Выживание растений в условиях солевого стресса

XXIX Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке

Личный портфель

Выживание растений в условиях солевого стресса

Ёлгина Е.П. 1
1Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение «Лицей №1»
Зайдель Л.А. 1
1Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение «Лицей №1»
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

ВВЕДЕНИЕ

Загрязнение окружающей среды в результате использования автотранспорта особенно ощутимо в крупных городах. В почвах придорожных зон наиболее интенсивно накапливаются валовые и подвижные формы свинца, цинка, серебра и, в меньшей степени, меди, олова, хрома, никеля, молибдена, кобальта, марганца, железа. Выявлены две зоны аккумуляции транспортного загрязнения в почвах. Первая обычно расположена в непосредственной близости от автодороги, на расстоянии до 15-20 м, а вторая – на удалении 20-100 м. На открытых пространствах вторая зона проявлена обычно слабее, по-видимому, в связи с благоприятными условиями рассеяния воздушного потока. На нескольких пунктах отмечают появление и третьей зоны аномального накопления элементов в почвах, находящихся от дорог на расстоянии около 150 м. Преимущественное накопление микроэлементов происходит в верхней части корнеобитаемого слоя почв.

ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ

ГЛАВА 1.

    1. Техногенные загрязнители почвы

Для крупных автомагистралей с большим количеством полос движения загрязнение почв металлами проявляется слабее, чем для узких магистралей. Это объясняется тем, что на широких магистралях автомашины движутся с большей скоростью, расходуя меньше бензина и тем самым, уменьшая выбросы в атмосферу.

Другим важным техногенным загрязнителем являются солевые смеси, используемые до недавнего времени как антигололедные реагенты.

По данным исследования снегового покрова, установлено, что зона влияния автодорог распространяется от 15 до 100-150 м в зависимости от конкретных ландшафтных условий. Механические барьеры (здания, кустарники, деревья) уменьшают дальность переноса аэрозолей соли, резко увеличивая их концентрацию в непосредственной близости от дорог. Открытые пространства, наоборот, способствуют более дальнему переносу, при этом по мере удаления от дороги уровень концентрации соли в снеге убывает постепенно. Концентрация хлористого натрия в снеговой воде в десятиметровой зоне около дорог может достигать 1300-1900 мг/л, тогда как на фоновых участках не превышает 1-2 мг/л. Максимальное содержание легкорастворимых солей в верхних горизонтах почв города отмечается в весенний период. Летом, по мере промывания дождевыми водами, уровень солей снижается, достигая минимального уровня в осенний период. Для растений, используемых для озеленения, содержание легкорастворимых солей начиная с 0,25 % токсично и приводит к различным функциональным отклонениям, а содержание более 0,5% является пределом нормального роста и приводит к гибели растений. Помимо влияния на рост растений, токсическое действие свинца проявляется также в нарушении фотосинтетической активности, приводя к дезорганизации ультраструктуры хлоропластов, ингибированию синтеза фотосинтетических пигментов и ферментов. Снижение содержания хлорофилла может быть обусловлено ингибированием дегидратазы δ-аминолевулиновой кислоты, вызванным поглощением Pb, ухудшенным поглощением необходимых элементов, таких как Mn и Fe, повреждением фотосинтетического аппарата или следствием деградации хлорофилла из-за увеличения активности хлорофиллазы .

    1. Актуальность данной темы

Работая с источниками литературы и из собственных наблюдений за изменением цвета листовой пластинки трав и деревьев, я выявила, что пожелтение листьев наступает не одновременно. Вдоль автомагистрали Красный Камень-Чумыш посажена аллея тополей. Дальше растут береза, осина, ели. Осенние явления- пожелтение листьев, в первую очередь мы наблюдаем у тополей. У меня возник вопрос: Может быть это связано с массовым движением автомобилей, их выбросов в атмосферу?

Актуальность данной темы: Загрязнение воздуха оказывает отрицательное воздействие на рост и развитие растений.

Цель работы: Изучение влияния тяжелых металлов и их токсическое действие на рост, и развитие растений, приводящее к изменению морфологических признаков и изменение пигментного состава.

Задачи исследовательской работы:

1. Проследить за изменением формы листовой пластинки одуванчика лекарственного, произрастающего вдоль автомагистрали.

2. Подтвердить наличие растительных пигментов зеленого листа экспериментальным путем.

3. Доказать методом хроматографии изменение состава пигментов в листьях растений разных придорожных зон.

4. Исследовать влияние разных концентраций Pb (NO3)2 на процесс фотосинтеза.

Гипотеза : Если выживание растений в условиях солевого стресса, каковым может считаться избыточное содержание катионов тяжелых металлов в окружающей среде, неизбежно сопряжено с увеличивающимися затратами энергии, то это один из факторов морфологического изменения растений, разрушения.

Предмет исследования: Влияние тяжелых металлов на рост и разитие растений.

Объект исследования: Одуванчик лекарственный, береза, бородавчатая, тополь бальзамический.

Схема исследования:

М орфологические признаки определение пигментов разделение пигментов действие щёлочи и кислоты на пигменты определение пигментов методом хроматографии влияние Pb(NO3)2 на процесс фотосинтеза растений первой и второй зоны.

В словаре Ожегова дается такое определение:

Хроматография - (от греч. chroma, род. п. chromatos - цвет и ...графия), метод разделения и анализа смесей, основан на различном распределении их компонентов между двумя фазами - неподвижной и подвижной (элюентом). Этим методом я смогла подтвердить предполагаемое изменение, происходящее с растениями в процессе фотосинтеза.

Негативное влияние автотранспорта на окружающую среду можно оценить по состоянию растительного покрова (один из критериев оценки экологического риска).

ГЛАВА 2. Экспериментальная часть исследовательской работы.

2.1 Экспериментальный этап №1.

Тема: Оценка экологического риска территорий, прилегающих к крупной автомагистрали.

Цель данной работы: по морфологическим (внешним) признакам определить изменения, происходящее сданными растениями, произрастающими вдоль автомагистрали.

Объект исследования: одуванчик ЛЕКАРСТВЕННЫЙ.

В крупных городах, как известно, наиболее неприхотливым придорожным растением является одуванчик. В большинстве случаев тяжелые металлы угнетают рост растений, приводя к возникновению уродливых форм, снижая высоту растений.
В то же время определенные концентрации свинца могут способствовать накоплению витамина С, что объясняется антиоксидантными защитными свойствами этого витамина. Учитывая данные накопления тяжелых металлов в почве вблизи автомагистралей, я охарактеризовала растительный покров на примере одуванчиков на расстоянии 0,5; 1; 5; 10; 15; 20; 30; 50; 100; 150 м от дороги.

Из каждой выбранной точки на определенном расстоянии от автомагистрали собирала по 10 растений одуванчиков. Каждое растение срезала под корень, заворачивала в мокрую бумагу и помещала в полиэтиленовый пакет (такая упаковка предотвращает быстрое разложение витамина С) – один для каждой точки. В каждом пакете находилось 10 растений и этикетка с указанием места отбора проб. Таких пакетов было 10.

Критериями исследований ,я взяла два признака:

  1. длину листьев

  2. уродливые формы листа (изрезанность листовой пластинки) их количество в процентном отношении

Работая с литературой, я выяснила, что на ранней стадии роста размеры листьев отличаются незначительно. Затем, по мере накопления в листьях токсических веществ, происходит торможение роста листовой пластинки. Под влиянием загазованности верхушки и края листьев обжигаются, периферическая часть листа перестает расти. В дальнейшем листовая пластинка увеличивается за счет роста клеток основания и средней части листа, происходит сильная деформация листовой пластинки и образуются листья выпуклой и вогнутой формы. К моменту окончания ростовых процессов площадь поврежденных листьев меньше, чем у контрольных на 40-50%.

Загрязнение свинцом мест обитания растений оказывает не только влияние на появление внешних признаков, но и весьма токсичное действие на метаболические процессы, вызывая нарушения митозов и хлороз листьев, нарушение структуры ядрышек, ингибирование роста корней и побегов, снижение фотосинтеза, транспирации, репликации ДНК и ингибирование или стимуляция активности ферментов.

Вывод: Результаты моего исследования показали, что чем дальше от автомагистрали у растений одуванчика увеличивается длина листовой пластинки и уменьшается её изрезанность. Из ста обследуемых растений 42 растения имели изрезанную листовую пластинку, а у 58 – листовая пластинка нормальная, что составляет 42% уродливой формы листьев.

2.2 Экспериментальный этап №2.

Тема: Определение содержанияпигментов в зеленом листе

Цель: Из спиртовой вытяжки пигментов определить составные части зелёного цвета листа (зелёные и желты пигменты).

Оборудование: Свежие листья тополя, 95-процентный эти­ловый спирт, бензин, ступка фарфоровая, пробирка, воронка, ножницы, фильтровальная бумага.

Прежде всего я получила вытяжку пигмен­тов. Она должна быть концентриро­ванной, темно-зеленой.

К измельченным листьям добавила 5—10 мл этилового спирта, на кончике ножа СаСО3 (мел) для нейтрализации кислот кле­точного сока и растерла в фарфоровой ступке до однородной зеленой массы. Прилила еще этилового спирта и осторожно продолжила растирание, пока спирт не окрасился в интен­сивно-зеленый цвет. Полученную спиртовую вытяжку отфильтровала в чистую сухую пробир­ку или колбу.

Убедиться в том, что спиртовая вытяжка пигментов листа, помимо зеленых, содержит еще и желтые пигменты, я смогла 2 способами.

1 способ. На фильтровальную бумагу нане­сла стеклянной палочкой каплю полученной спиртовой вытяжки пигментов листа. Через 3—5 мин на бумаге образовались цветные концентрические круги: в центре зеленый (хлорофилл), снаружи—желтый (каротиноиды).

2 способ. Полоску фильтровальной бумаги шириной примерно в 1 см и длиной 20 см погру­зила одним концом в пробирку с вытяжкой. Через несколько минут на бумаге появилась зеленая полоса хлорофилла, а выше нее — желтые полосы каротиноидов (каротина и ксантофилла).

Разделение пигментов обусловлено их различной адсорбцией (поглощением в по­верхностном слое) на фильтровальной бума­ге и неодинаковой растворимостью в раство­рителе, в данном случае — этиловом спирте. Каротиноиды хуже, по сравнению с хлорофил­лом, адсорбируются на бумаге, больше раст­воримы в спирте, поэтому передвигаются по фильтровальной бумаге дальше хлорофилла.

Вывод: Таким образом, в создании цвета листа участвуют 2 группы пигментов — зеленые и желтые. Количество хлорофилла в сформировав­шихся листьях примерно в 3 раза выше, чем каротиноидов, поэтому желтый цвет каро­тиноидов маскируется зеленым цветом хлоро­фила. Количественное соотношение хлорофилла и каротиноидов непостоянно, зависит от воз­раста листа, физиологического состояния растений Если содержание хлорофилла уменьшается, листья приобретают желто-зеленый, желтый цвет.

Кроме описанных выше, существуют дру­гие методы разделения пигментов.

2.3 Экспериментальный этап №3.

Тема: Разделение пигментов по методу Крауса

Цель: Убедиться в том, что в спиртовой вытяжке наряду с хлорофиллом присутствуют желтые пигменты, можно, используя их различную растворимость в спирте и бензине.

Оборудование: Спиртовая вытяжка пигментов, бензин, пробирки, пипетка

Вхлоропластах находятся преимущественно желто-оранжевый каротин и золотисто-желтый ксантофилл. Все пигменты можно вы­делить из листа спиртом, но растворимость хлорофилла и каротина в бензине выше, чем в спирте. Ксантофилл в бензине не растворяется.

В пробирку налила 2—3 мл вытяжки, столько же бензина и 1—2 капли воды. Закрыла большим пальцем пробирку, энергично взбалтывала в течение 2—3 мин и дала от­стояться.

Жидкость в пробирке разделилась на 2 слоя; бензин, как более легкий, будет наверху, спирт — внизу. Оба слоя приобрели различ­ную окраску: бензиновый — зеленую, спир­товой — желтую

Желтый цвет спиртовому раствору при­дал пигмент ксантофилл.

Вывод:В бензиновом слое находились 2 пигмента: хлорофилл и каротин, который был не заметен из-за интенсивно-зеленого цвета хлорофилла

2.4 Экспериментальный этап №4.

Тема: Действие щелочи на хлорофилл

Цель: Убедиться в том, что в бензиновом слое действительно находится пигмент каротин, можно, проделав реакцию взаимодействия хлорофилла со щелочью.

Оборудование: Спиртовая вытяжка пигментов листа, бензин, 20-процентный раствор гидроксида натрия или гидроксида калия, пробирка

По химическому строению хлорофилл представляет собой сложный эфир дикарбоновой кислоты хлорофиллина и двух спиртов — метилового и фитола. При взаимодействии сложных эфиров со щелочами (реакция омы­ления) происходит разрыв сложноэфирных связей с образованием соли данной кислоты и спиртов. В результате реакции омыления хлорофилла образуется соль хлорофиллина и 2 спирта: метиловый и фитол.

Налила в пробирку 2—3 мл спиртовой вытяжки пигментов, добавьте 4—5 капель 20-процентного раствора щелочи, взболтала смесь. Произошла реакция взаимодействия хлорофилла со щелочью. Цвет раствора не изменился, так как соли хлорофиллина имели зеленую окраску.

Добавила бензин, чтобы общий объем жидкости в пробирке увеличился в 2 раза, взболтала и дала отстояться.

Нижний спиртовой слой окрасился в зеле­ный цвет благодаря присутствию в нем натри­евой соли хлорофиллина, которая, в отличие от хлорофилла, в бензине не растворима. Здесь же, в спиртовом слое находился пиг­мент ксантофилл, но его окраска маскировалась интенсивно зеленым цветом натриевой соли хлорофиллина. Верхний слой бензина был окрашен в жел­тый цвет пигментом каротином. Опыты по разделению пигментов спир­товой вытяжки листа показывают, что она со­держит 2 желтых пигмента: каротин и ксан­тофилл. Количественное соотношение их в растениях примерно равное.

Вывод: Цвет листа зависит от сочетания и количественного соотношения желтых пиг­ментов каротиноидов (каротин, ксантофилл) и зеленого хлорофилла, изменяясь от желто-зеленого у молодых до интенсивно-зеленого у взрослых и ярко-желтого цвета у опадаю­щих осенних листьев. Но можно ли с уве­ренностью говорить, что хлорофилл — зеленый?

2.5 Экспериментальный этап №5.

Тема:Взаимодействие хлорофилла с кислотой

Цель: Экспериментально доказать появление феофитина в листьях, который образуется в листьях при накоплении тяжелых металлов.

Оборудование: Спиртовая вытяжка хло­рофилла, 10-процентный раствор соляной кис­лоты, уксуснокислый цинк, спиртовка, пи­петка, 3 пробирки.

Характерное для хлорофилла поглоще­ние света определяется химической структурой его молекулы. Система сопряженных двойных связей играет большую роль в поглощении сине-фиолетовых лучей. Присутствие магния в ядре молекулы обусловливает поглощение в красной области. Нарушение структуры, на­пример удаление из молекулы магния, приво­дит к изменению цвета хлорофилла. Удалить из хлорофилла магний можно, проделав реак­цию взаимодействия хлорофилла с кислотой.

Я приготовила спиртовую вытяжку хлоро­филла и разлила в пробирки по 2—3 мл. Одна из пробирок контрольная. В две другие до­бавила по 2—3 капли соляной кислоты. В результате взаимодействия хлорофилла с кислотой магний заместился двумя атомами водорода и

образовалось вещество бурого цвета — феофитин.

Одну из пробирок с феофитином я оставила для контроля, а в другую внесла на кончике ножа уксуснокислый цинк и нагрела на водя­ной бане до кипения. Бурый цвет раствора

изменился на зеленый: вместо двух атомов во­дорода в молекулу входит атом цинка и зани­мает то место, где раньше был магний.

Следовательно, цвет хлорофилла зависит от наличия металлоорганической связи в его молекуле.

Вывод: Феофитин образуется в листьях, поврежденных заморозками, промышлен­ными кислыми газами, в процессе старения.

2.6 Экспериментальный этап №6.

Тема: Определение пигментов методом хроматографии.

Цель: Проследить определение зон пигментов.

Оборудование: Силуфоловые пластинки, вытяжка пигментов, ацетон, спирт, мел.

Хроматографирование осуществляла: на пластинах с закрепленным слоем адсорбента, выпускаемых промышленностью (силуфоловые пластинки). Силуфоловые пластинки представляют собой алюминиевую фольгу, покрытую тонким слоем широкопористого силикагеля, закрепленного крахмалом. Пластинки с незакреплённым слоем адсорбента готовила непосредственно перед анализом.

Получение вытяжки пигментов.

500 мг листьев (без крупных жилок) растирала в охлаждённой на льду фарфоровой ступке с безводным Na2SO4 (около 1 г) и небольшим количеством мела. Na2SO4 быстро обезвоживал растительный материал, что наряду с охлаждением прекращало действие ферментов и предотвращало распад пигментов. Добавление СаСО3, MgCO3 или 1 y. NH4OH нейтрализует органические кислоты, предотвращая разрушение пигментов.

Полученную массу перенесла на стеклянный фильтр №3, добавляют 3-5 мл охлажденной смеси этанол – ацетон (3:1), настаивают 5 мин и фильтрую в колбу. Для окончательной экстракции растертые листья промыла этанолом, доводя общий объём экстракта до 10 мл.

Разделение пигментов методом хроматографии на бумаге

На лист хроматографической бумаги (ленинградская быстрая) размером 16/16 см на расстоянии 2 см от нижнего края наносят в виде полосы длинной 10-12 см 1 мл экстракта пигментов. Во время нанесения бумагу снизу подсушивают струей воздуха из резиновой груши. Объем наносимого экстракта может меняться в зависимости от концентрации пигментов. После нанесения вытяжки бумагу высушивают, свертывают в виде цилиндра, соединив верхние края скрепкой (нижние края не должны соприкасаться), и помещают в хроматографическую камеру для разгонки. В качестве камеры можно использовать стеклянный цилиндр подходящего размера, края которого смазывают смазкой и закрывают стеклянной пластинкой.

В камеру предварительно наливают 30 мл смеси бензола и петролейного эфира (2:1 или 3:1). Уровень растворителя должен быть ниже нанесённой полосы пигментов на 1-2 см. Камеру плотно закрывают, затемняют черной бумагой и помещают в сосуд со льдом для охлаждения.

Разделение проводят в течение 30-40 мин, пока фронт растворителя не поднимется на 14 см. После этого хроматограмму вынимают и высушивают.

Вывод: Описанным способом удалось выделить хлорофиллы «а» и «b», каротин, лютеин и виолаксантин. Отдельные зоны пигментов будут располагаться на хроматограмме в следующем порядке: каротин, лютеин, хлорофилл А, хлорофилл B.

2.7 Экспериментальный этап №7.

Тема:Влияние Pb(NO3)2 на развитие растений.

Цель: Проследить влияние разных концентраций раствора Pb (NO3)2 : 0,01; 0,02 на развитие растений.

Оборудование: Береза бородавчатая, Н2О, 0,01 Pb (NO3)2, 0,02 Pb (NO3)2

Опыт проводился в трех вариантах:

1. Черенки березы в воде

2. Черенки березы в растворе 0,01 Pb (NO3)2

3. Черенки березы в растворе 0,02 Pb (NO3)2

Вывод: Изменение цветалистовой пластинки через 3 дня наблюдали в варианте №2. Через 5 дней в варианте №3 и без изменения вариант №1. Следовательно, концентрация ионов тяжелых металлов влияет на разрушение хлорофилла А, образование хлорофилла В и каротина. В варианте №3 листья стали серыми и сухими, значит здесь была очень высокая концентрация Pb (NO3)2.

Основная масса зеленых листьев желтеет, а какая-то часть жухнет зелеными…опадает. На этом заканчивается их жизнь, а дерево или кустарник, на котором они появились и росли старается выжить в условиях солевого стресса.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В ходе работы четко проследила схему исследования:

М орфологические признаки определение пигментов разделение пигментов действие щёлочи и кислоты на пигменты определение пигментов методом хроматографии влияние Pb(NO3)2 на процесс фотосинтеза растений первой и второй зоны.

Экспериментальным путем подошла к решению задач для достижения поставленной цели. Раскрыла гипотезу и доказала, что изменения в атмосфере стрессово влияют не только на организм человека, но и на организм растения, вызывая преждевременное старение и смерть. Ранний процесс разрушения хлорофилла свидетельствует о сезонном увядании растений.

Изучение влияния металлов на содержание пигментов в листьях тополя бальзамического (Populus balsamifera L.) показало, что сумма хлорофиллов и каротиноидов к концу эксперимента в опытных образцах снижается (в случае ионов К+, Са2+, Mg2+ и Рb2+). и действии на растения ионов металлов изменяется соотношение пигментов. Известно, что основным из фотосинтетических пигментов растений является хлорофилл А. При уменьшении содержания хлорофилла А в листьях происходит увеличение доли вспомогательных пигментов – хлорофилла В или каротиноидов, что может рассматриваться как адаптивная реакция ассимиляционного аппарата растений тополя бальзамического на избыток ионов металлов в растительном субстрате.
Выживание растений в условиях солевого стресса, каковым может считаться избыточное содержание катионов в окружающей среде, неизбежно сопряжено с увеличивающимися затратами энергии, высвобождающейся при дыхании. Эта энергия расходуется на поддержание баланса элементов между растением и окружающей средой. Интенсивность дыхания и изменения дыхания растений, таким образом, могут служить интегративными показателями состояния организма в условиях стресса. Установлено, что при действии ионов К+, Na+, Ba2+, Mg2+, Mn2+, Zn2+, Cu2+ и Рb2+ происходит полное восстановление дыхания листьев тополя бальзамического в течение 30 суток.

На протяжении многих веков древесные растения приспосабливались к изменениям, которые естественным образом происходили в окружающей среде. Формирование адаптивного комплекса растений к условиям обитания связаны с масштабами этих изменений и скоростью их протекания. В настоящее время антропогенный пресс по интенсивности и своим масштабам нередко превосходит влияние экстремальных природных факторов. На фоне выявления феномена экологической видоспецифичности древесных растений установление факта отсутствия у растений металл-специфических ответных реакций имеет эколого-эволюционное значение, ставшее основой успешного их роста и развития в условиях действия экстремальных природных и техногенных факторов.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

  1. Абросов Н. С., Боголюбов А. Г. Экологические и генетические закономерности сосуществования и коэволюции видов. — Новосибирск: Наука, 1985. — 333 с.

  2. Афанасьева Н. Б., Березина Н. А. Введение в экологию растений: учеб. пособие для вузов. — М.: Изд-во МГУ, 2011. — 799 с.

  3. Горышина Т. К. Экология растений: учеб. пособие. — М.: Высш. шк., 1979. — 368 с.

  4. Пономарева И. Н. Экология растений с основами биогеоценологии: пособие для учителей. — Л.: Наука, 1978. — 279 с.

  5. Онипченко В. Г. Функциональная фитоценология: синэкология растений: учеб. пособие. — М.: КРАСАНД, 2014. — 576 с

  6. Хржановский В. Г., Викторов В. С., Родионов П. В. Ботаническая география с основами экологии растений. — М.: Агропромиздат, 1986. — 225 с.

ПРИЛОЖЕНИЯ

1. Определение содержанияпигментов в зеленом листе

2. Определение пигментов методом Крауса

3. Определение содержания пигментов в зеленом листе.

4 . Определение пигментов методом хроматографии

Просмотров работы: 5