Ауыр металдардың өсімдіктерге биологиялық әсері

1.1 Ауыр металдардың өсімдіктерге биологиялық әсері

Металдардың осы қасиеттеріне және қоршаған ортаның бақылаусыз ластануына байланысты, өткен ғасырдың 50-ші жылдарынан кейін тірі организмдер жаппай улануы байқала бастады [ 2].

Көптеген ауыр металдар, олардың ішінде қорғасын, кадмий, хром, никель улы заттардың қатарына жатады. Олар тірі организмдерде жинақталып, ұзақ уақыт бойы сақтала алады және аккумуляцияланған у ретінде әсер етеді. Бұл заттардың тірі организмдердегі концентрациясы қоршаған ортадағы концентрациясынан 100-1000 есе жоғары [3] .

Ауыр металдар (Zn,Cu) мен күкірт тотығы (SО₂) ағаш жапырақтарында жүретін метоболизм процестеріне ингибитор ретінде әсер етеді. Орталық Европаның орман массивтерінің 23% дефолияциямен бүлінген (интенсивтілігі 25%). Қылқан жапырақтыларға қарағанда емен сияқты жапырақты ағаштар көп зардап шеккен [4].

Ауыр металдардың өсімдіктерде жиналуы әр түрдің өз ерекшелігіне байланысты. Зерттеулер бойынша мыс балқыту өндірісіне жақын аймақта топырақ пен өсімдіктерге ауыр металдардың мөлшері бақылау аймағымен салыстырғанда өте жоғары. Мыстың мөлшері 12 есеге дейін, ал басқа элементтердің мөлшері 2-5 есеге дейін артады. Сонымен қатар, мырыштан басқа ауыр металдардың мөлшері топырақта өсімдіктерге қарағанда әлдеқайда көп. Алайда, топырақта ауыр металдардың мөлшері 2-3 есе артса, олардың өсімдіктердегі мөлшері 5-6есе артады. Статистикалық талдау қорытындысы бойынша, топырақ пен өсімдіктер арасында тура корреляциялық байланыс бар [5].

Зиянды қалдық заттардың вентиляциялық таралу аймағында жапырақтардың және барлық өсімдіктердің морфопатогенезі байқалады. Жапырақтардың зақымдануы формасы мен түсі өзгерген некроз түрінде, сонымен қатар, хлороз, сарғаю, тургорлық қасиетін жоғалту, түсі өзгермей құрап қалу, өзгеріссіз немесе болмашы ғана сыртқы зақымданудан соң түсіп қалуымен байқалады [6]. Күшті ластану аймақтарында өндірістік шаң да өсімдіктерге айтарлықтай кері әсерін тигізеді. Шаңның ірі бөлшектері (5-10м/км) өсімдіктердің жер бетіндегі мүшелеріне механикалық түрде әсер етеді. Шаң бүршік, гүл, жапырақты зақымдаумен қатар (кескілеумен) ағаш қабығын да зақымдап, оның жарылып, аршылып қалуына себепші болады. Қабығы аршылған ағаш организміндегі суынан айрылып, қурай бастайды, калийдің қызметі бұзылады, яғни жалпы өсімдіктер организмінің тіршілік қабілеттілігі төмендейді [ 7].

Атмосфераға бөлінген зиянды токсиканттар, атап айтқанда күкірт ангидриді, көміртегі тотығы, азот тотығы, күкір қышқылы, күкір сутегі, хлор және ауыр металдар қылқан жапырақты ағаштардың жаңғақтарының дамуы мен мөлшеріне, тұқым саны мен массасына кері әсер етеді. Қоршаған ортаны ластаушы өндіріс көздерінен алшақтаған сайын бұл көрсеткіштер дұрысталғандығы байқалады. Соңғы кездерде экосистемалардың өздігінен тазалануы тіпті оларға ауыр металдардың түсуі тоқталған күнде де жүрмей отыр, оның себебі, осы уақытқа дейін топырақта жиналған және оның тұрақты компонентерінде фиксацияланған металдар мөлшерінің шамадан тыс көптігінде болып отыр [8].

Өндірістік шаңмен интенсивті ластанған аймақта тіршілігін жойған вегетативті бүршіктердің саны күрт өсіп (тыныштық күйдегі бүршіктер) мөлшері 80%-ке артқан. Ластану аймағынан қашықтағаннан сайын тыныштық күйдегі тірі бүршіктердің саны артып, 90%- ке көтерілген. Соның әсерінен қабығы тілімденіп, бұтақтары деформацияланады. Экосистемалар-дың сандық және сапалық өзгерістері өндіріс көздеріне жақындаған сайын арта түседі [9]. Осының әсерінен ағаш қабығындағы целлюлозаның мөлшері артады, нәтижесінде өсімдіктерің иммунитеті төмендеп, сыртқы орта факторларының әсеріне төзімділігі төмендейді. (температура, стресс, патогенді микроорганизмдер) Ағаш қабығында целлюлоза мөлшері артып кеткен аудандарда зақымданған және тіршілігін жойған ағаштардың саны артады. Сондықтан өсімдіктердің иммунитетін төмендететін техногенді ластану олардың тіршілігін жоятын бірден-бір фактор[10]. Табиғи стресстердің әсерінен иммуниеті төмендеген өсімдіктерде антропогенді ластануға жоғары сезімталдық пайда болады [11].

Өндірістік аймақтарда атмосфераның газды токсиканттармен ұзақ ластануы ағаш өсімдіктердің ассимиляциялық мүшелеріндегі пигменттердің түзілу мөлшеріне әсер етеді. Желдің бағыты бойынша таралған токсиканттардың жолындағы ағаштарда пигмент түзілу процесі жылдам жүретінін анықталған. Оған олардың жапырақтарындағы хлорофильдердің жоғары мөлшері дәлел бола алады [12].

Соя өсімдігінің организміне кадмийдің түсуі артқан жағдайда (50мкг/моль) көміртегі айналымының жылдамдығы мен жапырақтардың су өткізгіштігі алғашқы көрсеткішінен 50%-ке төмендеген. Мұндай өзгеріс жапырақтарда су мөлшеріне және фотосинтез су өткізгіштігіде бір аптада 67% -ке төмендеген. [13]. Жоңышқа өсімдігіне құрамында мырыш пен кадмий бар ерітіндімен әсер еткенде өсуі баяулап, хлороз белгілері мен жүйкелерінің арасында некроз пайда болған. Ластанудың артуы кейбір өсімдіктердің тіршілігінің жойылуына әкелген. Кадмий мен қорғасынның әсерінен өсімдіктер ұлпаларындағы каталазаның және протеазаның активтілігі төмендеп, ал пероксидазаның активтілігі артады [14].

Өсімдік және жануарлар организмінде ауыр металдардың жиналуы, бірінші кезекте бос иондарын активтілігімен анықталады. Ауыр металдардың организмге енуіне әсер ететін екінші фактор болып алкилденген және басқа да спецификалық химиялық формалардың болуы есептеледі. [16,15]. Металдардың генетикалық өзгерістердің кең спектрінің түзілуіне себепкер. Бір метал клетканы бірнеше жерден зақымдай алады. Мысалы, кадмий ДНК молекуласын зақымдауға, лизосомаларды бұзуға, ДНК репарациясын тежеуге қабілетті. Қорғасын ДНК репликациясы ферменттерінің синтезін бұзады, ДНК-ның құрылымын өзгертеді. Мыстың жоғары мөлшері ДНК конформациясын өзгертеді және ДНК мен РНК синтезін стимуляциялайды [17,18].

Зерттеулердің нәтижелері көрсеткеніндей, кәдімгі сирень және бирючина өсімдіктеріне ауыр металдар жиналған жағдайда фитогормондардың әсіресе цитокининдердің активтілігі төмендейді. Меристеманың флориальды морфогенезге көшуі гибберилиндер мен цитокининдердің активтілігінің артуымен сипатталады. Алайда қоршаған орта ауыр металдармен ластанған жағдайда олардың активтілігінің деңгейі төмен күйінде қалады (ластанбаған ортамен салыстырғанда). Бұл фитогармондардың активтілігінің төмендеуі меристеманың дамуын тежеуші факторлардың бірі. Қоршаған орта ауыр металдармен ластанғанда өсімдік құрамындағы қанттардың, әсіресе сахарозаның мөлшері де төмендеп кетеді. Демек, орта ауыр металдармен ластанғанда митоздың активлігінің төмендеуіне, меристеманың генеративті даму жолына көшуіне маңызды жағдайда фитогармондар мен қанттардың жетіспеуі кері әсер етеді. [19].

Халықаралық денсаулық сақтау ұйымының мәліметтері бойынша қандағы қорғасынның қалыпты мөлшері 15-40 мкг/100 мл. АҚШ-да қала балаларының 5%-ке жуығының орталық жүйке жүйесінің қызметі қорғасын тұздарымен зақымданған, ал Шотландияда балалардың 17%-нің қанында 50-80 мкг/100 мл қорғасын кездеседі. Адам қанындағы қорғасынның мөлшері оның ауадағы мөлшерінің артуымен пропорциональды көтеріледі [20].

Металдардың улылығын анықтаудағы маңызды жағдайдың бірі – организмнің металдар аэрозолін сіңіру. Мысалы, қорғасын-мырыш өндірістерінен бөлінетін қорғасын мен мырыштың сульфаттары мен хлоридтері биосферада оңай жылжып, бүкіл тірі организмдерге жеңіл тасымалданады [21]. Қорғасын-мырыш комбинаттарынан қоршаған ортаға бір мезгілде заттардың газды шаң түріндегі комплексі бөлінеді, ол газды заттардың организмге бірлескен түрде әсер ететінін көрсетеді. Мұндай комплексті әсерді бағалауда ортаның климаттық ерекшеліктеріне, атап айтқанда ауа температурасына, ауаның салыстырмалы ылғалдылығына көңіл бөлген жөн [22].

Ауыр металдардың әсерінен өсімдік түрлерінің реакциясы барлық ұйымдасу деңгейлерінде, яғни клеткалық, организмдік және популяциялық деңгейлерде байқала береді. Клеткалық деңгейде ауыр металдардың артық мөлшеріне қатысты жалпы байқалған стресс ретінде жасуша мембраналарының зақымдануы мен ферменттердің активтілігінің өзгеруі байқалады. Организмдік деңгейде өсімдіктің жеке бөлімдерінде морфологиялық және физиологиялық зақымданулар байқалады. Оларға жапырақтардың некрозы, пішіндерінің өзгеруі, өркендердің қурап қалуы, өсімдіктің өсуінің баяулауы жатады. Зақымданған жапырақтарда жабын ұлпасы мен механикалық ұлпа, эпидермистің клеткалық қабаты әлсіз жетілген және кутикуласы жұқа болады. өндірістік ластанудың әсерінен дамудың толық циклы бұзылады [23].

Ауыр металдарды адсорбциялау әр өсімдік түрінде әртүрлі жүреді. Мысалы бұршақ тұқымдастары, шатырша гүлділер , крест гүлділер және тал тұқымдастарына жататын өсімдіктер қорғасынды аз жинайтыны анықталған, ал раушан гүлділер, күрделі гүлділер және шегіршіндер тұқымдасының өсімдіктері көп мөлшерде жинайды. Ауыр металдардың тұздары өсімдіктер клеткеларында хромосомаларды үзеді, яғни құрылымына әсер етеді [24].

Аллюминий, кадмий, теллур т.б. ауыр металдар жануарлар мен өсімдіктердің клеткаларында хромосомалық және генетикалық мутациялардың кең спектрін құрайтыны туралы көптеген мәліметтер бар [25]. Ауыр металдар өсімдіктер организмінде жинақталып, трофикалық тізбек арқылы тарала отырып, тірі организмдердің әртүрлі таксономиялық топтарына, оның ішінде адамға да зиянды әсер етеді [26, 27]. Ауыр металдардың тұздары бөліну кезеңінде хромосомалық аберрациялардың жиілігін 2 есе арттырады. Көп жылдық өсімдіктер, әсіресе дәнді дақылдар, құнды топырақтар мен өндірістік территорияларда табиғи түрде көптеп өседі [28]. Астық тұқымдастарының түрлері ағаш өсімдіктеріне қарағанда өндірістік газдардың әсеріне төзімді. Астық тұқымдастары ауыр металдармен көп мөлшерде ластанған территорияларда өсе алатындығы белгілі [29].

Ауыр металдар иондарының жоғарғы концентрациясы, хросома ішіндегі жеке органикалық байланыстардың поляризациясын тудырады. Бұл жағдайда барлық “ионды” мутациялар хромосомалардың үзілуімен сипатталады [30].

Мыс - өсімдіктердің тіршілігіне қажетті микроэлемент. Бірақ мыстың өсімдіктер организмінде артық мөлшерде жиналуынан тамыр системасының дамуы мен өсуінің тежелуі, өсімдіктердің жер үстіндегі бөлімдерінің баяу өсуі және жапырақ ұштарының бозаруы байқалады. Мыстың артық мөлшерінен туындайтын патологиялық өзгерістердің нәтижесінде мәдени өсімдіктердің өнімі күрт төмендейді [31].

Мырыш та өсімдіктер тіршілігіне қажетті микроэлемент қатарына жатады. Алайда, мырыштың жоғары концентрациясы өсімдіктерде жиналуы кері әсерін тигізеді. Бұл металдың улылығының бір себебі - өсімдіктерде өте интенсивті жиналуына байланысты. Әсіресе қызыл емен және кәдімгі шырша мырышты өте жылдам сіңірітіні сонша, тіпті бұл процестің жылдамдығы мен қоректік ортадағы мырыш мөлшері арасында тікелей байланыс орнайды. өсімдіктерде мырыштың көп жиналуынан некроз пайда болады, тамыр мен жер бетіндегі мүшелерінің өсуі баяулайды, жапырақтар солып қалады және ерте түседі [32].

Кадмийдің көп мөлшері автомобиль жолдары бойында өскен өсімдіктерде анықталған. Осындай жағдай қоршаған ортаны осы токсикантпен ластайтын өндірістердің жанында өскен өсімдіктерде де байқалады. Кадмийдің артық мөлшерінің жиналу белгілері өсімдіктердің жапырақтарының ұшы мен өркені қызыл- бурыл түске боялады. Жапырақтар жиырылып немесе түсіп қалады, өсімдіктердің өсуі баяулайды. Топырақта кадмий мөлшері 30 мг/кг–нан артса, өсімдіктер тіршілігін жояды. Кадмийдің көп мөлшері топыраққа мырыш рудаларын өндіру және өңдеу кезінде түседі [33,34]. Кадмийдің әсерінен өсімдіктердің өсуінің тежелуі-фотосинтез процесінің әлсіреуіне байланысты. 1кг жапырақта 96 мг кадмийдің болуы фотосинтез қарқындылығын 50% төмендетеді [35].