Накопление и трансформация загрязнений растениями и водорослями

С помощью растений и водорослей загрязнения могут быть обезврежены, а также извлечены различными путями в результате деградации, экстракции (накоплением, аккумуляцией), изолирования или иммобилизации.

Для образования 1 тонны фитомассы растения поглощают более 200 кг различных минеральных веществ. Растения могут также поглощать различные загрязнения и трансформировать их. Однако в отличие от микроорганизмов, растения способны минерализовать лишь ограниченное количество таких загрязнений, как органические ксенобиотики.

Все растения нуждаются в биогенных элементах, в том числе и ряде металлов, относящихся к жизненно важным (Fe, Zn, Cu, Мп, Мо, Со), и способны в той или иной степени извлекать тяжелые металлы из почв и водных сред. Однако растения различаются по своей способности извлекать металлы из среды и концентрировать их в листьях и стеблях. Растения, устойчивые к высоким концентрациям металлов и накапливающие повышенное их количество, относят к аккумуляторам металлов, в сверхвысоких концентрациях — к гипераккумуляторам (металлофитам), а накапливающие селективно отдельные металлы -к растениям-индикаторам. Существует группа растений, содержащих металлы в концентрациях более низких, чем их фоновое содержание в среде.

По способности накапливать и метаболизировать органические ксенобиотики растения также существенно различаются. Разница в скорости поглощения и трансформации, уровне их накопления составляет от нескольких миллиграммов до нескольких сотен миллиграммов на I кг зеленой массы в сутки.

Менее чувствительны к загрязнениям растения, которые способны накапливать загрязнения в повышенных количествах и трансформировать.

Способность растений накапливать загрязнение часто характеризуют коэффициентом биологического поглощения Kб(коэффициентом биоаккумуляции, концентрирования). Кб равен отношению концентрации загрязнения в тканях растения к концентрации его в окружающей растение среде. Коэффициент биоаккумуляции зависит от вида растения, условий окружающей среды (рН, содержание кислорода, жесткость воды и др.) и свойств загрязнения. Различные части растения характеризуются неодинаковыми значениями Кб.

В экосистеме растения выделяются наземная часть — стебли и листья, поверхность которых называется филлосферой, и корневая система. Поверхность корневой системы с почвой, прилегающей к корням, составляет ризосферу, а непосредственно поверхность корней — ризоплану.

Транспорт загрязнений из окружающей среды в растения определяется совокупностью отдельных процессов, например, в почве обменом между твердыми частицами почвы, почвенным раствором, корневой системой, транспирационным потоком из корней в стебли и листья.

Проникновение загрязнений в растения (транслокационный перенос) происходит в основном через корни и листья. Для поступления в корни ксенобиотики должны проникнуть только через клеточную стенку, не имеющую кутикулы (компонент защитной стенки эпидермиса — покровной ткани растений), в то время как в листья они проникают через устьице или кутикулу эпидермиса, поэтому в корни ксенобиотики поступают менее селективно, чем в листья. Загрязнения, попавшие в растения через корневую систему, переносятся в наземные части растений.

Умеренно гидрофобные органические загрязнения (коэффициент распределения октанол—вода lgKow= 1,0—3,5), такие как ВТЕХ-соединения, хлорсодержащие растворители, алифатические соединения с короткой длиной углеродной цепи, некоторые пестициды способны относительно легко проникать и транспортироваться в растения. Гидрофобные соединения с lgKow > 3,5, такие как ПАУ с числом конденсированных ароматических колец более трех, очень прочно связаны с частицами почвы или поверхностью корней. Они могут трансформироваться в корневой системе, однако их транслокация в другие части растения затруднена. Большинство водорастворимых токсикантов (lgKow < 1,0) плохо сорбируются корнями, их транспорт через мембраны клеток растений ограничен. Трэвисом и Армсом (Travis, Arms, 1988) для ряда растений и загрязняющих веществ была установлена следующая зависимость Кб (в пересчете на сухую фитомассу) от Kow:

k-form

В условиях стресса, нарушающих мембранный барьер, степень проникновения органических загрязнений в растения повышается.

Вследствие ограничений поступления через мембрану органические загрязнения полностью не потребляются растениями из почвенного раствора, грунтовых или поверхностных вод. Если скорость поступления, деградации или сорбции загрязнений растениями меньше скорости транспирационного потока, наблюдается концентрирование поллютантов в окружающей среде. Такое явление может наблюдаться, в частности, при фиторемедиации грунтовых вод, в воде, поступающей с гидроботанических площадок.

Органические ксенобиотики, поступившие в ткани растений, могут обезвреживаться и депонироваться в результате связывания с клеточными компонентами или лигнификации, а также испаряться через поверхность листьев или метаболизироваться растением. Продукты трансформации ксенобиотиков могут оставаться в растении, испаряться или экскретироваться в почву и в дальнейшем метаболизироваться различными почвенными микроорганизмами.

Легче всего растения извлекают металлы, находящиеся в виде свободных ионов и растворимых комплексов в почвенных растворах. Растения также могут извлекать ионы металлов, связанные с ионообменными группами минерального вещества почвы и адсорбированные на неорганических почвенных составляющих. Металлы, связанные с органическим веществом, а также осажденные или нерастворимые соединения металлов, особенно оксиды, карбонаты и гидроксиды, труднодоступны растениям. Растения, произрастающие на осушенных заболоченных почвах, богатых слаборазложенными органическими веществами с высоким содержанием меди, цинка и марганца, часто испытывают физиологический дефицит этих металлов. Металлы в составе силикатных минералов, характеризующие фоновое содержание их в среде, недоступны растениям.

Металлы в растения могут поступать в результате пассивного переноса по градиенту концентрации и активного поглощения клеткой против градиента концентрации. Активное поглощение происходит с затратой энергии, связано с аэробным дыханием растения, возрастает при увеличении содержания в корнях углеводов и улучшении обеспеченности кислородом и, как правило, селективно. Пассивное поступление осуществляется в результате процесса транспирации. При переносе металлов при их низких концентрациях в почвенном растворе преобладает активное поглощение, при высоких — пассивное поступление.

В поступлении металлов в растения основную роль выполняет корневая система. Незначительное количество микроэлементов может поступать через листья из атмосферных осадков. Возможен и процесс выделения растениями металлов, первоначально адсорбированных корнями, через зеленые части растений в составе фитонцидов, а также вместе с субмикронными восковыми частицами, выделяемыми растениями, или с солевыми частицами, образующимися при испарении влаги, высвобождаемой при быстрой транспирации. Известно, что 1 м2 листьев деревьев может выделять до 9 г цинка в год в составе терпенов.

Металлы проникают через корни в растворимой форме — в виде свободных ионов или комплексных соединений. Первичное поглощение катионов металлов из почвенного раствора осуществляется эпидермисом корня с корневыми волосками в результате диффузии к поверхности корня и обменной адсорбции на отрицательно заряженных группах полигалактуроновой кислоты, пектиновых и других веществ, локализованных в паренхиме корня. Паренхима, включающая клеточные стенки коры корня и межклеточное пространство, занимает не более 10% объема корня. Диффундирующим молекулам воды и ионам она оказывает лишь слабое сопротивление. У молодых корней и у двудольных растений катионообменная емкость паренхимы выше, чем у старых корней и однодольных растений.

Адсорбированные в проницаемом пространстве корня ионы поступают через клеточную стенку в эндодерму (внутренний слой клеток коры) и далее к другим клеткам растений. Поступление возможно двумя путями: апопласти-ческим (по апопласту, включающему клеточные стенки и межклетники) или симпластическим (по симпласту, состоящему из плазмодесм — межклеточных тяжей в зоне контакта протопластов прилегающих клеток и имеющих мембранную структуру). Из эпидермиса в клетки эндодермы ионы металлов поступают симпластически, а апопластический, диффузионный транспорт играет второстепенное значение и существен лишь при одревеснении клеток эпидермиса, т. е. в старых частях корня. Установлено, что симпластический транспорт металлов внутри эндодермы лимитирует скорость дальнейшей транслокации металлов в стебли и листья.

Свободному проникновению ионов непосредственно в протоплазму и вакуоль растительных клеток препятствует плазмалемма, отделяющая цитоплазму от клеточной стенки. Аналогичное препятствие представляет тонопласт, отделяющий вакуоль от цитоплазмы. Большинство ионов металлов, необходимых для жизнедеятельности растительных клеток, проникают в цитоплазму с помощью специфических или общих каналов и переносчиков. Металлы, не имеющие значения для физиологии растений, также могут переноситься этими же переносчиками, поэтому многие тяжелые металлы могут проникать через клеточную стенку даже против градиента концентрации. Так, Ni и Cd могут проникать в клетки растения теми же путями, что и биогенные элементы Си и Zn, конкурируя с последними за один и тот же трансмембранный переносчик. В составе металлохелатных комплексов металлы могут быть перенесены по плазмодесме и через плазматическую мембрану с помощью специфических носителей. Примером такого переноса является Fe-фитосидерофорный транспорт у травянистых растений.

После проникновения в корневую систему ионы металлов могут оставаться там или перемешаться в наземные части растений. Транспорт металлов проходит по ксилеме (сосудистой системе, обеспечивающей транспорт веществ из корневой системы в другие части растения). Вместе с тем ионы металлов могут быть перемещены и через флоэму (сосудистая система, обеспечивает транспорт веществ из наземной части растения в корни). Ксилема и флоэма, как правило, не связаны друг с другом, и даже в клетках листа они разделены. В дневное время преобладает транспорт ассимилированных веществ по ксилеме в наземные органы растений, ночью — поступление их к корням по флоэме.

Клеточные стенки ксилемы имеют высокую катионообменную емкость, которая замедляет движение катионов металлов. Сок ксилемы содержит ионы калия, кальция, магния, фосфаты, нитраты, сульфаты, а также органические кислоты, аминокислоты, сахара. Концентрация питательных веществ в ксилеме в значительной степени обусловливается физиологическим состоянием растения и достигает максимума в фазе цветения. При низких концентрациях питательных веществ в почвенном растворе скорость их передвижения по ксилеме мало зависит от интенсивности транспирации и лимитируется поступлением через клеточную стенку корня в ксилему. При высокой концентрации в почвенном растворе передвижение ионов по проводящим сосудам ксилемы, как правило, возрастает с усилением транспирации. Движение металлов по ксилеме происходит легче в виде металлохелатных комплексов. У некоторых растений-металлоаккумуляторов в транспорте металлов участвуют органические кислоты.

Сок флоэмы богат органическими соединениями, из которых около 90% составляют сахароза и другие углеводы, синтезируемые в листьях в процессе фотосинтеза. В переносе по флоэме Zn, Co, Ni и Cu участвует никотинамид, включенный во флоэмный транспорт железа, белки-тионеины, пептиды-фитохелатины типа глутатиона, богатые цистеином, и другие соединения. Часть металлов может накапливаться в вакуолях клеток растений.

Способность растений поглощать загрязнения и трансформировать их используется в методах фиторемедиаиии: фитоэкстракции, фитодезактивации, фитодеградации, фитотрансформации, фитоиспарения.

Применение ряда других методов фиторемедиаиии обусловлено процессами трансформации веществ, протекающими в ризосфере.

Ризосфера — ключевая зона питания растений. Образование корневых выделений (корневых экссудатов), корневое дыхание (поглощение O2 и выделение СO2), выделение ионов Н+, потребление воды и элементов питания — процессы, которые протекают в этой зоне и модифицируют почвенную среду, изменяют подвижность минеральных элементов, активность микроорганизмов.

Ризосфера изобилует органическим веществом, которое поступаете корневыми экссудатами и отмершими частями корней — корневым опадом. Выделения из корней могут составлять от 5 до 30% от вещества, образованного в ходе фотосинтеза. Количество и состав экссудатов меняется в зависимости от сезона, возраста и вида растений, характера стрессовых воздействий на растения. При недостатке микроэлементов в почве растением выделяется ряд соединений, повышающих подвижность микроэлементов.

В корневых выделениях различают диффундируемые (водорастворимые) и недиффундируемые (нерастворимые) соединения. У молодых растений пшеницы из углерода, поступающего в корни, 1—2% выделяется в почву, из которых 0,2—0,4% — в виде водорастворимого экссудата и 0,8—1,6% — в виде нерастворимых слизистых веществ. Общее количество освобождаемого органического материала может достигать 4-8 мг на 1 мг сухих корней. Растворимые корневые экссудаты содержат сахара (около 50%), органические кислоты (около 40%), аминокислоты, фенольные соединения, бензойную кислоту, витамины, тиофепы и др. Недиффундируемые экссудаты представляют собой слизь (муцигель) с высоким содержанием полисахаридов (около 95%). Толщина прикорневой слизи достигает нескольких миллиметров. Она может содержать пектин, гидратированный полисахарид (М 107-108) содержащий уроновую кислоту, галактозу, арабинозу, ксилозу, фруктозу и другие сахара. На этой слизи активно сорбируются гидроксиды металлов, прежде всего железа.

Образующиеся в почве полисахариды могут взаимодействовать с частицами глины и участвовать в стабилизации почвенных агрегатов. Слизистые экссудаты цементируют почвенные частицы, защищают агрегаты от разрушения в воде. Особенно существен вклад полисахаридов в стабилизацию почвы под однолетними культурами в летнее время. Полисахариды, присутствующие в анаэроб ных почвах, в результате закупорки почвенных пор могут снизить проницаемость почв и, как следствие, затруднить рост растений.

Корневые выделения влияют на миграцию различных элементов. Они содержат хелаты (сидерофоры), способствующие растворению плохо растворимых фосфатов, соединений микроэлементов (железа и других металлов). В результате образования комплексов полисахаридов с тяжелыми металлами подвижность последних может уменьшиться.

В прикорневой зоне растений обитают разнообразные микроорганизмы: бактерии, плесневые грибы и др. В ризосфере бактерий в десятки и сотни раз больше, чем в зоне, удаленной от корней (так называемый ризосферный эффект). Чем беднее почва, тем сильнее выражен ризосферный эффект.

Бактерии ризосферы синтезируют тиамин и другие витамины, ростовые вещества (фитогормоны) — гиббереллин и гетероауксин, ингибиторы многих фитопатогенных микроорганизмов; разрушают органические и минеральные соединения; повышают эффективность использования растением минеральных веществ почвы. В ризосфере наиболее интенсивно протекают азотфиксация, биотрансформация и биодеградация многих загрязнений микроорганизмами.

Эффективность деятельности ризосферных микроорганизмов по отношению к корню уменьшается пропорционально расстоянию от корня.

Важной особенностью корневой экосистемы растений является образование микоризы — симбиотической ассоциации мицелия микоризных грибов и ткани корня. Микориза играет важную роль в так называемой «ризосферной биоремедиации». Мицелиальные микоризные грибы, образующие симбиоз с корневой системой, улучшают почвенную структуру, защищают растения от фитотоксичных органических соединений, вовлекая их в свой метаболизм, связывают ионы тяжелых металлов, способствуют мобилизации и переносу питательных веществ, в частности фосфора, непосредственно к корням растения, используя часть необходимого им органического углерода, синтезированного растением.

В прикорневой зоне в результате абсорбции ионов клетками корней наблюдается изменение рН, что влияет на скорость удаления СO2 из почвенного раствора и на подвижность элементов. В почвах, удобренных нитратами, рН увеличивается, а при использовании аммонийных минеральных удобрений — понижается. Фиксация азота клубеньковыми бактериями также вызывает снижение рН в ризосферной зоне, в результате чего повышается растворимость фосфатов и других питательных веществ прикорневой зоны, а также таких загрязнений, как тяжелые металлы.

Растения влияют и на водный баланс в почвенной среде. На создание 1 т растительной массы расходуется от 50 до 1000 т и более почвенной воды. При этом основная масса воды (до 99%) расходуется на ее перенос из прикорневой зоны в наземную часть растения (транспирацию) для компенсации потерь водяных паровлистьями на испарение (эвапорацию). Лишь около 1% воды растение расходует в реакции фотосинтеза. При транспирации и эвапорации (в совокупности — эвапотранспирации) растениями удаляется основная масса воды из почвы. Вместе с потоком воды в ризосферу переносятся загрязнения, что уменьшает миграцию их в почвенной среде из прикорневой зоны. С другой стороны, разрыхляя почву, корни растении увеличивают гидравлическую проводимость и воздухопроницаемость, что создает условия для миграции в глубь почвы различных веществ, в том числе и загрязняющих.

Растительный покров, особенно травянистый, и опад защищают почву от эрозии, сокращают потери воды испарения и не препятствуют инфильтрации, что повышает долю осадков, доступных растениям.

Важное требование к растениям, используемым для фиторемедиации, — их устойчивость к токсическому действию повышенных концентраций загрязнений, в частности тяжелых металлов. Тяжелые металлы нарушают фотосинтез, дыхание и другие процессы растений, причем процессы фотосинтеза чувствительнее, чем процессы дыхания. Ионы ртути и меди ингибируют фотосинтез в концентрации 10-8 моль/л, другие металлы — в концентрациях 10 -7—10 -5 моль/л.

Растения отличаются специфичностью по устойчивости к индивидуальным металлам. В одних растениях их накопление вначале стимулирует жизнедеятельность растения и его продуктивность, затем угнетает и в конце концов вызывает его гибель. В других растениях при достижении определенного уровня концентрации элемента начинают действовать механизмы, препятствующие дальнейшему его поглощению. Ограниченное поглощение характерно преимущественно для зеленых опадающих частей и репродуктивных органов растений, а неограниченное — для корней, узлов стеблей злаков, коры и иногда древесины стволов деревьев.

В целом у растений выделяют два пути снижения токсичности металлов. Первый путь — ограничение поступления металла внутрь растения (исключение), второй — детоксификация металла внутри растения (толерантность). Механизмы исключения — иммобилизация металлов на клеточных стенках, осаждение металлов в прикорневой зоне и связывание в ризосфере с корневыми выделениями и микоризой. Например, свинец может осаждаться корневыми экссудатами сначала в виде фосфата, а затем накапливаться в клеточных стенках корня в виде РЬСO3, образующегося под действием СO2 воздуха.

Механизмы детоксификации металлов — связывание с клеточными стенками, ограничение транспорта к побегам, транспорт, компартментализация и хранение в вакуолях. Глутатион и другие богатые цистеином пептиды, белки, органические кислоты, синтезируемые в растениях в ответ на воздействие тяжелых металлов, способны осуществлять фитохелатирование, связывать и детоксифицировать тяжелые металлы. Например, цинк может осаждаться в виде фитата. Другой механизм толерантности заключается в изменении ферментативной активности и мембранной проницаемости клеток растений. Так, в некоторых растениях-эндемиках на загрязненных тяжелыми металлами почвах синтезируются фосфатазы клеточной стенки, обусловливающие устойчивость к тяжелым металлам. Пример компартментализации в вакуолях — накопление цинка в вакуолях клеток табака (Nicotiana tobacum), ячменя (Hordeum), в корнях и наземных побегах аккумулятора Zn — альпийской ярутки. Кадмий также аккумулируется в вакуолях в виде соединений с цистеинсодержащими пептидами. В корнях горчицы большая часть Cd связана с серосодержащей группой в фитохелатинах.