоктар, сульфигидридтер және карбоксил топтарымен иондық байланысқа түседі. Металдар клетка қабығымен байланысып қоймай оның құрылысына, функциясының түзілуінде негізгі роль атқаратындығын айта кеткен жөн. Мысалы, темір, мыс, марганец элементтері клетка қабығында белок көпіршелері құрамына кіріп, фибрилдер мен целлюлозалардың бір-бірімен байланысын қамтамасыз етеді. Клетка қабығының серпінділік қасиетінің айтарлықтай төмендеуі, қатаюы және өткізгіштігінің азаюы клетка қабығындағы пектинді заттар мен пиктаттардың түзілуі алюминий және бірқатар ауыр металдармен  бір-бірімен байланысында болуы мүмкін.

Қазіргі кезде өсімдік тамырының клетка қабығына сіңірілген ауыр металдардың бос карбоксил топтармен байланыс барлығын дәлелдейтін көптеген фактілер жинақталуда. H. Krausz  және E. Broda (1965) зерттеулерінде хлорелланың клетка қабығындағы полисахаридтердегі карбоксил топтардың мырыш элементімен байланысын анықтаған. Ал, С. Д. Давыдовтың (1982) еңбектерінде  мырышты адсорбциялайтын пектинді заттардағы карбоксил топтар ғана емес, белоктардың да үлесі бар екендігі туралы мәліметтер келтірілген.

Көптеген ізденістер нәтижелері және олардың авторларының тұжырымдары бойынша клетка қабығының құрамына кіретін пектинді заттармен алюминийдің және тағы басқа  элементтердің бір-бірімен өзара байланысы әртүрлі химиялық байланыстар жүйесімен іске асатындығын көрсетеді.

1) Бос карбоксил топтар мен макромолекулалардың металл тұздары көпіршелері арқалы байланысы (иондар әрекеті);

2) Катиондармен ОН--топтары арасындағы байланыс (бұл процесс өздігінен іске аспайды, полисахаридтердегі карбоксил топтардың болуына байланысты);

3) Координациялық байланыстардың түзілуі (алюминий мен клетка қабығының пектинді макромолекулалардың ассоциациялық шартты байланысы).

Полисахаридтердің алюминиймен жоғары қабілетті байланысы туралы мәліметті W. І. Horst (1970) еңбектерінде кездестіруге болады [13].

Металдар клетка қабығының катион алмастырушы бөлігімен өте берік байланысқан, оларды азайту немесе бөліп шығару үшін ұзақ және жақсы гидролиз қажет [10]. J. Daіnty және A. B. Hope (1952) өсімдіктердің клетка қабығындағы функционалдық топтарды жүйелі түрде жою арқылы жүргізген тәжірибелерінде келесідей тоқтамға келді. Олардың ұйғарымынша тек бос карбоксил топтардың болмауы металдардың сіңірілуін төмендетеді. Осы байламның дұрыстығын жүгері және бұршақ өсімдіктері тамыры сіңірген мырышты зерттеу барысында екі өсімдікте де  негізгі ион адсорбциялаушы сайт карбоксил топтар ал, оларды жою 79-87 %-ға иондардың сіңірілуі төмендегенін көрсеткен.

Әртүрлі әдістердің көмегімен анықталғандай (жарық және электронды микроскоп, дифференциалды центрифугалау, потенциометрия т.б.) тек тамыр клеткасы ғана емес өсімдіктердің жер үсті мүшелері де металл иондарын сіңіріп жинақтай алады [11].

Көптеген зерттеушілердің тұжырымдары бойынша ауыр металдар өсімдік клетка қабығымен берік байланыста болады [8-9]. Дегенмен, кейбір зерттеушілердің көзқарасы бойынша клетка қабығының әлсіз байланысы салдарынан ауыр металдар клетка цитоплазмасында жинақталады деген мәліметтер де бар.

Клетка қабығы ауыр металдардың шоғырланатын негізгі көзі, ол цитоплазмаға түсетін ауыр металдардың улы әсерін біртіндеп төмендетеді, осыған байланысты ауыр металдар клетка деңгейіндегі метаболиттік сайттарға қосылмайды.

Көптеген авторлар төзімді өсімдіктердің тамырының клетка қабығы ауыр металдарды жинақтайтын жүйе ретінде және төзімділік механизімін анықтайтындығы туралы мәліметтер келтіреді.

Сонымен қатар Turner R. G. және Marshall C. (1972) әртүрлі популяциядағы суоты өсімдіктерінің төзімділік индексі мен клетка қабығындағы мырыштың шоғырлануы арасындағы корреляциялық коэффицентін шығарған. Олар ауыр металдарға төзімділік әртүрлі генотиптердің клетка қабығындағы иондардың жоғары мөлшерде шоғырлануымен анықталады деген тұжырымға келген.

Ауыр металдардың өсімдік тамырының клетка қабығында шоғырлануы және клеткада жинақталуы өсімдіктердің жер үсті мүшелерін улы иондар әсерінен қорғайтын төзімділік механизмі болып табылады. Ауыр металдардың тамырда жинақталуы жер үсті мүшелеріне қорғасынның, мыстың, кадмий мен мырыштың және т. б. ауыр металдардың аз тасымалдануы өсімдіктердің төзімділігі екендігін бірқатар зеттеушілер көрсетті. C. D. Foy қызметтестерімен ауыр металдардың клетка қабында шоғырлануын, өсімдік тамырында жинақталуын төзімділік механизміне жатқызуға болады, бірақ ауыр металдардың өсімдіктердің жер үсті мүшелеріне тасымалдануына жеткіліксіз дәлел екендігін айтады.

Өсімдіктердің бір ауыр  металға төзімділігі басқа металдарға төзімділігін анықтамайды, ол өсімдік түріне, ауыр металдардың қасиетіне байланысты.  

1.3             Ауыр  металдардың (Cu, Cd, Zn, Pb) өсімдіктерге тигізетін улы әсері

Ауыр металдардың топырақта көп мөлшерде болуы оларға сезімтал өсімдік түрлерінің жойылуына және белгілі бір аймақтағы өсімдіктердің азайып кетуіне әкеледі. Ауыр өндірістік орындардың дамуына байланысты табиғатта “техногенді аймақтар” пайда болады [13]. Табиғатта ауыр металдардың көп мөлшерде болуынан өсімдік түрлерінің  осы жағдайға тек төзімділері ғана қалады. Қоршаған ортадағы химиялық төтенше жағдайларға өсімдіктердің бейімделуі мен табиғи сұрыпталуын популяциялар ішіндегі организмдердің биохимиялық және физиологиялық өзгергіштігі анықтайды. Ауыр металдармен ластанған аймақтарда өсімдіктердің төзімділігі арта түседі де, төзімсіз  және сезімтал түрлері толығымен құрып кетеді.

Ауыр металдардың өсімдіктерге әсерінің алғашқы және жалпы белгілері-өсімдіктің өсуі және биомасса жинақтауының төмендеуі, хлороз, некроз пайда болуы және осының салдарынан өсімдіктің өнімі мен сапасы  төмендейді. Ауыр металдар өсімдіктердің тамыры мен жер үсті мүшелерінің өсуін тежейді. Көптеген зерттеушілердің мәліметтеріне қарағанда тамырдың өсуі көбірек тежеледі, тамыр түктерінің саны және биомассасы азаяды.

Ауыр металл әсерінен алдымен тамырдың меристема аймағы, содан кейін созылу және тамыр түктерінің түзілуі жүретін аймағының клеткалары бұзылады. Ауыр металдар әсері күшті және ұзақ болса өсімдіктің тіршілік қабілеті жойылады. Тамырдың қоректік заттарды сіңіру қабілетінің төмендеуі бара-бара өсімдіктің өсуін, дамуын тежеп тіршілігін тоқтатуға дейін  әкеледі.  Ауыр металдар өсімдіктердің жер үсті мүшелерінің де өсуін тежейді, мұның салдарынан ассимиляциялаушы мүшелердің дамуы бұзылып, өсімдіктің құрғақ биомассасы төмендейді. Атмосфераның металдармен ластануында және металға бай биогеохимиялық аймақтарда өскен өсімдіктерде жапырақ тақтасының ұсақтығы, қыртыстануы және деформациялануы сияқты морфологиялық өзгерістер байқалады.  Мұндай морфологиялық өзгерістер өсімдіктегі метаболизм процесінің бұзылуына байланысты. Ауыр металдар барлық физиологиялық процестерге әсер етеді, бірақ жеке процестердің металдарға сезімталдығы айтарлықтай әр түрлі. Қазір олардың белгілі бір процеске әсері тікелей немесе жанама екендігі анық емес. Клетка метаболизмінің металл әсерінен туған өзгерісінің маңызды бір белгісі-бірқатар ферменттердің белсенділігінің өзгеруі болып табылады.

Кадмий. Ауыр металдардың ішінде ең улы және қоршаған ортаға кеңінен таралғаны кадмий болып есептеледі. Қоршаған ортаның кадмиймен ластануы кейінгі жылдары Швецияда, Америка Құрама Штаттарында  бірнеше есе жоғарылаған.

Кадмийдің айтарлықтай бөлігі топыраққа және суға жауын-шашын арқылы түседі. Жыл сайын Балтық теңізіне 200 тонна кадмий түссе, оның 45% ауадан келеді.

Бұл элемент тірі ағзаларға қауіптілігі жағынан бірінші класқа жатқызылады. Кадмий адам және жануарлар ағзасына жиналуға қабілетті және жүрек, қан тамыры әрекетіне басқа да аурулардың пайда болуына себепші. Адам ағзасына 10 мг кадмийдің жиналуы улану белгілерін білдіреді.

Кадмийдің басқа ауыр металдармен салыстырғанда өсімдік тіршілігіне қажеттілігі әлі толық дәлелденбеген, бірақ осы металмен ластанған ортада оның өсімдікке түсуі жоғары. Зерттеушілердің көрсетуі бойынша өсімдіктің құрғақ салмағына шаққанда 0,1-1 мкг/кг Cd-дің болуы қалыпты деп есептеледі, ал кейбір зерттеушілер өсімдік ұлпасында 0,05-0,2 мг/кг кадмийдің болуы қалыпты деп қарастырады және 3 мг/кг мөлшері жоғары деңгей  деп болжам жасайды.

Кадмийдің өсімдіктердегі улы әсерінің алғашқы белгілері болып: өсімдіктің өсуінің баяулауы, биомасса жинауының кемуі, хлороз, түсімнің азаюы тағы басқа физиологиялық  процестер жатады.

Cd-дің өсімдіктерге сіңірілуі. Өсімдікке кадмийдің сіңірілуіне топырақ ертіндісінің қышқылдануының әсері бар екендігі анықталған.  Өз кезегінде топырақтың қышқылдануына қышқыл жауын-шашын мен физиологиялық қышқыл тыңайтқыштың әсері бар. Топырақтың қышқылдануының жоғарылауы, кадмийдің өсімдікке сіңірілуін арттыратыны анықталған. Осыған байланысты кадмиймен ластанған топырақтың қышқылдық  ортасы (рН) 6-6,5 төмен болмауын ұсынады. Табиғи жағдайда топырақтағы кадмийдің деңгейі негізінен 1 мг/кг-ға жуық (0,08 ден 10 мг/кг-ға дейін ауытқиды). Бірақ, кадмийдің топырақтағы өсімдікке оңай сіңетін жылжымалы формасы көп емес (топырақ ерітіндісіндегі еріген формасы 0,07 % шамасында). Бұл кадмийдің топырақпен өте тығыз байланысқа түсетіндігін көрсетеді. Кадмийдің өсімдікке сіңуіне және мүшелер арасына таралуына осы элементтің биологиялық ерекшелігі негізгі фактор болып табылады. 

Өсімдіктердің табиғи жағдайда кадмийді сіңіруі әртүрлі. Оларды үш топқа бөледі: Бірінші топқа бұл элементтің салыстырмалы төменгі мөлшерін сіңіретін бұршақ тұқымдастар жатса, екінші топқа орташа мөлшерін сіңіретіндер астық, асқабақ тұқымдастар, ал үшінші топқа бұл элементтің жоғары концентрациясын сіңіретін крестгүлділер, күрделігүлділер, алабұталар жатады.  Бұл тұқымдастардың ішінде кадмийдің төменгі немесе жоғары концентрациясын жақсы сіңіретіндер немесе сезімтал түрлері де кездеседі.

Cd-дің өсімдіктерде таралуы. Кадмий өсімдіктерде жалпы мынандай ретпен таралады. Ең көп мөлшері тамырда,  жер үсті мүшелеріне (сабақ, жапырақ) аз, жеміс пен ұрықта ең төмен. Азықтық өсімдіктерде және астық тұқымдас өсімдіктердің дәніндегі қалыпты жағдайдағы кадмийдің мөлшері 0,07-0,27 мг/кг және 0,13-0,22 мг/кг (құрғақ затқа шаққанда) сәйкес [14].