3. Фізіолого-біохімічні реакції рослин на забруднення повітря

Промислові та транспортні відходи, які надходять у ґрунт та атмосферу проникають у рослини і викликають порушення фізіолого-біохімічних процесів, що, у кінцевому рахунку, виявляються в зниженні приросту, утраті декоративності і зниженні репродуктивної функції.

Одним з забруднювачів, який часто зустрічаються у викидах промислових підприємств, є сірчистий газ SO₂. За даними багатьох дослідників (Ількун, 1978, Ніколаєвський, 1979, Коцюбинська, 1998 та ін.) механізм токсичної дії SO₂ полягає в порушенні діяльності багатьох ферментів у наслідок підкислення цитоплазми, зміни іонного балансу, нагромадження баластових токсичних речовин, у руйнуванні фотосинтетичних структур, поява автокаталітичних ланцюгових реакцій вільнорадикального і фотодинамічного окислювання.

Фотосинтетичний апарат рослин виявляє високу чутливість до SO₂, що може порушувати світлову і темнову стадії фотосинтезу, впливаючи на стан хлорофілу, активність ферментів, електротранспортний ланцюг або ламелярну структуру гранів. Чистий фотосинтез і потенційна фотосинтетична активність у ушкодженого сірчистим газом листя знижується. На думку японських дослідників, SO₂ інактивує первинний донор електронів або сам реакційний центр ланцюга переносу електронів. Сірчистий газ порушує протонний градієнт, з яким зв'язане утворення АТФ, пригнічує транспорт електронів. Сульфіт і сульфат відносяться до роз’єднувачів електронного транспорту. Під впливом SO₂ зареєстроване значне зменшення активності рибулозодифосфаткарбоксилази, хлорофілази, інтенсивності фотосинтезу і вмісту хлорофілу [34].

Одним з перших ознак клітинних ушкоджень SO₂ є розбухання і деформація тилакоїдів хлоропластів, тоді як комплекс Гольджі, ендоплазматичний ретикулум і мітохондрії залишаються інтактними. Наявність ультраструктурних порушень хлоропластів під впливом сірчистого газу відзначалося у рослин навіть при відсутності листя. Фінські дослідники в зоні забруднення повітря SO₂ виявили у рослин порушення структури поверхні кліток і зміни кутикулярних восків. Характерно, що ушкодження оболонок хлоропластів служать першим симптомом дії полютанту на ультраструктурному рівні. Зареєстровано набрякання тилакоїдів і грануляція строми. Мітохондрії ушкоджуються на більш пізніх стадіях реакції на забруднення. Серед початкових змін цитоплазми слід зазначити збільшення елементів ендоплазматичного ретикулума, вакуолізацію, появу гранул і ліпідних крапель, зниження кількості полісом.

Малі дози сірчистого газу можуть стимулювати дихальний газообмін. Повне і необоротне пригнічення дихання настає за впливу 15-20 ppm SO₂. Збільшення і зменшення інтенсивності дихання є наслідком порушення активності ряду окисних ферментів, розбалансування в кількості проміжних продуктів, що накопичуються, пентозфосфатного, гліколітичного шляхів окислювання або в крайньому випадку вичерпання дихального субстрату.

Сірчистий газ порушує обмін амінокислот та їхніх продуктів, співвідношення SS- і SH-груп, індукує глибокі порушення водного режиму клітин, збільшує кількість ефірів жирних кислот, зменшує вміст органічних кислот і біологічно активних ростових речовин, порушує катіонно-аніонний баланс і буферну ємність цитоплазми. Ступінь ушкодження листя та інших органів рослин кислими газами визначається співвідношенням швидкості надходження токсикантів у внутрішні тканини і повноти їхньої нейтралізації, метаболізації без порушення структури клітинних систем.

Вивчення спільного впливу SO₂, NO₂ і O₃ у різних сполученнях на газообмін вуглекислого газу і води лісової рослинності показало, що фумігація одним сірчистим газом знижувала транспірацію і фотосинтез у Allium ursinum. Комбінація SO₂+NO₂ не змінила досліджуваних параметрів у цієї рослини і Melica uniflora, але привела до їх зниження у Oxalis acetosella і Viola reichenbachiana. Обробка SO₂+NO₂+O₃ знижувала газообмін у всіх досліджених видів. Варіабельність реакцій була вище за низьких величин ФАР.

Забруднення навколишнього середовища фторидами викликає значне зниження вмісту пігментів у листі та пригнічення фотосинтезу, порушення активності окисних ферментів, водного режиму, зрушення pH та окислювально-відновного потенціалу. Підвищення концентрації фтористого водню в атмосфері поблизу хімічного комбінату приводить до збільшення частоти хромосомних аберацій, розривові хромосом, посиленню мутаційного процесу у злакових сільськогосподарських культур.

Е.А.Ванштейн і С.В.Солдатенков показали, що фториди, при їхній інфільтрації з водних розчинів у зрізаних листах квасолі гальмують гліколіз шляхом інактивування енорази, підсилюючи пентозфосфатний шлях окислювання цукрів. Луштинець із співавторами, навпаки, виявив під впливом фториду активацію гліколізу і гальмування пересування глюкози у листі пшениці. Цими ж авторами встановлено, що під впливом фторидів відбувається посилення пентозфосфатного шляху окислення цукрів у рослин, вирощених у розчині гіберелової кислоти. Під впливом фтору у проростків пшениці на 29,2 % знижується інтенсивність видимого фотосинтезу, у ячменя – на 24,4 %, у кукурудзи – 35,5 %. Зниження фотосинтезу спостерігається і за впливу азотистих сполук.

Забруднення навколишнього середовища в значною мірою впливає на білковий обмін рослин. Залежно від діючих речовин можуть відбуватися різні порушення синтезу амінокислот і білків, посилення процесів їхнього розпаду. Ці порушення приводять до порушень діяльності численних ферментних систем, що веде до змін багатьох метаболічних процесів у рослинах. Причому, саме ферментні системи найбільше лабільні і піддані дії забруднення, тоді як запасні і структурні білки більш стабільні.

Велике значення в білковому обміні грають з'єднання сірки. Сірка як незамінний елемент знаходиться в рослинах в органічній і неорганічній формах. Порівняно з іншими органами рослини найбільш багате сіркою листя. Вміст органічно зв'язаної сірки коливається від 0,06 % у хвої до 0,7 % у листі деяких капустяних. Нейтральна у органічних сполуках сірка входить до складу сульфгідрильних, дисульфідних та сульфогруп або гетероциклічних ядер. SH-форма сірки має велике значення в процесах синтезу незамінних амінокислот цистеїну та метіоніну. Активність багатьох ферментів також залежить від присутності високоактивної SH-групи, як, наприклад, кофермент-А.

Разом з тим, двоокис сірки є сильнодіючою асимиляційною отрутою. Рушійною силою поглинання SO₂ рослинами є дифузія молекул SO₂, головним чином через продихи. Швидкість поглинання SO₂ являє собою функцію градієнта концентрації з поверхні усередину листа та опору до потоку SO₂ (аеродинамічного, кутикулярного, продихового та мезофітного). Основним кінцевим продуктом розчинення SO₂ є сульфат.

Відомі два метаболічних шляхи внутрішньоклітинного сульфіту, які залежать від того, окислиться сульфат, що надійшов, чи ні. Сутність першого шляху полягає в окислюванні SO₃^2- до SO₄^2-, що здійснюється в хлоропластах і в мітохондріях. Вважається, що перетворення SO₃^2-  SO₄^2- у хлоропластах відбувається у ланцюзі транспорту електронів і супроводжується відновленням НАДФ⁺. Сульфіт, що окислився, вступає в нормальний метаболізм сірки, відновлюючи до S^2- у фотосинтетичній системі хлоропластів, що вимагає 180 ккал/моль. Процесові асиміляції сульфату передує його активація за допомогою фосфорилування АТФ. Цю реакцію можна вважати своєрідними «воротами», через які відносно інертний окисел сірки вступає у метаболічний цикл. Процес активації сульфату в більшості організмів відбувається в дві стадії:

АТФ + SO₄^2-  АФС + ФФ_Н ,

АФС + АТФ  ФАФС + АДФ.

Реакція утворення попередника «активного сульфату» - аденозин-5-фосфосульфату (АФС) – каталізується ферментом трансферазного циклу АТФ – сульфурилазою, а реакція утворення «активного сульфату» –3-фосфоаденозин-5-фосфосульфата (ФАФС) – фосфокіназного типу АФС–кіназою. У ряді робіт постулюється існування другого метаболічного шляху відновлення S^4- до S^2- , минаючи стадію окислення. У цьому випадку сульфіт зв'язується з низькомолекулярним білком – переносником HS-Car-SH. Реакція каталізується сульфотрансферазою. Утворення SH-груп у молекулі переносника відбувається в процесі транспорту електронів: швидкість фототранспорту визначає швидкість включення сірки в утримуючу сірку сполуку. Стадією, яка лімітує швидкість відновлення сульфатів, є синтез АФС, тоді як відновлення сульфітів лімітується тільки кількістю SH-груп.

Підвищення вмісту сірки в середовищі і тканинах до певного рівня стимулює реакції фосфорилування і відновлення сульфату, збільшує швидкість включення утримуючих сірку амінокислот у білки, вміст білків, збагачених метіоніном, і ферментів, каталізуючих побічні реакції в метаболізмі сірки. У цей період максимально мобілізуються потенційні можливості клітини до балансування всієї сукупності відповідних реакцій на надлишок сульфату, що виражається в посиленні окисної деградації S-амінокислот, регуляції їхнього синтезу за типом зворотних зв'язків. За подальшого збільшення вмісту сірки можливості регуляції біосинтетичних реакцій та детоксикації метаболітів, що накопичуються в клітинах, сульфоксидів різко обмежуються, що веде до необоротного розладу метаболізму сірки і сполучених з ним інших метаболічних циклів.

Характер впливу SO₂ на білки досить різноманітний: полютант може забруднювати реакційноздатні сульфідрильні групи ферментів; розщеплювати дисульфідні зв'язки, впливаючи на четвертинну структуру молекул; конкурувати з субстратом за активний центр ферменту; знімати алостеричну регуляцію; сприяти появі нових ізоформ; утворювати комплекс із ізоферментом або субстратом, що веде до змін ферментативної активності; змінювати активність ферментів, порушуючи активність комплексних систем.

Фтор є токсичним елементом для рослин. Токсичність фтору може бути викликана порушенням у біосинтезі білка. Проведені дослідження показали пригнічення фтористим натрієм початкового зв'язування аміноацил-т-РНК із рибосомами. Виявлено, що пригнічення включення валіну в білок із препаратів рибосом, попередньо оброблених фтористим натрієм, відбувається швидше, ніж препаратів нормальних рибосом. Це довело, що фтор перш за все пригнічує ініціацію, а не ріст поліпептидного ланцюга. Подальші експерименти показали, що фтористий натрій порушує неферментативне зв'язування ¹⁴C-фенілаланіл-т-РНК із комплексом поли-I і рибосомами. Ферментативне зв'язування т-РНК із цим комплексом залежить від гуанінтрифосфорної кислоти і також придушується фтористим натрієм.

Азот входить до складу амінокислот і, відповідно, білків. Тому дія забруднення навколишнього середовища азотистими сполуками носить двоякий характер. До певних концентрацій синтез амінокислот і білка цими сполуками може стимулюватися, тоді як їхні високі концентрації є токсичними і придушують синтетичні процеси. Так, показано, що підвищені концентрації аміаку в газових сумішах у стійких видів приводять до значного підвищення вмісту вільних амінокислот. У чутливих видів цей показник або збільшується незначно, або знижується. Очевидна, така реакція рослин є одним з механізмів детоксикації аміаку. Аналіз сигналу білкових плям у гелі за допомогою комп'ютерного аналізатора зображень показав, що у рослин Rhododendron mucronatum, фумигированных 410^-6 NO₂ протягом 8 годин, з 1200 білкових плям 2 плями з pI 5,6 і молекулярною масою 25-26 кД збільшують інтенсивність у 5 разів у відповідь на фумігацію. У них виявлені 22 амінокислотних залишку, чергування яких на 57-68 % гомологічне N-термінальним послідовностям герміноподібних білків Таля білої гірчиці та ауксинів’язуючих білків персика.

Таким чином, забруднення повітря негативно відбивається практично на усіх фізіолого-біохімічних процесах рослинних організмів. Разом з тим, стійкі види характеризуються більш стабільним їхнім протіканням та підвищеною адаптивною здатністю.