Antioxidative response of herbs of various species to heavy metal environmental pollution

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

The purpose of this study is the investigation of antioxidant systems (phenolics, flavonoids, and catalase activity) in herbs of various species in conditions of heavy metal pollution of Tyumen. Soil and plant samples (coltsfoot, red clover, meadow grass, and wild vetch) were collected at the control site, highway, engine-building, oil refinery, battery manufacturing, and metallurgical plants. The antioxidant response of herbs to heavy metal accumulation turned out to be species-specific. In red clover and coltsfoot catalase activity, as well as content of phenolics and flavonoids decreased. In meadow grass flavonoids decreased, but phenolics concentration increased. The most resistant and sensitive plant species by antioxidant status was wild vetch. Catalase acitivity was the most sensitive to metal pollution. The concentration of heavy metals in red clover and coltsfoot negatively correlated with phenols and flavonoids, while in meadow grass and wild vetch positively correlated. Antioxidant status of plants can be recommended as part of the complex monitoring of environmental metal pollution.

Full Text

Введение. Антропогенное загрязнение окружающей среды тяжелыми металлами (ТМ) является одной из наиболее распространенных и опасных экологических проблем. Накопление ТМ в почвах приводит к снижению плодородия, подавлению роста и развития растений [14]. ТМ нарушают минеральное питание растений, водный обмен, процессы дыхания [28]. Поглощение растениями ТМ сопровождается и рядом биохимических изменений.

В силу своей способности связываться с функциональными группами биомолекул, менять степень окисления и замещать ионы других металлов, ТМ способны вызывать в клетках растений окислительный стресс [13; 30]. Смещение окислительно-восстановительного равновесия сказывается на активности антиоксидантных систем неферментной природы (фенолы, флавоноиды и другие), а также ферментной природы (каталаза, пероксидаза, супероксиддисмутаза) [17]. С одной стороны, ТМ могут повреждать структуру и биосинтез антиоксидантов, с другой, стресс, создаваемый накоплением металлов, вынуждает растения активировать антиоксиданты для обрыва цепей свободнорадикального окисления, связывания активных форм кислорода и блокирования окислительных процессов [2; 17; 21].

Изучение активности антиоксидантных систем растений в условиях накопления металлов может являться частью биомониторинга антропогенно нарушенных территорий с целью установления степени токсичности загрязнения. Взаимосвязь между содержанием металлов и антиоксидантным статусом растений позволяет исследовать механизмы воздействия ТМ, а также выявлять наиболее чувствительные антиоксиданты. Целью работы стало изучение антиоксидантных систем (содержание фенолов, флавоноидов и активности каталазы) в травянистых растениях различных видов в условиях загрязнения г. Тюмени тяжелыми металлами.

Материал и методы исследования. Материал для исследования отобран в конце июля 2018 г. в г. Тюмени. Пробы почв и растений отбирали в условно-чистом районе за городом, вблизи автотрассы (30 метров от дороги) на удалении 30 км от г. Тюмени, и на расстоянии 200 метров от следующих предприятий: «Тюменский аккумуляторный завод» (Аккум. з-д), «Антипинский нефтеперерабатывающий завод» (НПЗ), «Тюменские моторостроители» (Мотор. з-д), и «УГМК-Сталь». Все изученные почвы относились к дерново-подзолистому подтипу, характерному для района исследования.

Отбирали надземную часть травянистых растений: мышиный горошек (Vicia cracca L.), клевер красный (Trifolium rubens L.), мать-и-мачеха (Tussilago farfara L.), мятлик луговой (Poa pratensis L.). Данные виды растений были выбраны благодаря их широкому распространению в районе исследования. Усредненная проба состояла из 100 растений каждого вида, отобранных с пяти точек на каждом участке. Поверхностный слой почвы (0–10 см) отбирали методом конверта, усредняли, перетирали и просеивали.

Анализ содержания ТМ проводили методом атомно-абсорбционной спектроскопии на приборе «ContrAA 700» (Analytic Jena, Германия). В почвах определяли подвижные формы металлов с помощью ацетатно-аммонийного буфера pH=4,8 [10], а также кислоторастворимую форму при помощи 5 M HNO3 [12]. Содержание металлов в растениях определяли экстракцией 5 М HNO3 из золы растений.

Содержание флавоноидов определяли при помощи фотометрической реакции AlCl3 со спиртовыми экстрактами растений, измерения проводили на λ=410 нм [3]. Растительные фенолы определяли в водном экстракте растений титрованием KMnO4 с фиолетового до золотисто-желтого окрашивания по индигокармину [9]. Активность каталазы исследовали проведением фотометрической реакции молибдата аммония с перекисью водорода в водных экстрактах растений, измерения проводили на λ=470 нм [5].

Все измерения проводили в трех параллелях. Результаты анализов были подвергнуты стандартной статистической обработке в программе Statistica 10. Рассчитывали среднее значение, стандартную ошибку, доверительный интервал, сравнение выборок проводили по t-критерию Стьюдента при уровне доверительной вероятности P≤0,05.

Результаты и обсуждение. Содержание ТМ в почвах и растениях г. Тюмени было описано ранее в нашей предыдущей работе [26]. Содержание Cu, Zn, Fe и Mn в почвах г. Тюмени превышало контроль на всех изученных участках. Максимальное содержание всех ТМ в почве было зарегистрировано в районе металлургического и аккумуляторного завода. Содержание Cu в растениях было в диапазоне 3–13 мг/кг. Способность к накоплению Cu растениями относительно контроля убывала в ряду: мышиный горошек>мать-и-мачеха>клевер красный>мятлик луговой. Содержание Zn в растениях изменялось от 13 до 61 мг/кг. Аккумуляция Zn травами убывала в ряду: мать-и-мачеха>мышиный горошек>мятлик луговой>клевер красный. Во всех изученных видах растений в условиях городской среды наблюдалась аккумуляция Fe по сравнению с контролем. Наиболее значима аккумуляция Fe была зарегистрирована в районе аккумуляторного и металлургического завода, с максимальным превышением контроля до 17 раз для мать-и-мачехи вблизи металлургического завода. Вероятно, это обусловлено работой сталеплавильных цехов. Содержание Mn в растениях изменялось в пределе от 17 до 152 мг/кг. Аккумуляция Mn относительно контроля была характерна для всех видов растений, но только в районе автотрассы и металлургического завода. Это может быть обусловлено применением Mn в качестве легирующих добавок и антидетонационных присадок в бензине.

Ответная реакция антиоксидантных систем растений на загрязнение городской среды тяжелыми металлами оказалось видоспецифичной.

Содержание фенолов и флавоноидов в клевере красном было снижено, на 10–40% (рис. 1, 2). Аналогичная картина наблюдалась для мать-и-мачехи, содержание фенолов и флавоноидов было ниже контроля до 50–60%. Возможно, снижение концентрации фенолов и флавоноидов связано с хелатированием ионов металлов гидроксильными, карбонильными и карбоксильными группами этих соединений [20; 24; 25]. Кроме того, возможно нарушение биосинтеза фенолов тяжелыми металлами. Были зарегистрированы отрицательные корреляции между содержанием Cu и уровнем флавоноидов в клевере красном (R=-0,93) и мать-и-мачехе (R=-0,87). Содержание подвижной формы Cu в почве отрицательно коррелировало с уровнем флавоноидов в клевере красном (R=-0,67), а содержание Mn было в обратной взаимосвязи с концентрацией фенолов (R=-0,78). Содержание Cu, Zn и Mn в мать-и-мачехи отрицательно коррелировало с уровнем флавоноидов (R=-0,87; -0,89; -0,80 соответственно), в то время как содержание Mn, Fe и Zn отрицательно коррелировало с концентрацией фенолов (R=-0,79; -0,70; -0,66).

 

Рис. 1. Содержание фенольных антиоксидантов в травянистых растениях г. Тюмени

Примечание: планки погрешности указывают доверительный интервал при P≤0,05

*- статистически достоверные различия между контролем и вариантом опыта (при Р ≤0,05)

 

Рис. 2. Содержание флавоноидов в травянистых растениях г. Тюмени

 

В условиях стресса от ТМ в клетках растений могут развиваться радикальные процессы окисления, фенольные соединения обладают антиоксидантной функцией и могут расходоваться на связывание свободных радикалов. При этом фенолы превращаются в феноксильные радикалы, обладающие окислительной способностью [22]. Поэтому синтез флавоноидов при накоплении феноксильных радикалов может быть ингибирован в условиях высокого антропогенного загрязнения. Фенолы и флавоноиды сами могут быть окислены активными формами кислорода, что также приводит к снижению их содержания.

Снижение содержания флавоноидов в условиях городской среды было обнаружено в горце птичьем [1]. Содержание фенольных антиоксидантов в травянистых растениях г. Калининграда было также снижено по сравнению с фоном [23] Листья мать-и-мачехи обладают лекарственными свойствами [29], однако понижение уровня антиоксидантов в условиях загрязнения окружающей среды может снижать ценность и эффективность такого сырья.

В клетках мышиного горошка наблюдалась противоположная картина: содержание фенолов и флавоноидов было повышено практически на всех участках по сравнению с контролем в 1,7–3,1 раза (рис. 1, 2). В клетках мятлика лугового содержание фенолов было также повышено, по сравнению с контролем, на большинстве участков, как минимум, на 40% (рис. 1). Однако изменение содержания флавоноидов в клетках мятлика лугового было неоднозначным: концентрация флавоноидов была ниже контроля вблизи автотрассы, моторостроительного и аккумуляторного завода, но повышена в районе аккумуляторного и металлургического заводов, характеризующихся более высоким содержанием ТМ в почвах (рис. 2). В отличие от мать-и-мачехи и клевера красного, для мышиного горошка и мятлика лугового наблюдались положительные корреляции между содержанием ТМ и уровнем фенольных антиоксидантов. Так, для мышиного горошка содержание Cu положительно коррелировало с уровнем флавоноидов (R=0,88), а Zn – с фенолами (R=0,60). Кроме того, содержание подвижной формы Mn в почве также положительно коррелировало с концентрацией флавоноидов (R=0,70), а уровень фенолов в клетках был положительно связан с концентрацией кислоторастворимой формы Cu и Zn в почвах (R=0,94; 0,83). Содержание Zn в мятлике луговом положительно коррелировало с уровнем флавоноидов (R=0,91), Fe и Zn также коррелировали с фенолами (R=0,89, 0,78 соответственно).

Увеличение содержание флавоноидов может быть обусловлено необходимостью растений повышать свой антиоксидантный статус в условиях накопления в клетках свободных радикалов и активных форм кислорода. Флавоноиды способны связывать супероксидный анион-радикал [24], а также подавляют активность ферментов, генерирующих активные формы кислорода [30]. Флавоноиды способны подавлять окисление клеточных мембран путем сорбции [25]. Процессы фотосинтеза, дыхания и роста растений подавляются при накоплении ТМ, флавоноиды принимают участие в этих процессах, поэтому их дополнительный синтез может компенсировать токсический эффект металлов. В предыдущих исследованиях выявлено увеличение содержания флавоноидов в горце птичьем в районе газоперерабатывающего завода [8].

Изменение активности каталазы в клетках растений оказалось видоспецифичном. В литературе сообщалось о видоспецифичном изменении активности каталазы в клетках растений при поливе растворами ТМ [31] и выращивании в почве, загрязненной Ni, Pb, Cu и Zn [18]. В клетках мятлика лугового активность каталазы была снижена в районе НПЗ и УГМК до 70%. В клетках клевера красного активность каталазы была снижена по сравнению с контролем практически во всех районах исследования (рис. 3), при этом активность каталазы отрицательно коррелировала с содержанием кислоторастворимой формы Fe в почве (R=-0,61).

 

Рис. 3. Активность каталазы в травянистых растениях г. Тюмени

 

Снижение активности каталазы может быть обусловлено повреждением структуры фермента и нарушением путей ее биосинтеза. ТМ могут связываться с тиольными, амино и карбоксильными группами аминокислот каталазы или ферментов ее биосинтеза, что приведет к снижению активности каталазы. Накопление металлов в клетках провоцирует окислительный стресс, образующиеся активные формы кислорода могут также повредить структуру каталазы путем окисления углеводородного скелета аминокислот. В других исследованиях описано отрицательное влияние Cd на активность каталазы в проростках пшеницы [4] и кресс-салата [7]. О снижении активности каталазы в клевере в условиях городской среды сообщалось в литературе [11]. Металлы, обладающие близким ионным радиусом к иону Fe2+, могут замещать железо в составе гема, что также снизит активность каталазы.

Изменение активности каталазы в клетках мать-и-мачехи оказалось неоднозначным. Активность фермента была снижена практически на всех участках, за исключением автотрассы. Район автотрассы можно рассматривать как участок с относительно невысокой антропогенной нагрузкой (т. к. отсутствуют промышленные предприятия в непосредственной близости). В условиях низкой антропогенной нагрузки активность каталазы была увеличена, вероятно, из-за повышенной необходимости утилизировать перекись водорода, однако при увеличении уровня стресса, активность фермента снизилась по вышеописанным причинам.

Изменение активности каталазы в мышином горошке оказалось также неоднозначным (рис. 3). В клетках мышиного горошка активность каталазы была повышена на всех участках, за исключением моторостроительного завода, при этом выявлены положительные корреляции между содержанием кислоторастворимой формы Cu, Zn и Fe и активностью каталазы (R=0,74; 0,84; 0,86 соответственно).

Активность каталазы в клетках растений может быть повышена в связи с накоплением в клетках перекиси водорода, окисляющей липидный слой мембран. В литературе сообщалось, что обработка растений сточными водами с высоким содержанием ТМ [6] или раствором хлорида кадмия [15] приводит к увеличению активности каталазы в клетках. Увеличение активности каталазы в условиях городской среды наблюдалось ранее в травянистых растениях [27], а также в древесных растениях [19].

Заключение. Таким образом, изменение активности антиоксидантных систем в травянистых растениях в условиях загрязнения городской среды тяжелыми металлами оказалось видоспецифичным. В клетках мать-и-мачехи и клевера красного наблюдалось снижение содержания фенолов, флавоноидов и активности каталазы. Для мятлика лугового была отмечена тенденция к уменьшению содержания флавоноидов, но росту содержания фенолов. Снижение антиоксидантного статуса растений свидетельствует об угнетении жизнедеятельности растений в городской среде и о возможном сокращении численности и видового разнообразия растений, а также о снижении ценности использования растений для лекарственных целей. Наиболее чувствительным видом по антиоксидантному статусу оказался мышиный горошек, а наименее – клевер красный. Изменение активности каталазы оказалось наиболее чувствительным к условиям загрязнения городской среды. Содержание тяжелых металлов в клевере красном и мать-и-мачехе отрицательно коррелировало с уровнем фенолов и флавоноидов, а для мятлика лугового и мышиного горошка отмечены положительные корреляции. Изменение антиоксидантного статуса можно рекомендовать как часть комплексного мониторинга загрязнения окружающей среды тяжелыми металлами.

Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ и Тюменской области №20-45-720011.

×

About the authors

Alexander S. Petukhov

Tyumen State University

Email: revo251@mail.ru
Russian Federation, Tyumen

Tatyana A. Kremleva

Tyumen State University

Email: t.a.kremleva@utmn.ru

Doctor of Chemical Sciences

Russian Federation, Tyumen

Galina A. Petukhova

Tyumen State University

Email: gpetuhova1@mail.ru

Doctor of Biological Sciences

Russian Federation, Tyumen

Nikolay A. Khritokhin

Tyumen State University

Author for correspondence.
Email: kna@utmn.ru

Candidate of Chemical Sciences

Russian Federation, Tyumen

References

  1. Velikanova, N.A., Slivkin, A.I., & Gaponov, S.P. (2013). Izuchenie nakoplenija flavonoidov travoj gorca ptich'ego, sobrannogo v raznyh s jekologicheskoj tochki zrenija rajonah goroda Voronezha i ego okrestnostej. Vestnik Voronezhskogo gosudarstvennogo universiteta. Serija: Himija. Biologija. Farmacija, 1, 181-185. (in Russ.).
  2. Garifzjanov, A.R., Zhukov, N.N., & Ivanishhev, V.V. (2011). Formation and physiological reactions of oxygen active forms in plants cells. Sovremennye problemy nauki i obrazovanija, 2, 2-2 (in Russ.).
  3. Ermakov, A.I., Arasimovich, V.V., Yarosh, N.P., Peruansky, Yu.V., Lukovnikova, G.A., & Ikonnikova, M.I. (1987). Metody biohimicheskogo issledovanija rastenij. Leningrad. (in Russ.).
  4. Kolesnichenko, V.V., & Kolesnichenko, A.V. (2011). The influence of high Cd2+ concentration on antioxidant system of wheat etiolated shoots with different length. Journal of Stress Physiology and Biochemistry, 3, 212-221. (in Russ.).
  5. Koroljuk, M.A., Ivanova, L.I., Majorova, N.O., & Tokarev, V.E. Metod opredelenija aktivnosti katalazy. Laboratornoe delo, 1, 16. (in Russ).
  6. Murzaeva, S.V. (2002). The accumulation of heavy metals and the activity of antioxidative enzymes in wheat exercise influence of sewages. Izvestija Samarskogo nauchnogo centra Rossijskoj akademii nauk, 4(2), 260-269. (in Russ.).
  7. Naumenko, O.A., Sablina, E.V., Kabysheva, M.I., & Kosteneckaja, E.A. (2013). Issledovanie mehanizma povrezhdajushhego dejstvija izbytochnyh koncentracij kadmija na sostojanie antioksidantnyh fermentov kress-salata. Vestnik Orenburgskogo gosudarstvennogo universiteta, 159(10), 205-207. (in Russ.).
  8. Nemereshina, O.N., Gusev, N.F., Petrova, G.V., & Shajhutdinova, A.A. (2012). Nekotorye aspekty adaptacii Polygonum aviculare L. k zagrjazneniju pochvy tjazhelymi metallami. Izvestija OGAU, 1(1). (in Russ.).
  9. Obshhaja farmakopejnaja stat'ja 1.5.3.0008.15. Opredelenie soderzhanija dubil'nyh veshhestv v lekarstvennom rastitel'nom syr'e i lekarstvennyh rastitel'nyh preparatah. (in Russ.).
  10. PND F 16.1:2:2.2:2.3.78-2013. Metodika izmerenija massovoj doli podvizhnyh form metallov: medi, cinka, svinca, kadmija, marganca, nikelja, kobal'ta, hroma v probah pochv, gruntov, donnyh otlozhenij, osadkov stochnyh vod metodom plamennoj atomno-absorbcionnoj spektrometrii. (in Russ.).
  11. Polovnikova, M.G., & Voskresenskaja, O.L. (2008). Aktivnost' komponentov antioksidantnoj zashhity i polifenoloksidazy u gazonnyh rastenij v ontogeneze v uslovijah gorodskoj sredy. Fiziologija rastenij, 55(5), 777-785. (in Russ.).
  12. Rukovodjashhij dokument RD 52.18.191-2018. Massovaja dolja kislotorastvorimyh form metallov v probah pochv, gruntov i donnyh otlozhenij. (in Russ.).
  13. Skugoreva, S.G., Ashihmina, T.Ja., Fokina, A.I., & Ljalina, E.I. (2016). Chemical grouns of toxic effect of heavy metals (review). Teoreticheskaja i prikladnaja jekologija, 1, 1-10. (in Russ.).
  14. Titov, A.F., Kaznina, N.M., & Talanova, V.V. (2014). Tjazhelye metally i rastenija. Petrozavodsk. (in Russ.).
  15. Anjum, S.A., Tanveer, M., Hussain, S., Bao, M., Wang, L., & Khan, I. (2015). Cadmium toxicity in maize (Zea mays L.): consequences on antioxidatie systems, reactive oxygen species and cadmium accumulation. Environmental Science and Pollution Research, 21, 17022-17030.
  16. Arif, N., Yadav, V., Singh, S., Kushwaha, B.K., Singh, S., & Trupathi, D.K. et al. (2016) Assessment of antioxidant potential of plants in response to heavy metals. Plant Response to Xenobiotics, 97-125.
  17. Ghori, N.H., Ghori, T., Hayat, M.Q., Imadi, S.R., Gul, A., Altay, V., & Ozturk, M. (2019). Heavy metal stress and responses in plants. International Journal of Environmental Science and Technology, 16, 1807-1828.
  18. Kachout, S.S., Ben Mansoura, A., Leclerc, J.C., Mechergui, R., Rejeb, M.N., & Ouerghi, Z. (2009). Effects of heavy metals on antioxidant activities of Artiplex hortensis and A. rosea. Journal of Food, Agriculture and Environment, 7, 938-945.
  19. Khosropour, E., Attarod, P., & Shirvany, A. et al. (2018). Response of Platanus orientalis leaves to urban pollution by heavy metals. J. For. Res., 30.
  20. Lachman, J., Dudjak, J., Miholova, D., & Kolihova, D. (2005). Effect of cadmium on flavonoid content in young barley (Hordeum sativum L.) plants. Plant, Soil and Environment, 11, 513-516.
  21. Maleki, M., Ghorbanpour. M., & Kariman. K. (2017). Physiological and antioxidative responses of medicinal plants exposed to heavy metal stress. Plant Gene, 7, 247-254.
  22. Marquez-Garcia, B., Angeles-Fernandez-Recamales, M., & Cordoba, F. (2012). Effects of cadmium on phenolic composition and antioxidant activities of Erica andevalensis. Journal of Botany, 91, 91-98.
  23. Maslennikov, P.V., Chupakhina, G.N., Skrypnik, L.N., Feduraev, P.V., & Melnik, A.S. (2018). Asssessment of the antioxidant potential of plants in urban ecosystems under conditions of anthropogenic pollution of soils. Russian Journal of Ecology, 49, 384-394.
  24. Michalak, A. (2006). Phenolic compounds and their antioxidant activity in plants growing under heavy metal stress. Polish Journal of Environmental Studies, 15, 523-530.
  25. Mierziak, J., Kostyn, K., & Kulma, A. (2014). Flavonoids as important molecules of plant interaction with the environment. Molecules, 19, 16240-16265. (in Russ.).
  26. Petukhov, A.S., Kremleva, T.A., Petukhova, G.A., & Khritokhin, N.A. (2020). Translocation of Heavy Metals in Herbs under Urban Anthropogenic Pollution Conditions. Environmental Processes, 7, 1173-1196.
  27. Rai, P.K. (2015). Biodiversity of roadside plants and their response to air pollution in an Indo-Burma hotspot region: implications for urban ecosystem restoration. Journal of Asia-Pacific Biodiversity, 9, 47-55.
  28. Rai, P.K., Lee, S.S., Zhang, M., Tsang, Y.F., & Kim, K. (2019). Heavy metals in food crops: health risks, fate, mechanisms and management. Environment International, 125, 365-385.
  29. Shikov, A.N., Pozharitskaya, O.N., Makarov, V.G., Wagner, H., Verpoorte, & R., Heinrich, M. (2014). Medicinal plants of the Russian pharmacopeia; their history and applications. Journal of Ethnopharmacology, 154, 481-536
  30. Skorzynska-Polit, E. (2007). Lipid peroxidation on plant cells, its physiological role and changes under heavy metal stress. Acta Societatis Botanicorum Poloniae, 74, 49-54.
  31. Zhang, F.Q., Wang, Y.S., Lou, Z.P., & Dong, J.D. (2007). Effect of heavy metal stress on antioxidant enzymes and lipid peroxidation in leaves and roots of two mangrove plant seedlings (Kandelia candel and Bruguiera gymnorrhiza). Chemosphere, 67, 44-50.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Fig. 1. Content of phenolic antioxidants in herbaceous plants in Tyumen Note: Error bars indicate confidence interval at P≤0.05 *- statistically significant differences between the control and the experimental variant (at P ≤0.05)

Download (72KB)
Indexing metadata
3. Fig. 2. Content of flavonoids in herbaceous plants in Tyumen

Download (78KB)
Indexing metadata
4. Fig. 3. Catalase activity in herbaceous plants in Tyumen

Download (60KB)
Indexing metadata


Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.

This website uses cookies

You consent to our cookies if you continue to use our website.

About Cookies