ПЕРЕКИСНОЕ ОКИСЛЕНИЕ ЛИПИДОВ В КЛЕТКАХ РАСТЕНИЙ В УСЛОВИЯХ ГОРОДСКОЙ СРЕДЫ

Полный текст

ВВЕДЕНИЕ В связи с ростом антропогенной нагрузки на окружающую среду актуально становится изучение воздействия факторов среды на живые организмы, в частности на растения. Одним из наиболее распространенных и опасных факторов загрязнения среды являются тяжелые металлы (ТМ) [1; 2]. Известно [3], что ТМ способны аккумулироваться в растительных тканях в больших количествах, пагубно действовать на рост и развитие растения, фотосинтез, дыхание, водный обмен растений и другие физиологические процессы. Опасность тяжелых металлов усугубляется их способностью передаваться по трофическим цепям в нарастающих количествах [4]. Исследование механизмов воздействия тяжелых металлов и ответных реакций растений на биохимическом уровне представляет большой интерес. Одним из наиболее важных биохимических процессов повреждения клеток, проходящего с участием тяжелых металлов, служит ПОЛ. Оно провоцируется избыточным количеством активных форм кислорода (АФК) - супероксидного анион радикала (О2*), синглетной формы кислорода (O2), гидроксильного радикала (OH*), перекиси водорода (Н2О2) или свободными радикалами [5]. Основные генераторы АФК - хлоропласты и митохондрии, а также пероксисомы. Основные причины возникновения окислительного стресса в клетках растений в присутствии тяжелых металлов состоят в ингибирующем действии их ионов на скорость электронного транспорта на мембранах хлоропластов и митохондрий, а также подавление активности антиоксидантов ферментной и неферментной природы [6]. Первичные продукты перекисного окисления липидов - диеновые конъюгаты, а конечные - основания Шиффа. Основная опасность процессов ПОЛ для растений заключается в возможности полной утраты мембранами клеток барьерной функции [7]. Соотношение прооксидантных и антиоксидантных процессов в клетках растений, варьируемое в зависимости от условий среды, будет условием нормального функционирования организма, и, в конечном счете, его выживания в окружающей среде [8]. В связи с этим, изучение процессов ПОЛ - актуальная научная задача. Целью работы было исследование содержания продуктов перекисного окисления липидов в растениях разных видов, произрастающих в городской среде. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ Материал для исследования был отобран в период с 21.07.2017 по 5.08.2017 гг. в районе города Тюмени на следующих участках: 1. контроль - луг на удалении 5 км от антропогенных источников; 2. УГМК - г. Тюмень, участок на удалении 200 м от предприятия «УГМКСталь» вблизи автотрассы; 3. УГМК 2 - г. Тюмень, участок на удалении 50 м от предприятия «УГМКСталь»; 4. Моторостроители - г. Тюмень, участок на удалении 200 м от предприятия «Тюменские Моторостроители»; 5. НПЗ - г. Тюмень, участок на удалении 200 м от предприятия Антипинского нефтеперерабатывающего завода; 6. район Аккумуляторного завода, г. Тюмень, участок на удалении 200 м от предприятия; 7. автотрасса Тюмень - Омск - район п. Винзили, 30 км от г. Тюмени, удаление от автотрассы не более 30 м; 8. автотрасса Ирбитский тракт - район с. Каменка, 30 км от г. Тюмени, удаление от автотрассы не более 5 м; 9. автотрасса Ирбитский тракт - район с. Каменка, 30 км от г. Тюмени, удаление от автотрассы не менее 500 м. Была срезана надземная часть растений с 5 площадок на каждом участке. На участках 1-5, 7 были отобраны 5 видов растений: мятлик луговой (Poa pratensis), клевер красный (Trifolium rubens), мышиный горошек (Vicia cracca), ромашка (Matricaria chamomilla), мать-и-мачеха (Tussilago farfara). На участке 6 ромашка не была обнаружена. На участках 8 и 9 был отобран овес посевной (Avena sativa). Выбор растений был обусловлен широким распространением данных видов в районах исследования. Кроме того, из литературы известна чувствительность мать-и-мачехи на биохимическом уровне к экологическим условиям [9]. Растения были высушены, а затем проведен анализ содержания в них диеновых конъюгатов и оснований Шиффа спектральным анализом спиртовых экстрактов. Поглощение диеновых конъюгатов измерялось на длине волны λ = 233 нм, а оснований Шиффа на λ = 365 нм [10]. РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ Продукты перекисного окисления липидов являются индикатором биохимического повреждения клеток и стрессируемости организма. В проведенном эксперименте было выявлено, что наиболее сильному повреждению в условиях городской среды подвергаются клетки ромашки: содержание оснований Шиффа и диеновых конъюгатов на всех участках исследования было увеличено по сравнению с контролем, как минимум, на 40-60% (рис. 1). Рис. 1. Содержание продуктов перекисного окисления липидов в клетках ромашки из районов исследования [Fig. 1. Concentration of lipid peroxidation products in the cells of chamomile from researched areas] * Здесь и далее статистически достоверные различия между контролем и вариантом опыта (при р £ 0,05). Максимальный рост содержания продуктов перекисного окисления липидов был зафиксирован на участках УГМК 2 и Моторостроители: содержание диеновых конъюгатов было повышено в 4,8 и 5,5 раз соотвественно. Полученные результаты свидетельствуют о высокой чувствительности процессов перекисного окисления, протекающих в ромашке к антропогенному загрязнению. Кроме ромашки, увеличение содержания продуктов перекисного окисления липидов среди изученных растений было зарегистрировано в клетках мышиного горошка и мятлика лугового (рис. 2, 3). Содержание оснований Шиффа в клетках мышиного горошка было повышено по сравнению с контролем от 1,5 раз (участок Моторостроители) до 2,7 раз (участок автотрассы) (рис. 2). Содержание диеновых конъюгатов в растениях на участках НПЗ, Моторостроители, аккумуляторный завод и автотрасса было также увеличено на 40%. Однако на участках УГМК и УГМК 2 отличие содержания продуктов ПОЛ от контроля выявлено не было, а на участке УГМК содержание диеновых конъюгатов было снижено на 20%. Рис. 2. Содержание продуктов перекисного окисления липидов в клетках мышиного горошка из районов исследования [Fig. 2. Concentration of lipid peroxidation products in the cells of wild vetch from researched areas] Рис. 3. Содержание продуктов перекисного окисления липидов в клетках мятлика лугового из районов исследования [Fig. 3. Concentration of lipid peroxidation products in the cells of meadow grass from researched areas] Содержание оснований Шиффа в клетках мятлика было увеличено на участках НПЗ, Моторостроители и аккумуляторный завод на 70-190% по сравнению с контролем (рис. 3). Содержание диеновых конъюгатов в большинстве случаев не отличалось от контрольного уровня, а на участке УГМК 2 было снижено почти на 30%. Таким образом, ромашка, мышиный горошек и мятлик луговой подвергаются окислительному стрессу в условиях городской среды, причем величина повреждаемости убывает от ромашки к мятлику луговому. Увеличение содержания продуктов ПОЛ в клетках ромашки, мышиного горошка и мятлика может связано с аккумуляцией в них тяжелых металлов, которые способны генерировать АФК по реакциям Фентона и Габера-Вейса, а также активировать фермент липоксигеназу [6]. Также ТМ способны связываться с сульфигидрильными, гидроксильными, карбоксильными группами белков и ингибировать функционирование антиоксидантных ферментов. Кроме того, известно, что нефтяное загрязнение, характерное для нефтеперерабатывающего завода, способно активировать процесс перекисного окисления путем ингибирования транспорта электронов в хлоропластах [11]. Другая картина наблюдалась при анализе содержания продуктов ПОЛ в клетках клевера красного и мать-и-мачехи. Содержание оснований Шиффа и диеновых конъюгатов в клетках клевера красного было снижено до 60 и 40% соответственно относительно контроля (рис. 4). В клетках мать-и-мачехи этот эффект был выражен еще сильнее: содержание оснований Шиффа и диеновых конъюгатов было снижено до 70 и 50% относительного контрольного уровня (рис. 5). Рис. 4. Содержание продуктов перекисного окисления липидов в клетках клевера красного из районов исследования [Fig. 4. Concentration of lipid peroxidation products in the cells of red clover from researched areas] Полученный результат можно объяснить несколькими причинами. Возможно, в условиях стресса антиоксидантные системы клевера красного и мать-и-мачехи успешно активизируются и ликвидируют избыток активных форм кислорода. Растения, произрастающие в районах антропогенного загрязнения, могли выработать механизмы блокирования поступления токсикантов путем их хелатирования в клетках корня или компартментализации в цитоплазме. Кроме того, в изученных участках возможен отбор на генетическом уровне и выживание растений, наиболее приспособленных к данным условиям. Таким образом, у изученных растений была выявлена видоспецифичность ответных реакций процессов перекисного окисления в условиях антропогенной среды. По степени аккумулирования продуктов ПОЛ растения можно расположить в ряд: ромашка > мышиный горошек > мятлик луговой > клевер красный > мать-и-мачеха, при этом повышение содержания диеновых конъюгатов и оснований Шиффа относительно контроля было зарегистрировано только у ромашки, мышиного горошка и мятлика лугового. Содержание этих соединений в клетках клевера красного и мать-и-мачехи было ниже, чем в контроле. Рис. 5. Содержание продуктов перекисного окисления липидов в клетках мать-и-мачехи из районов исследования [Fig. 5. Concentration of lipid peroxidation products in the cells of coltsfoot from researched areas] Рис. 6. Содержание продуктов перекисного окисления липидов в клетках овса посевного из районов исследования [Fig. 6. Concentration of lipid peroxidation products in the cells of cultivated oat from researched areas] Из-за видоспецифичности реакции растений на антропогенный стресс выделить среди изученных участков те, загрязнители в которых оказывали наибольшее влияние на процесс перекисного окисления, оказалось затруднительно. Так, к примеру, для ромашки такими участками были УГМК 2 и «Моторостроители», для мышиного горошка - НПЗ, аккумуляторный завод и автотрасса, а для мятлика лугового - «Моторостроители» и аккумуляторный завод. Тем не менее, возможно сделать обобщение, что чаще других участков наиболее сильное влияние оказывало предприятие металлургического завода УГМК (участки УГМК и УГМК 2), причем как в сторону роста продуктов ПОЛ у ромашки и клевера красного, так и в сторону их снижения у мать-и-мачехи. Необходимо отметить, что действие загрязнителей с участка УГМК 2 (находившегося ближе к заводу) было всегда более выраженным, по сравнению с УГМК. Это можно было предполагать из-за большей вероятности накопления поллютантов в тканях растений вблизи завода. Также во вторую очередь можно выделить нефтеперерабатывающий, аккумуляторный и моторостроительный заводы, степень влияния поллютантов которых в целом на растительность была приблизительно равна. В меньшей степени на процесс перекисного окисления влияло загрязнение автотрассы. Вероятно, что поскольку большинство промышленных предприятий, так или иначе, находятся в близости автотрасс, то изолированное действие автотрассы оказывается менее выраженным, чем действие комплекса загрязнителей из районов предприятие + автотрасса. Для овса посевного влияние автотрассы на содержание продуктов ПОЛ не было выявлено, содержание оснований Шиффа и диеновых конъюгатов было на уровне контроля (рис. 6). ЗАКЛЮЧЕНИЕ Таким образом, реакция повреждения клеточных мембран растений в условиях городской среды была видоспецифичной: для ромашки, мышиного горошка и мятлика лугового наблюдалось накопление продуктов ПОЛ в связи с пагубным действием поллютантов; клевер красный и мать-и-мачеха, вероятно, успешно адаптировались к условиям антропогенного загрязнения, что было зарегистрировано по уменьшенному содержанию диеновых конъюгатов и оснований Шиффа. Наибольшее влияние на процесс перекисного окисления липидов оказывает загрязнение от металлургического завода.

Об авторах

Александр Сергеевич Петухов

Тюменский государственный университет

Автор, ответственный за переписку.
Email: revo251@mail.ru

студент Тюменского государственного университета

Российская Федерация, 625003, Тюмень, ул. Перекопская, 15а

Николай Александрович Хритохин

Тюменский государственный университет

Email: kna@utmn.ru

кандидат химических наук, доцент, профессор кафедры неорганической и физической химии Тюменского государственного университета

Российская Федерация, 625003, Тюмень, ул. Перекопская, 15а

Галина Александровна Петухова

Тюменский государственный университет

Email: gpetuhova1@mail.ru

доктор биологических наук, доцент, профессор кафедры экологии и генетики Тюменского государственного университета

Российская Федерация, 625003, Тюмень, ул. Перекопская, 15а

Список литературы