Аналіз активності каталази і вмісту пероксиду водню у проростків пшениці за росту на субстратах породних відвалів вугільних шахт з внесенням золи ТЕС як меліоранта
Львівський
національний університет імені Івана Франка
Кафедра
фізіології та екології рослин
Курсова
робота на тему:
Аналіз
активності каталази і вмісту пероксиду водню у проростків пшениці за росту на
субстратах породних відвалів вугільних шахт з внесенням золи ТЕС як меліоранта
Львів
- 2014
ЗМІСТ
ВСТУП
.
ОГЛЯД
ЛІТЕРАТУРИ
.1
Опис
і рекультивація породних відвалів як антропогенно - порушених територій
.1.1
Лісова рекультивація
.1.2
Природне заростання відвалів
.1.3
Фітомеліорація породних відвалів вугільних шахт
.2
Активні
форми кисню - сигнальні молекули для адаптаційного процесу
1.2.1
Значення
пероксиду водню в рослинних організмах
.3
Антиоксидантна
система у рослин
.3.1
Каталаза,
як високомолекулярний антиоксидант в рослині
.4
Вплив
важких металів і кислотності на фотосинтетичний апарат рослин
.
ОБ’ЄКТИ,МЕТОДИ
ТА УМОВИ ПРОВЕДЕННЯ ДОСЛІДЖЕНЬ
.1
Характеристика породного відвалу
.2
Об’єкт дослідження
.3
Схема досліду
.4
Визначення морфометричних параметрів
.5
Визначення вмісту пероксиду водню
.6
Визначення активності каталази
.7
Визначення концентрації білку
.
РЕЗУЛЬТАТИ
ДОСЛІДЖЕНЬ ТА їхнє БГОВОРЕННЯ
.1
Морфометричні показники проростків пшениці за дії витяжок із порід
.2
Визначення активності каталази у проростках пшениці за дії водних витяжок з
порід каталаза
пшениця відвал меліорант
3.3
Визначення
вмісту пероксиду водню у проростках пшениці за дії водних витяжок з порід
ВИСНОВКИ
СПИСОК
ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ
ВСТУП
Вугільна промисловість почалася в
Англії, бурхливо розвивалася у Німеччині, а перша шахта у Донбасі з'явилася у
1795 році і цим роком датується початок української кам'яновугільної галузі. За
роки експлуатації Донбас дав людям десятки мільярдів тонн "чорного
золота". Із появою вугільних шахт почали створюватися насипи ґрунту породного
відвалу - терикони.
Терикон - насип конічної форми з
відвалу (порожніх гірських порід), які витягаються з шахт в ході видобування
вугілля або руди. З нього вилуджується понад 8 тонн солей, в тім числі сполуки
шкідливих для здоров'я важких металів - кадмію, ртуті, тощо. Всі ці речовини та
їх сполуки створюють навколо терикону зону безплідної пустелі. Одним із таких
породних відвалів є терикон ЦЗФ ЗАТ “Львівсистеменерго” біля сумнозвісного
с.м.т. Соснівка. Вміст піриту у ґрунті даного породного відвалу складає 1%.
Тіонові бактерії (аеробні мікроорганізми) розкладають цей сірковмісний мінерал
з виділенням елементарної сірки. Сірка має здатність самозайматися при
концентрації 286 грамів в кубометрі повітря. Якщо кількість сірки менша
вищезазначеної, тоді займання не відбувається, але процес розкладання піриту
супроводжується утворенням концентрованої сірчаної кислоти, яка займає велику
площу поверхні відвалу і постійно кипить при температурі приблизно 350Со. Цим
зумовлена така висока кислотність не лише на териконі, але і у стічних водах.
Метою нашої роботи було
проаналізувати активність каталази і вмісту пероксиду водню у етиольованих
проростках пшениці на субстратах породних відвалів вугільних шахт для
подальшого використання отриманих результатів у практиці визначення стійкості
рослин за цими показниками.
1. ОГЛЯД ЛІТЕРАТУРИ
.1 Опис і
рекультивація породних відвалів як антропогенно порушеної території
Добування корисних копалин спричиняє
руйнування значних площ земної поверхні та знищення ґрунтового і рослинного
покриву. Відвали, кар'єри та інші девастовані ділянки забруднюють продукти
водної та вітрової ерозії прилеглі сільськогосподарським угіддям, лісові
масиви, водотоки і населені пункти. Територія, яка зазнала такого негативного
впливу, в десять разів перевищує площу порушених ділянок [6]. Внаслідок
розробок корисних копалин виникають техногенні рельєфи. На поверхні залишаються
відвали породи, вона набуває нерівного горбистого чи котловинного характеру.
Підземне добування вугілля майже у
всіх випадках здійснює вплив на природу в однакових напрямках, але з різним
ступенем девастації. Лише технологія видобутку вугілля з повним закладанням
виробленого простору дає змогу уникнути породних відвалів, хоча для покриття
дефіциту закладного матеріалу його доводиться добувати відкритим способом у
спеціальних кар'єрах або із старих відвалів шахтної породи чи шлаків [17].
У країнах СНД найбільші території,
порушені гірничодобувною промисловістю, зосереджені в таких промислових районах
як Донбас, Криворіжжя, Підмосковський басейн, Приамурський басейн, Курська
магнітна аномалія, Південний і Середній Урал, Кузбас та ін. Для вирішення
екологічних проблем,пов'язаних із добуванням корисних копалин, функціонують
наукові центри, які розробляють і впроваджують у виробництво науково-прикладні
принципи рекультивації, придатні для місцевих умов.
Рекультивація - штучне відновлення
родючості ґрунтів і рослинного покриву після техногенного порушення природи.
Рекультиваційні заходи рекомендують
[7], проводити у три етапи: підготовчий, гірничо-технічний та біологічний.
Перший етап передбачає обстеження порушеної території, вивчення її специфіки,
на основі чого визначається напрям рекультивації та цільове використання
рекультивованих земель, вибираються методи роботи. На другому етапі
відбувається раціональне формування поверхні відвалів, нанесення ґрунтосумішей.
Третій етап наближає рекультивовану територію до цільового використання шляхом
відновлення родючості порушених земель.
Серед багатьох напрямків
рекультивації [19], лісова рекультивація є найпоширенішим способом освоєння
девастованих ландшафтів.
.1.1Лісова
рекультивація
Лісова рекультивація земель
передбачає створення на відпрацьованих відвалах розкривних порід лісових
насаджень різного типу. Переважно вона поширена в лісовій зоні під час освоєння
порушених земель (відвалів, кар’єрів) незначної площі, складених придатними і
малопридатними породами.
Дослідження із рекультивації
порушених земель були розпочаті у 1948-1951 рр. в інституті лісівництва АН
УРСР. Це були спроби озеленення териконів Донбасу [19]. Породи винесені на
поверхню, якими складені терикони Донбасу, складаються із глинистих і
піщано-глинистих сланців. Вони дуже кислі, але багаті на органічні речовини і
містять значну кількість рухомих сполук азоту, фосфору і калію. Їх потенційній
родючості перешкоджає присутність в породах піриту, який, окислюючись, утворює
сірчані окисли, солі сірчаної кислоти та інші сполуки, що негативно впливають
на ріст і розвиток рослин.
Великий практичний досвід із
озеленення териконів Донбасу нагромаджений Донецьким ботанічним садом АН
України [11]. Озелененню териконів деревною рослинністю стоїть на заваді висока
температура субстрату, яка на півтораметровій глибині змінюється від 63 °С в
підніжжі до 157-161 °С на вершині. Значно розвинена капілярність призводить до
швидкого висушування верхнього шару субстрату та його інтенсивного
розтріскування. Визначення придатності рослин для фітомеліорації териконів лише
на основі чутливості до екологічних чинників, без врахування морфологічних
особливостей, не завжди ефективне. В даних умовах, маючи кращі ксеро-, гало- та
ацидофільні властивості, рослини з поверхневою кореневою програють рослинам з
глибокою кореневою системою.
Спеціальні десятирічні дослідження
допомогли Б.І. Логгінову [15] дійти висновку, що вплив несприятливих умов на
териконах вугільних шахт Донбасу можна подолати шляхом ретельного підбору
стійких деревних і чагарникових порід, проведенням спеціальних заходів із
покращення умов місцезростання. Сутність способу заліснення кам'янистих
відвалів полягає у садінні на них однорічних дрібних приземистих сіянців з
добре розвиненою кореневою системою при мінімальному порушенні поверхневого
дрібно-зернистого шару. Необхідними є полив і внесення мінеральних добрив.
А.П. Травлєєв [24] із
співробітниками [1, 8] протягом 25 років вивчають техногенні зміни чинників
довкілля в Західному Донбасі, розробляють теоретичні основи і методи створення
стійких і довговічних лісових екосистем на порушених промисловістю землях. На
експериментально-виробничих ділянках лісової рекультивації породних відвалів
шахт проводяться стаціонарні дослідження компонентів біогеоценозів. Особливого
значення надають вивченню первинного ґрунтоутворення, генезі та еволюції
еталонних і деструктивних ґрунтів на основі комплексу біоекологічних,
фізико-хімічних, макро- і мікроморфологічних методів, виявленню особивостей
матеріально-енергетичного обміну, біогеохімічних циклів елементів живлення,
швидкості біологічного кругообігу речовин.
1.1.2
Природне
заростання відвалів
Видовий склад рослин, які
з'являються при природному заростанні, визначається природно-кліматичними
чинниками та водно-фізичними властивостями відвальних субстратів [3]. Контрасти
на експозиціях схилів і складний мікрорельєф спричиняють виникнення локальних
мікрокліматів, асиметричний розвиток явищ вивітрювання, розподілу та акумуляції
тонко дисперсних продуктів вивітрювання, тому створюється певна сукупність
екологічних ніш з різними режимами зволоження, теплозабезпечення і ґрунтового
живлення, зумовлюючи неоднорідність в таких ландшафтах сукцесій рослинності.
Сукцесіями називають послідовну
необоротну й закономірну зміну одного біоценозу іншим на певній ділянці
середовища. Теорію сукцесій спочатку розробляли геоботаніки, але потім стали
широко використовувати й інші екологи. Одним з перших теорію сукцесій розробив
Ф. Клементс і розвив В.Н. Сукачов [23].
Термін було введено Ф. Клементсом
який передбачає незворотність рослинних змін, їх спрямування. Основною причиною
зміни фітоценозів є зміна середовища внаслідок життєдіяльності рослин, які
входять до їх складу. Розвиток фітоценозів автор концептуально аналогізував із
онтогенезом організму з урахуванням серійних і моноклімаксових стадій.
Однією з основних особливостей
сукцесій є поступове сповільнення темпів зміни фітоценозів, внаслідок чого
послідовний ряд їх завершується відносно стійким фітоценозом. Весь ряд
угруповань, від піонерного, нестійкого, до відносно сталого,Ф. Клементс назвав
серією, а окремі етапи розвитку сукцесій - серійними стадіями.
Поширеною є класифікація В.М.
Сукачова [23], де сукцесії систематизовано за причинами, які їх зумовлюють:
автогенні (сингенетичні, ендогенетичні, філоценогенетичні) та екзогенні
(гологенетичні та локальні катастрофічні) сукцесії.
С.П.Жуков [16], вивчаючи сукцесійну динаміку
рослинності відвалів вугільних шахт Донбасу, виявив 262 види судинних рослин,
які належать до 177 родів та 49 родин. З них самостійно на відвалах поселяються
244 види. Стосовно систематичної структури флори породних відвалів, відділ
Pinophyta представлений двома видами одного роду і родини, які потрапляють на
відвали внаслідок рекультиваційних заходів.
Рослини, які поселяються на породних
відвалах, можуть зазнавати значних змін: варіювання розмірів від карликовості
до гігантизму, скорочення онтогенезу, зміни у фенології та інші. Умови
едафотопу породних відвалів не мають аналогів у природі, рослинного покриву на
них немає, тому відбувається формування нової флори [4].
.1.3 Фітомеліорація
породних відвалів вугільних шахт
Інтенсивне промислове освоєння
Червоноградського гірничопромислового району істотно змінило
соціально-економічний стан регіону, і, водночас, спричинило негативні зміни
складеного тут природного комплексу: осідання земної поверхні, її підтоплення і
заболочення, забруднення поверхневих та підземних вод, вилучення, і деградацію
сільськогосподарських земель, виснаження водоносних горизонтів, інтенсивне
утворення відвалів, зменшення лісистості [22]. Тому важливою є постійна увага
до техногенних екосистем, оздоровлення яких може бути здійсненим за допомогою
фітомеліорації [14].
Фітомеліорація полягає у
дослідженні, прогнозуванні та використанні рослинних систем для покращення
геофізичних, геохімічних, біотичних, просторових та естетичних характеристик
довкілля, проектуванні та створенні штучних рослинних угруповань із
властивостями, здатними активно змінювати фізичне середовище[14, 13].
Ю.П. Бяллович [5], класифікуючи
лісові культури за їх призначенням, виділяє три категорії фітомеліорантів: 1)
спеціальні,де зовсім виключається господарська діяльність, спрямована на
одержання продукції; 2) продукційні, де фітомеліоративні функції виконують без
шкоди для головного продукційного використання; 3) рудеральні - спонтанна
рудеральна рослинність. Змінюючи в процесі росту морфоструктуру, рослини перетворюють
геофізичну конструкцію фітоценозу, починаючи зміни у ланцюгу перетворень.
1.2 Активні форми кисню - сигнальні
молекули для адаптаційного процесу
Утворення та нагромадження активних
форм кисню (АФК) відіграє важливу роль, вони є високотоксичними інтермедіатами,
а також регуляторами метаболічних процесів і захисних реакцій. У ланцюгу
вільнорадикального окиснення першими звичайно з'являються АФК - супероксидний
аніон-радикал О2- та синглетна форма кисню О2, гідроксильний радикал ОН+,
пероксид водню Н2О2. Вони дають початок низці інших радикалів - окиснених
галогенів (СlО - гіпохлорит), оксидів азоту (N0 - оксид азоту), ініціюють
вільнорадикальне пероксидне окиснення ліпідів. Проте антиоксидантні системи
обмежують їх активацію, перешкоджають продовженню та розгалуженню ланцюгів
вільно радикального окиснення, підтримують про- та антиоксидантну рівновагу в
межах норми реакції. Зсув рівноваги в бік прооксидантів вважають
найінформативнішим показником для оцінки ступеня впливу різних факторів на
організм. Залежно від інтенсивності оксидного стресу рослини можуть активувати
гени захисту клітини чи програмовану смерть клітини.
1.2.1 Значення водню пероксиду в
рослинних організмах
Нагромадження активних форм кисню
(АФК), до яких належить Н2О2, вважається однією з ключових реакцій рослинних
клітин на дію стресових факторів [27].
Активні форми кисню можуть викликати
пригнічення розвитку патогена в інфікованій клітині і локальну загибель клітин
рослини-живителя у разі гіперчутливої реакції. АФК здатні "вмикати" метаболічні
сигнальні мережі, які закінчуються експресією генів захисних білків і ферментів
синтезу фітоалексинів і, як наслідок, руйнувати патогенні мікроорганізми та
віруси [12].
Роль утворення АФК у реакціях рослин
на абіотичні стресові чинники досліджена меншою мірою. Проте, відмічено
підвищення стійкості рослин під дією саліцилової кислоти і Н2О2 до теплового та
сольового стресу [10].
Взаємодія рослин із патогенами
супроводжується значними змінами в окисних реакціях, що призводить до утворення
різних форм активного кисню, до яких відноситься і водню пероксид, що відіграє
важливу роль у захисті рослин. Пероксид водню окислюючи залишки тирозину (при
цьому утворюються вільні радикали залишків тирозину) в білках клітинної стінки,
викликає їх зшивку з утворенням дитирозинових містків. АФК відіграють важливу
роль у виявлені реакції гіперчутливості.
Первинна форма АФК - супероксидний
аніон-радикал О2-∙, джерелом якого є НАДФ-оксидаза плазматичної мембрани.
Із О2-∙ утворюється Н2О2 під дією ферменту супероксиддисмутази.
Аніон-радикал в рослинних клітинах утворюються за участю пероксидаз клітинної
стінки. В умовах залуження позаклітинного середовища, яке відбувається при
впізнані патогена клітиною, одноелектронне окиснення НАД за участю пероксидаз
призводить до утворення НАД∙- радикалів, які самовільно окислюють О2.
Пероксид водню утворюється за участю оксалатоксидази, аміно- і
поліамінооксидази, ксантин- і альдегідооксидази [21].
Певна кількість АФК утворюється при
нормальному функціонуванні всіх клітинних систем, включаючи мітохондрії,
хлоропласти, пероксисоми, ЕПР, клітинну стінку [9]. Електронно-транспортні
ланцюги хлоропластів, мітохондрій, ядерних мембран - джерела АФК [26].
Отже, вільні радикали - це нормальні
метаболіти клітин, які мають важливе значення у життєдіяльності рослинних
організмів [20].
1.3 Антиоксидантна
система у рослин
1.3.1 Каталаза, як
високомолекулярний антиоксидант в рослині
Каталаза - фермент, виявлений у
клітинах практично усіх аеробних організмів. Поряд з розкладанням пероксиду
водню і тим самим захистом клітини від його токсичного впливу, фермент
каталізує цілу низку метаболічно важливих реакцій [18].
Молекула типової каталази
складається з чотирьох ідентичних субодиниць, кожна з яких як кофактор містить
залізопорфіриновий комплекс. У клітинах еукаріот каталаза локалізована у
пероксисомах та гліоксисомах. Пероксисоми - обмежені елементарною двошаровою
мембраною органели. Існують дві моделі біогенезу пероксисом. Одна з них
передбачає відгалуження від ендоплазматичного ретикулуму. Згідно з другою, -
нові пероксисоми утворюються під час поділу, який наступає після росту
передіснуючих органел. Гліоксисоми - спеціалізована форма пероксисом, містять
ферменти метаболізму запасів ліпідів. У запасних тканинах насіння, що
розвивається, біля 80% каталазної активності знайдено у гліоксисомах. Каталазу
виявлено також у цитозолі, причому в насінні Castor been фермент виділений з
цитозолю.
Фізіологічна роль каталази. Каталаза
- компонент комплексного ферментативного захисту організму від токсичних сполук
кисню. Аеробний спосіб існування забезпечує організму великі переваги поряд зі
значною небезпекою в разі порушення захисних механізмів. Цілковите відновлення
кисню до пероксиду водню потребує витрати чотирьох електронів і у цьому процесі
нараховується декілька послідовних інтермедіатів, токсичних для живої клітини,
якими є: ًàنèêàë
ٌَïهًîêٌèنàي³îيà, ًàنèêàë
م³نًîêٌèëَ,
ïهًîêٌèن
âîني.
شهًىهيٍè
àيٍèîêٌèنàيٍيîمî
çàُèٌٍَ: ٌَïهًîêٌèننèٌىٍَàçà,
êàٍàëàçà, ïهًîêٌèنàçà
ن³ٍü ےê ٌèëüي³ ًàن³îïًîٍهêٍîًè,
ïًèéىà÷è َ÷àٌٍü َ âèëَ÷هيي³ êèٌيهâèُ
ىهٍàلîë³ٍ³â ٍà
â³ëüيèُ ًàنèêàë³â.
خٍوه,
ٌَïهًîêèننèٌىٍَàçà ٍà
êàٍàëàçà
ٌٍàيîâëےٍü
ïهًّî÷هًمîâèé
³يٍهًهٌ
نëے
ًàن³àِ³éيî؟
ُ³ى³؟, ل³îëîم³؟
ٍà ٍهًàï³؟, çن³éٌي÷è
çàُèٌٍ êë³ٍèيè
â³ن ّê³نëèâî؟
ن³؟ ³îي³çَ÷î؟
ًàن³àِ³؟
يà ؤحت, ىهىلًàيè,
ل³ëêè, ³يّ³ ô³ç³îëîم³÷يî
àêٍèâي³
ًه÷îâèيè
³ ïîًَّهيü,
ùî âèيèêàٍü
âيàٌë³نîê ِüîمî
êë³ٍèييîمî
ىهٍàلîë³çىَ.
ہêٍèâي³ٌٍü
êàٍàëàçè. كê
ïًàâèëî, âى³ٌٍ
êàٍàëàçè َ êë³ٍèي³ نîٌٍàٍي³é,
ùîل يه
نîçâîëèٍè
ٍَâîًèٍè
âهëèê³é
ê³ëüêîٌٍ³ ïهًîêٌèنَ
âîني, ےêèé
مهيهًَ؛ٍüٌے
هينîمهييî.
دًîٍه
çà
ëهٍàëüيèُ ٍà
ىٍَàمهييèُ