АГРОХИМИЯ, 2014, № 5, с. 72-78
УДК 632.122.1:546.48:577.112.3:581.192
ВЛИЯНИЕ РАЗНЫХ УРОВНЕЙ ЗАГРЯЗНЕНИЯ ПОЧВЫ КАДМИЕМ НА СОДЕРЖАНИЕ АМИНОКИСЛОТ В РАСТЕНИЯХ
© 2014 г. Г.Я. Елькина
Институт биологии Коми научного центра УрО РАН 167982 Сыктывкар, ул. Коммунистическая, 28, Россия E-mail: elkina@ib.komisc.ru
Поступила в редакцию15.11.2013 г.
Изучено влияние загрязнения кадмием почвы на аминокислотный состав однолетних трав. Установлено, что в ответ на загрязнение в растениях увеличилось содержание азота и аминокислот. Изменения в содержании аминокислот в горохе начались при содержании кадмия в почве 0.56, злаковом растении - 0.80 мг/кг, содержание кадмия в растениях при этом составляло 37 мг/кг. Загрязнение вызвало рост относительного количества глутаминовой кислоты в горохе, аспарагиновой кислоты - в овсе, а также снижение доли пролина в обоих растениях. Количественные изменения в содержании остальных аминокислот были пропорциональны увеличившейся их сумме. Ключевые слова: аминокислоты, растения, кадмий, почва.
ВВЕДЕНИЕ
Кадмий относится к наиболее сильным токсикантам для растительных организмов [1, 2]. Негативное действие элемента связано с его влиянием на метаболистические процессы в растениях. Активация защитных ферментов, синтез металл-связывающих соединений и стрессовых белков, повышающих устойчивость растений, приводят к нарушениям в метаболизме азота, увеличивая и снижая его содержание в органах растений в зависимости от концентрации токсичного элемента и фазы ответной реакции [3-6].
Изменения в содержании свободных аминокислот под воздействием тяжелых металлов (ТМ), приводимые большинством авторов и отображающие реакции приспособления растений в конкретный (тестируемый) период их развития, свидетельствуют об участии аминокислот в синтезе стрессовых белков. В качестве ответной реакции на стресс, в том числе и обусловленный ТМ, в растениях активно синтезируется пролин, являющийся полифункциональным стресс-протекторным соединением, который поддерживает метаболизм растительного организма на разных стадиях адаптационного процесса [4, 7, 8].
Специфической реакцией на воздействие ТМ является синтез металлсвязывающих соединений, обогащенных тиоловыми (-8Н) группами, - ме-таллотионеинов и фитохелатинов, образованных с участием цистеина [9].
Влияние кадмия на рост растений и биохимические показатели описано в основном по результатам экспериментов в водной культуре в условиях лаборатории и значительно реже - в почвенной культуре и в полевой обстановке. Изучены в основном высокие концентрации элемента, кратные величине ПДК. Действие концентраций, незначительно отличающихся от фонового содержания элемента в почве и наиболее часто встречающихся в реальных условиях, остается слабо изученным, так же как и влияние ТМ на качество сельскохозяйственной продукции, в том числе на аминокислотный состав.
Ранее автором [10] были приведены результаты исследований по токсичности кадмия на подзолистых почвах. Концентрации кадмия ниже ориентировочно допустимых вызывали снижение продуктивности однолетних трав и накопление токсичного элемента в растениях сверх максимально допустимого уровня.
Цель работы - изучение влияния возрастающего загрязнения кадмием почвы на содержание азота и аминокислотный состав надземной массы однолетних трав.
МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ
Растения выращивали в микрополевом опыте в пригороде г. Сыктывкар на легкосуглинистой пахотной подзолистой почве в условиях искусственного загрязнения. Разные по содержанию кадмия образцы почвы были получены в резуль-
ВЛИЯНИЕ РАЗНЫХ УРОВНЕЙ ЗАГРЯЗНЕНИЯ ПОЧВЫ КАДМИЕМ. Таблица 1. Влияние возрастающего загрязнения кадмием почвы на биомассу растений
Вариант Содержание кадмия, мг/кг (1М HCl) Воздушно-сухая биома горох сса одного растения, г овес
0 (контроль) 0.02 0.36 ± 0.05 0.40 ± 0.04
1 0.56 0.32 ± 0.04 0.36 ± 0.03
2 0.80 0.26 ± 0.03 0.33 ± 0.03
3 1.16 0.23 ± 0.02 0.30 ± 0.04
4 1.46 0.21 ± 0.03 0.29 ± 0.03
5 1.92 0.18 ± 0.03 0.26 ± 0.03
6 2.66 0.15 ± 0.02 0.24 ± 0.02
7 3.16 0.12 ± 0.02 0.23 ± 0.03
8 3.92 0.11 ± 0.02 0.21 ± 0.03
9 4.72 0.10 ± 0.02 0.18 ± 0.04
10 5.36 0.10 ± 0.02 0.18 ± 0.03
Примечание. Нумерация вариантов та же в табл. 2.
тате смешивания ранее загрязненной почвы с почвой контрольных делянок. Почву весом 10 кг помещали в полиэтиленовые сосуды без дна (диаметр - 20, высота - 30 см), которые зарывали в траншеи. Эксперимент выполняли в 4-х повтор-ностях. В сосуды высевали по 15 семян гороха и овса, оставляя впоследствии по 10 растений каждого вида. Отбор растительных проб осуществляли в фазе образования бобов гороха и фазе колошения овса при учете продуктивности. Поскольку кадмий оказывал влияние на прохождение фенологических фаз и развитие репродуктивных органов, сроки уборки и отбора проб устанавливали по развитию растений в контроле.
Азот определяли методом газовой хроматографии на элементном анализаторе ЕА 1110 (СИ^-0). Относительная погрешность анализа при содержании азота 0.5-2.6% составляла 18.0%, при содержании 2.6-20% - 6.7%. Содержание аминокислот в биомассе растений определяли методом жидкостной хроматографии на аминокислотном анализаторе ААА Т 339 М. Относительная погрешность анализа по конкретным аминокислотам (при Р = 0.95) приведена в табл. 2. Гидролиз белков осуществляли в концентрированном растворе серной кислоты в запаянной ампуле при t = 110°С. Анализы выполнены в аккредитованной экоаналитической лаборатории Института биологии. Методы анализа растительных и почвенных образцов на содержание кадмия приведены в [10].
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Кадмий обладал высокой токсичностью по отношению к однолетним травам. При максимальном его содержании в почве (5.4 мг/кг) надземная
биомасса гороха составила 28.4%, овса - 43.7% от контроля (табл. 1). Статистически значимое уменьшение продуктивности началось при содержании кадмия в почве в количестве 0.80 мг/кг (1 М HCl). Овес отличался большей толерантностью по отношению к кадмию.
Под влиянием кадмия в растениях активизировался процесс накопления азота (табл. 2). С ростом загрязнения содержание его в надземной массе гороха (стебли, листья, бобы) увеличилось с 2.50 до 3.30%, овса - с 1.40 до 2.68%. Превышающие относительную погрешность анализа изменения содержания азота в бобовом растении начинались при содержании кадмия в почве 0.80, в злаковом - 1.46 мг/кг (1 М HCl). Содержание кадмия в растениях при этом составляло соответственно 69 и 52 мг/кг. Количество азота и в горохе, и в овсе положительно коррелировало с содержанием кадмия в растениях (r = 0.80, Р < 0.001; r = 0.87, Р < 0.001) и почве (1 М HCl) (r = 0.91, Р < 0.001), негативно - с биомассой растений (r = -0.95, Р < 0.001; r = -0.94, Р < 0.001).
С ростом количества азота в надземной биомассе растений изменилось содержание практически всех аминокислот. Суммарное их содержание в горохе повысилось с 4.28 до 11.3, в овсе - с 5.55 до 9.15 г/100 г. Сумма аминокислот при этом положительно коррелировала с содержанием азота в растениях (r = 0.94, Р < 0.001; r = 85, Р < 0.001). Изменения не коснулись метионина, что могло быть связано с неустойчивостью этой аминокислоты к кислотному гидролизу при высокой температуре.
Значимое по сравнению с контролем повышение содержания большинства аминокислот в биомассе гороха началось при содержании кадмия
Таблица 2. Влияние кадмия на аминокислотный состав биомассы гороха и овса
Аминокислота Варианты Погреш-
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 ность, %
Горох
>
4
К
5
К
¡¡Q
ю о
Аспарагиновая
Треонин
Серии
Глутаминовая
Пролин
Глицин
Алании
Цистин
Валин
Метионин
Изолейцин
Лейцин
Тирозин
Фенилаланин
Гистидин
Лизин
Аргинин
Сумма
Содержание
азота, %
Содержание
кадмия, мг/кг
Аспарагиновая
Треонин
Серии
Глутаминовая
Пролин
Глицин
Алании
Цистин
0.48/11.3 0.69/11.6 0.64/11.2 0.88/11.2 0.87/11.2 0.98/11.4 1.06/11.1 1.02/10.8 1.12/11.2 1.13/11.0 1.25/11.1 16
0.21/4.9 0.29/4.9 0.29/5.1 0.39/5.0 0.41/5.3 0.43/5.0 0.51/5.3 0.51/5.4 0.53/5.3 0.52/5.1 0.60/5.3 16
0.24/5.7 0.34/5.6 0.32/5.6 0.44/5.6 0.47/6.0 0.48/5.6 0.57/5.9 0.59/6.2 0.61/6.1 0.60/5.8 0.65/5.8 14
0.52/12.2 0.76/12.8 0.79/13.8 1.06/13.5 1.09/13.9 1.20/14.0 1.35/14.1 1.43/15.1 1.44/14.4 1.48/14.4 1.53/13.5 13
0.35/8.8 0.40/6.8 0.37/6.5 0.48/6.1 0.48/6.2 0.50/5.8 0.44/4.6 0.47/5.0 0.53/5.3 0.50/4.9 0.54/4.8 31
0.26/6.1 0.36/6.1 0.37/6.5 0.49/6.2 0.49/6.4 0.53/6.2 0.63/6.6 0.64/6.7 0.65/6.5 0.65/6.3 0.72/6.4 16
0.29/6.8 0.38/6.4 0.37/6.4 0.47/6.0 0.54/7.0 0.52/6.0 0.61/6.3 0.59/6.2 0.62/6.2 0.61/5.9 0.68/6.1 19
0.002/0.0 0.01/0.1 0.04/0.6 0.06/0.8 0.05/0.7 0.07/0.8 0.06/0.6 0.05/0.5 0.07/0.7 0.09/0.9 0.09/0.8
0.27/6.2 0.38/6.4 0.43/7.5 0.49/6.2 0.49/6.3 0.54/6.3 0.65/6.7 0.57/6.0 0.62/6.2 0.64/6.2 0.70/6.2 14
0.01/0.2 0.01/0.2 0.01/0.1 0.01/0.2 0.01/0.2 0.01/0.1 0.02/0.3 0.02/0.2 0.01/0.1 0.01/0.1 0.01/0.1
0.21/4.9 0.29/4.8 0.22/3.8 0.37/4.8 0.29/3.8 0.41/4.8 0.47/4.9 0.47/4.9 0.47/4.7 0.49/4.7 0.54/4.7 12
0.36/8.5 0.50/8.4 0.49/8.6 0.64/8.2 0.62/8.0 0.71/8.4 0.86/9.0 0.83/8.7 0.84/8.4 0.86/8.4 0.99/8.8 13
0.22/5.2 0.34/5.6 0.30/5.2 0.42/5.4 0.39/5.0 0.46/5.4 0.51/5.4 0.49/5.1 0.55/5.5 0.58/5.6 0.63/5.6 20
0.19/4.3 0.28/4.8 0.27/4.6 0.37/4.8 0.32/4.2 0.42/4.9 0.44/4.6 0.43/4.6 0.47/4.7 0.50/4.9 0.58/5.2 16
0.09/2.0 0.13/2.1 0.11/2.0 0.18/2.3 0.16/2.1 0.17/2.0 0.19/2.0 0.19/2.0 0.18/1.8 0.23/2.3 0.26/2.3 19
0.34/7.9 0.47/7.9 0.44/7.8 0.70/8.9 0.71/9.1 0.72/8.4 0.72/7.5 0.73/7.7 0.84/8.4 0.88/8.6 0.98/8.7 16
0.22/5.1 0.32/5.4 0.28/4.8 0.39/5.0 0.38/4.9 0.42/4.9 0.48/5.0 0.46/4.8 0.45/4.5 0.50/4.9 0.54/4.7 19
4.28 5.95 5.72 7.85 7.78 8.55 9.56 9.49 9.99 10.25 11.27
2.50 2.51 2.69 2.85 2.94 2.95 2.91 3.00 3.28 3.24 3.30 6.7
0,8 37 69 73 74 98 104 136 106 111 99 20
Овес
0.83/15.0 0.83/14.4 1.09/15.6 1.14/16.7 1.27/16.8 1.39/16.5 1.29/15.5 1.33/15.6 1.30/14.8 1.31/14.3 1.31/15.7 16
0.23/4.1 0.24/4.2 0.29/4.2 0.28/4.1 0.32/4.2 0.36/4.2 0.37/4.4 0.35/4.1 0.37/4.2 0.39/4.3 0.32/3.9 16
0.23/4.2 0.25/4.3 0.30/4.3 0.28/4.1 0.33/4.4 0.36/4.2 0.33/3.9 0.33/3.9 0.37/4.2 0.39/4.2 0.35/4.2 1
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.