Физиологические ответные реакции растений на воздействие меди Курсовая работа (проект)

ВВЕДЕНИЕ

Загрязнение тяжелыми металлами природных экосистем является одним из наиболее опасных факторов их деградации, так как повышение концентраций металлов в почве приводит к их накоплению в дикорастущих и сельскохозяйственных растениях, что сопровождается загрязнением пищевых цепей. Кроме того, высокие концентрации металлов делают почву непригодной для роста растений [6, стр. 4].

Изучение механизмов выживания и адаптаций растений к поллютантам техногенного происхождения в условиях засоления с каждым годом приобретает все большую актуальность в связи с всевозрастающим повсеместно в мире загрязнением тяжелыми металлами. Все тяжелые металлы, независимо от степени их важности и необходимости для растений, при высоких концентрациях фитотоксичны для их роста и развития. Медь относится к тяжелым металлам и является широко распространенным загрязнителем природной среды. Антропогенные изменения биосферы, проявляющиеся в широком спектре глобальных явлений, включая ускоренный темп индустриализации, интенсивного сельского хозяйства и обширной горной промышленности, сопровождаемой растущим населением и быстрой урбанизацией, которые, в свою очередь, не только дали выход опустошению природных ресурсов, но также и вызвали широко распространенное и серьезное загрязнение существенных компонентов жизни на планете. Из последствий вызванного человеком изменения естественных биогеохимических циклов и является накопление тяжелых металлов [7, стр. 14-21].

В этой связи цель работы заключалась в доскональном изучении и углублении знаний о влияния меди на растительный организм в целом и отдельные его составляющие, а также изучение защитных реакций организма на фитотоксичное воздействие этого металла.

Для достижения поставленной цели были сформулированы следующие задачи:

ГЛАВА 1 ТЕХНОГЕННОЕ ПОСТУПЛЕНИЕ МЕДИ

1.1 Источники поступления

Широкое и неоправданное использование меди в сельском хозяйстве, сточные воды и горная промышленность вызывают растущее загрязнение медью окружающей среды [8, стр. 171]. В природную воду антропогенная медь в больших количествах поступает со сточными водами, смывами из почв органических удобрений и фунгицидов. Опасными для гидробионтов являются аварийные сбросы неочищенных стоков машиностроительных производств, содержащих в больших количествах тяжелые металлы, в том числе и медь [3, стр. 305].

Медь в незагрязнённых территориях находится в некоторых видах почв, остальная медь содержится в больших концентрациях в результате антропогенного выброса тяжелых металлов в окружающую среду посредством горной промышленности, плавления, производства, сельского хозяйства и вывоза отходов. При концентрациях выше норм, требуемых для оптимального роста растений, как показано, тормозится рост растений и происходит вмешательство в важные клеточные процессы, такие как фотосинтез и дыхание. Медь обычно влияет на уменьшение биомассы и вызывает признаки хлороза [13, стр. 409-430].

Источники поступления меди могут быть как естественного, так и антропогенного происхождения.

Рассмотрим на примере рисунка источники антропогенного поступления меди в окружающую среду.

ГЛАВА 2 ФИТОТОКСИЧНОСТЬ МЕДИ И ЗАЩИТНЫЕ РЕАКЦИИ РАСТЕНИЙ

2.1 Синтез металлотионеинов, компонентов АОС

В ответ на поступление металлов в клетку происходит активация различных систем защиты, направленных на поддержание гомеостаза. К таким системам относятся:

1) активация «ферментов стресса» (каталазы, пероксидазы, супероксиддисмутазы);

2) суперпродукция осмолитов в ответ на металл индуцированный водный стресс;

3) изменение физико-химических свойств клеточных оболочек; 4) синтез полиаминов;

5) изменение гормонального баланса;

6) синтез металл6 связывающих соединений и стрессовых белков.

Все эти защитные механизмы, функционирующие на этапе стресс-реакции, обеспечивают выживание организма и его адаптацию в изменившихся условиях окружающей среды. Многие из этих механизмов (1–5) являются неспецифическими, характерными для действия различных стресс-факторов и являются звеньями единой программы ответа клетки на стресс. Другие (6) являются в той или иной степени специфичными для действия тяжелых металлов [5, стр. 284].

Из всех механизмов защиты, направленных на поддержание гомеостаза наиболее специфическим является синтез металлсвязывающих соединений – металлотионеионов и фитохелатинов. Металлотионеины – это суперсемейство цистеин-богатых полипептидов с низкой молекулярной массой (4-14 кДа. Было установлено, что металлотионеины имеют низкую молекулярную массу, высокое содержание цистеина, сходные УФ-спектр и термоустойчивость.

Гены металлотионеинов – это одни из наиболее интенсивно экспрессирующихся в растении генов [1, стр. 38-39].В растениях обнаруживается 4 типа металлотионеинов, каждый из которых включает в себя ряд форм. Судя по имеющимся данным, экспрессия металлотионеинов регулируются в растении на транскрипционном уровне. Более того, гены металлотионеинов в первую очередь активируются медью [1, стр. 19-21].

Первый тип металлотионеинов выражен в корнях растений, второй тип обнаружен в побегах, третий в листьях и во время созревания фруктов и четвёртый тип обнаружен во время прорастания семян [10, стр. 7].

В разных видах металлотионеинов от 10 до 50% меди может быть связано с 2 остатками цистеина; возможно, эти ионы в составе металлотионеинов более доступны для обменных реакций, чем ионы, связанные с тремя SH-группами. Ионы меди в составе металлотионеинов являются редокс- неактивными до тех пор, пока SH-группы не будут окислены или модифицированы другим способом, в результате чего медь высвобождается в виде свободных ионов. Сочетание высокой термодинамической стабильности и низкой кинетической стабильности связывания Cu(I) металлотионеинами, позволяют предположить, что металлотионеины участвуют в формировании лабильного пула меди в клетке и напрямую участвуют не только в детоксикации избытка данного металла, но также в процессах его перемещения во внутриклеточной среде, а также в передаче специфическим медь- связывающим белкам. В виде комплексов с металлотионеинами может находиться значительная, а при некоторых условиях – бóльшая часть общей меди в клетке Предполагается, что металлотионеины являются своего рода «резервуаром», в котором постоянно находится определенная часть содержащейся в клетке меди; металлотионеины могут служить источником меди для медь-содержащих белков, а при повышении содержания металла в клетке они депонируют избыточные его количества [1, стр. 19-21].

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

После изученной литературы, касающейся токсического воздействия меди на растительный организм хотелось бы сделать следующие выводы:

1. В основном источником поступления меди, являющейся фитотоксичной для растений, является человек. В связи с чем и возникает острая проблема антропогенного воздействия человека на окружающую среду.

2. Распространение меди в породах и почвах неравномерно и зависит от природных условий.

3. В природе медь находится в связанном и в несвязанном виде. Преобладает медь в связанном виде.

4. У растений выработалась налаженная система защитных реакция от внешнего воздействия тяжелых металлов. Это проявляется на генетическом уровне.

5. На данном развитии науки система защитных реакций растений от воздействий меди до конца не изучена и требует дополнительных исследований, особенно в регуляции защитных реакций на генетическом уровне.