Стійкість до важких металів

1. Стiйкiсть до важких металів

2. Cтійкість до важких металів

До важких металів відносять групу елементів з
щільністю вище 5 г/см3 і відносною атомною масою
більше 40 – це свинець, кадмій, мідь, цинк,
марганець, залізо
Забруднення середовища ними обумовлено
cпалюванням різних видів палива
Викидами металовиробної та інших видів
промисловості
Скидом стічних вод
Внесенням в грунт добрив

3. За антропогенної дії важкі метали акумулюються на поверхні та в об*ємі ґрунту, а потім надходять у рослини.

Важкі метали надходять в рослину переважно через
кореневу систему з ґрунту , в меншій мірі - через
листя
Ґрунтовий покрив не лише акумулює компоненти
забруднень, але і виступає природним буфером, що
істотно знижує токсичну дію важких металів і регулює
надходження хімічних елементів у рослини.
Ступінь зв’язування ВМ грунтом залежить від
наявності органіки, рН, та концентрації інших іонів, як
катіонів, так і аніонів

4. Важкі метали ( за винятком ртуті) в основному заносяться в атмосферу аерозолями, значення яких у хімічному забрудненні повітря досить скла

Важкі метали ( за винятком ртуті) в основному
заносяться в атмосферу аерозолями, значення яких у
хімічному забрудненні повітря досить складне, а також
через ґрунт у вигляді мінеральних добрив.
В опадах, що випадають на поверхню ґрунту, можуть
утримуватися свинець, кадмій, нікель, цинк та інші
елементи.
Метали в кількості 10 – 30 % від загального викиду
підприємствами в атмосферу поширюються на
відстані 10 км. і більше від промислового
підприємства.
Відстань поширення викидів залежить від відкритості
місцевості вітру, швидкості вітру і висоти труб
підприємства

5. Важкі метали у мінеральних добривах

У мінеральних добривах часто присутні різні домішки у вигляді
солей важких металів, органічних сполук, радіоактивних ізотопів.
З токсичних елементів можуть бути присутні миш'як, кадмій,
свинець, фтор, стронцій.
Одними з найбільш шкідливих токсикантів є свинець і кадмій.
Потрапляючи в ґрунт вони адсорбуються кореневою системою
рослин, накопичуються в них.
Агрохімічні методи – вапнування і внесення органічних добрив –
істотно знижують можливість попадання металів у рослини.
Завдяки вапнуванню вдається в декілька разів зменшити вміст
свинцю в сільськогосподарських культурах , які вирощували на
забруднених ґрунтах.

6. В залежності від накопичення металів рослини поділяють на групи

гіперакумулятори ( накопичують ВМ на
одиницю маси більше, ніж їх є в грунті),
Індикатори ( накопичують стільки,
скільки є в грунті),
уникачі ( або не накопичують, або
накопичують малі кількості

7. Фактори впливу на поглинання ВМ рослинами

Швидкість поглинання металів рослинами
залежить від рН ґрунтового розчинузбільшення рН в лужну сторону знижує
поступлення ВМ
вміст органічних речовин в ґрунті ( чим
більше органіки, тим сильніше сорбуються
ВМ грунтом і менше поглинаються
рослинами)
концентрації інших іонів (йони цинку
антагоністи поступленню кадмію).
Токсичнiсть ВМ залежить вiд валентностi,
iонного радiусу i здатностi утворювати
комплекси.

8. Роль кореня у накопиченні ВМ

• На поверхні кореня ВМ звязуються
карбоксильними групами уронових
кислот кореневого слизу
• Здатність слизу до звязування залежить
від природи катіону і зменшується в
ряду Pb 2+ →Cu 2+ →Cd 2+ →Zn 2+
• Звязування зі слизом обмежує
поступлення ВМ в рослини, але частина
ВМ може вивільнюватись при деградації
слизу.

9. Розподіл ВМ по органах рослин

• Вміст ВМ зменшується в такому порядку
• Корені→ листки →стебла →суцвіття →насіння ( є і виключення
золото у кукурудзі концентрується у качанах)
• Види чи навіть лінії виду розрізняються по здатності
накопичувати ВМ ( у редьки до 21 мкг/г вміст Cd в пагонах 23
видів коливався від 1.8 мкг/г у жерушника, в коренях від 4.8 мкг/г
у еспарцету до 163,8 мкг/г у пастернака
• Концентрація Рв в пагонах ліній виду кукурудзи відрізнялась у
50 разів, у коренях у 14 разів.
• В цілому більшість с/г культур відноситься до уникачів ВМ, які
накопичують ВМ в основному у кореневій системі, хоча є і
виключення по окремих видах і окремих ВМ

10. Токсичнiсть ВМ базується на їх здатностi реагувати з сульфогрупами бiлкiв, з їх iнактивацiєю при цьому.

При цьому ВМ порушує проникнiсть мембран
плазмалеми i тонопласту, що приводить до змiни
iонних потокiв, а отже і гомеостазу, водного режиму,
фотосинтезу, дихання , синтезу нуклеїнових кислот,
амінокислот та бiлкiв.
Одним з найбільш поширених негативних ефектів
важких металів є їх взаємодія з SH- групами білків ,
що призводить до інактивації ферментів і зміни інших
біологічних властивостей макомолекул і
супроводжується порушенням клітинного
метаболізму і фізіологічних процесів.
• На даний час відомі понад 100 ферментів, які
інактивуються важкими металами.

11. Локалізація в клітині і транспорт

• Висока концентрація ВМ у клітинній стінці – чим більше в ній
пектину, геміцелюлоз і полігалактуронової кислоти тим більше
затримується ВМ
• Всередині клітин більша частина свинцю і кадмію сорбується у
вакуолях
• У клітинній стінці і вакуолях знаходиться до 96% поглинених ВМ
• , є вони в апараті Гольджі, невелика кількість у ядрі,
хлоропластах і мітохондріях
• Є виключення – наприклад до 90% нікелю міститься у
цитоплазмі
• Транспорт здійснюється від ризодерми до ендодерми в
основному по апопласту, а далі пояски Каспарі обмежують їх
пересування
• Дальній (далекий ) транспорт по рослині здійснюється
переважно по ксилемі і частково по флоемі.

12.

Важкі метали впливають на фотосинтез і дихання,
змінюють водний та гормональний статус організму
та затримують ріст.
Інгібують фотосинтез, порушуючи ультраструктуру
хлоропластів, затримуючи синтез фотосинтетичних
ферментів і знижуючи кількість хлорофілу ,
пластохінону та каротиноїдів, викликаючи дефіцит
СО² через закривання продихів.
Типовим результатом дії кадмію і ряду інших важких
металів є зменшення вмісту хлорофілу , причому
концентрація хлорофілу b знижується сильніше , ніж
хлорофілу а . Ця дія кадмію є наслідком як
гальмування синтезу хлорофілу , так і його
деградації.

13. У присутності Сu , Pb , Cd знижується активність ключових ферментів фотосинтезу РуБФ - карбоксилази і ФЕП- карбоксилази .

Інгібується активність карбоангідрази при дії
підвищених концентрацій кадмію.
ВМ впливають і на світлову фазу фотосинтезу ,
порушуючи транспорт електронів , пов'язаний з
фотосистемою II , що обумовлено зміною структури
тілакоідних мембран , порушенням синтезу
пластохінону і зниженням активності ферредоксин НАДФ + - оксидоредуктази

14. Дія важких металів на дихання вивчено слабо.

• Проте встановлено, що кадмій знижує
поглинання кисню корінням і
ізольованими клітинами тютюну.
• Він інгібує транспорт електронів і
протонів в мітохондріях , що може
призводити до порушення роботи ЕТЛ.
Кадмій інгібує активність ключових
ферментів гліколізу і
пентозофосфатного шляху.

15. Під дією ВМ порушується водний статус рослин.

• багато рослин в промислових районах
характеризуються меншою оводненістю тканин і
зниженою інтенсивністю транспірації за рахунок
збільшення вмісту АБК, що викликає закривання
продихів і що порушує тепловий режим листа.
• Зміна водного статусу рослини крім того є наслідком
багатьох причин: зниження ефективності
осморегуляціі, зменшення еластичності клітинних
стінок,

16. За дії ВМ спостерігається

• порушення водопоглинальної здатності
кореня, яка падає внаслідок інгібування
формування нових бічних коренів і кореневих
волосків
• уповільнення лінійного росту кореня,
зниження контакту кореневої системи з
грунтом, гальмування транспорту асимилятів
з пагонів в кореневу систему.
• Крім цього , прискорюється відмирання
кінчика кореня, зростає лігніфікація і
суберинізація клітин,

17. ВМ інгібують поглинання клітинами кореня як катіонів, так і аніонів.

• Гальмування поглинання макро- і мікроелементів
може бути обумовлено конкуренцією з важкими
металами за переносники .
• Іншою причиною порушення йонного гомеостазу в
клітинах є відтік іонів ( наприклад , калію) з коренів
внаслідок зміни під дією важких металів активності
мембранних ферментів і ушкодження мембран.
• У різних рослин реакція може бути вкрай
неоднаковою.
• Так , акумуляція міді знижувалася в присутності
кадмію в коренях райграсу , кукурудзи , капусти і
конюшини , але збільшувалася в корінні рису і не
змінювалася в корінні гарбуза і огірка.

18. Найбільш чутливим до дії ВМ є ріст.

• Кадмій та свинець сильно інгібують ріст головного
кореня проростка, ніж утворення бокових коренів, в
результаті коренева система набуває компактну
форму.
• Найбільш стійким до важких металів є проростання
насіння , що обумовлено низькою проникністю для
них насінневої шкірки .
• Інгібування росту важкими металами є наслідком
зниження швидкості як ділення, так і розтягування
клітин. В основі цього явища можуть бути зменшення
оводненості тканин, подовження мітотичного циклу ,
порушення еластичності клітинних стінок і
формування мікротрубочок

19.

Різні види рослин проявляють неоднакову
стійкість до вмісту важких металів у ґрунті.
Токсикотолерантність рослин до важких
металів індивідуальна і є генетично
закріпленою ознакою, що є надзвичайно
важливим при виведенні нових сортів для
отримання екологічно безпечних врожаїв на
забруднених ґрунтах.

20. Адаптація рослин до важких металів

• Рослини виробили ряд пристосувальних механізмів ,
що захищають клітинний метаболізм від присутніх в
навколишньому середовищі важких металів.
• Ці механізми включають:
• зв'язування важких металів клітинної стінкою і
виділяються клітиною у вигляді певних речовин
(ексудат) ;
• зниження надходження в клітину важких металів і
викид їх з цитоплазми в апопласт ;
• хелатування в цитоплазмі пептидами і білками;
• репарація пошкоджених білків і компартментацію
металів в вакуолі за допомогою переносників
тонопласту

21. Клітинна стінка і кореневі ексудати.

• Зв'язування важких металів стінками клітин
кореня - перший рубіж « оборони » від
присутніх у грунтовому розчині металів.
• Мета цього механізму - знизити проникнення
важких металів у протопласт .
• Подібний механізм функціонує, наприклад, у
толерантній до важких металів смольовки
звичайної, яка акумулює їх в клітинних стінках
епідерми за рахунок зв'язування з білками чи
силікатами.
• Виділений клітинами слиз покриває
поверхню кореня і обмежує проникнення
важких металів у клітини, тобто виконує
бар'єрну функцію.

22. Важкі метали зв'язуються з карбоксильними групами уронових кислот слизу.

• Іноді виділені в грунт ексудати коренів можуть
містити гістидин , цитрат та інші хелатори
важких металів.
• Подібний механізм використовується при
детоксикації такого легкого металу, як
алюміній.
• Цікаво , що в даному випадку у рослин ,
наприклад , гречки в корінні утворюється
щавлева кислота, яка не викидається назовні,
а надходить в листки, де алюміній
акумулюється у вигляді нетоксичного
оксалату алюмінію.

23. Плазмалемма

• відіграє важливу роль у підтримці
низької концентрації важких металів не
тільки за рахунок запобігання або
зниження інтенсивності їх надходження
в клітину , але і за рахунок активного
викиду їх назовні.

24. Компартментація важких металів у вакуолях.

• Викид іонів через плазмалемму назовні або їх транспорт в
вакуоль - це два шляхи зменшення надлишкових ,
токсичних концентрацій металів у цитозолі
• у вакуолях можуть акумулюватися важкі метали,
принесені в неї за допомогою транспортних систем
тонопласта
• з рослин арабідопсису був ізольований ген ( ТАТ) ,
гомологічний гену переносника цинку в клітинах тварин
• ( ZnT ) .
• Перенесення цього гена в рослину і його активна
експресія приводила до значного збільшення стійкості до
цинку та акумуляції цього металу в корінні при високій
концентрації його в середовищі .
• Отже , переносник цинку міг брати участь в акумуляції
цього металу в вакуолі і тим самим у стійкості рослин

25.

Механізми стійкості до важких
металів
Перешкодження
проникненню іонів в
клітину
Іммобіліза
Затримка
ція іонів в транспорту
клітинній
через
стінці
плазмалему
Внутрішньоклітинні
механізми толерантності
до важких металів
Виділення із
клітини
металхела
туючих лігандів
З
металотіо
неїнами
Репарація
порушень
метаболіз
му
Активне
виведення
важких
металів у
вакуолю
Утворення комплексів
З
З
органічни феритинами
ми
кислотами
Детоксикація
З
глутаті
оном
З
фітохела
тинами
Способи
нормального
функціонуван
ня в
присутності
важких
металів
Включення
альтернат
ивних
шляхів
метаболіз
му
Синтез
металото
лерантних
ферментів

26. Хелатори (комплексони) важких металів.

• Хелати - речовини , які утворюють з металом
комплексну сіль , в якій метал закріплений за всіма
валентностям і знаходиться всередині молекули ,
тому його можливості вступати в реакцію різко
знижуються.
• Хелатування металів (утворення хелатів ) у цитозолі
є дуже важливим механізмом детоксикації важких
металів.
• Лігандами (від лат. Ligare - зв'язувати ), тобто
речовинами , що утворюють з металом хелат ,
можуть служити амінокислоти , органічні кислоти і
два класи пептидів : фітохелатіни і металлотіонеїни .

27. Фітохелатини (ФХ ) - це пептиди , які синтезуються у відповідь на обробку рослини важкими металами , активно зв'язують метали і мають структу

Фітохелатини (ФХ ) - це пептиди , які синтезуються у
відповідь на обробку рослини важкими металами ,
активно зв'язують метали і мають структуру.
Фітохелатини синтезуються не на матриці, а за
допомогою ферменту фітохелатінсинтази (ФГ-синтази ),
що використовує глутатіон як субстрат.
.
• Не всі важкі метали однаково ефективно індукують
синтез фітохелатинів, і не у всіх випадках є докази їх
захисної дії . Ще належить з'ясувати участь
фітохелатинів у розвитку стійкості рослин до цинку ,
нікелю , міді та деяким іншим важким металам

28. Металотіонеїни (МТ ) - це низькомолекулярні поліпептиди , що містять велику кількість цистеїну і активно зв'язують метали . Назва цих сполук

Металотіонеїни (МТ ) - це низькомолекулярні
поліпептиди , що містять велику кількість цистеїну і
активно зв'язують метали . Назва цих сполук вказує на
присутність сірки в їх молекулах (грец. theion - сірка ) .
Металотіонеїни були досліджені у тварин і грибів.
Здатність рослинних металотіонеїнів зв'язувати ВМ і
тим самим їх знешкоджувати ще належить довести.
• На відміну від фітохелатинів
металотіонеїни кодуються генами і
синтезуються на рибосомах звичайним
матричним способом.

29. Потенційно органічні кислоти і амінокислоти (лимонна , яблучна , гістидин ) є лігандами для зв'язування важких металів і можуть брати участь

у підвищенні стійкості рослин. Однак
прямих доказів подібної ролі цих сполук у
рослинах поки немає.

30. Білки теплового шоку ( БТШ ) не тільки виконують функцію молекулярних шаперонів, але можуть брати участь і в захисті макромолекул і в репара

Білки теплового шоку ( БТШ ) не тільки виконують
функцію молекулярних шаперонів, але можуть брати
участь і в захисті макромолекул і в репарації
пошкоджених при стресі білків.
• Шаперони (англ. chaperones) - клас білків, головна
функція яких полягає у відновленні правильної
нативной третинної або четвертинної структури
білків, а також утворення і дисоціація білкових
комплексів.
• Як вже відомо, синтез білків теплового шоку
викликається, насамперед, високою температурою,
але окремі їх компоненти можуть синтезуватися і у
відповідь на дію інших стресорів, зокрема важких
металів.
• Йдеться про групу низькомолекулярних білків (
молекулярна маса 16-20 кДа ) і високомолекулярного
білка БТШ- 70.

31. У культурі клітин томата БТШ- 70 синтезується не тільки при тепловому шоці , але і під дією кадмію.

• Було висловлено припущення , що
БТШ- 70 бере участь у захисті
плазмалеми від пошкодження кадмієм,
так як короткочасна теплова обробка
клітин перед дією кадмію підвищувала
стійкість мембран до цього металу

32. Таким чином , цілий ряд механізмів підвищення толерантності рослин до важких металів спрямований на видалення надмірного вмісту металу з

Таким чином , цілий ряд механізмів підвищення
толерантності рослин до важких металів спрямований
на видалення надмірного вмісту металу з цитоплазми і
тим самим на запобігання його можливих токсичних
ефектів.
• Для розвитку стійкості до даного конкретного металу
використовується не один, а кілька різних механізмів.
Якого-небудь єдиного механізму, що забезпечує
толерантність рослини до кількох різних важких
металах, не існує.
• Механізми сприйняття рослиною сигналу за дії
важкого металу і трансдукції (передачі) цього сигналу
до генів в даний час не відомі.

33. література

Алексеев Ю.В. Тяжелые металы в почве и
растениях / Ю.В.Алексеев // М.: Агропромиздат,
1987. - 140 с.
Гуральчук Ж.З. Фіторемедіація та її роль в
очищенні грунтів від важких металів та
радіонуклідів / Ж.З. Гуральчук, І.М. Гудков//
Физиология и биохимия культ.растений. – 2005. Т.37, N 5. – C. 371-383.
Методические рекомендации по проведению
полевых и лабораторных исследований почв и
растений при контроле загрязнения окружающей
среды тяжелыми метталлами. М.:
Гидрометеоиздат, 1980. – С. 80.

34.

ДЯКУЮ ЗА УВАГУ!