IX Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Влияние солей тяжелых металлов на плазмолиз протопласта растительной клетки

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Куватова А.В. 1

---

1МБОУ "СОШ" №7

Кутько Л.Г. 1

---

1МБОУ "СОШ" №7

Работа в формате PDF

1.5 MB

Автор работы награжден дипломом победителя I степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

1.Введение

Цель: изучить действие солей тяжелых металлов на состояние растительной клетки.

Задачи:

Обзор источников литературы по теме исследования.

Рассмотрение основных терминов и понятий.

Анализ влияния солей тяжелых металлов на плазмолиз протопласта растительной клетки

Сделать выводы по результатам экспериментов и исследования

Актуальность темы

В последние десятилетия во всем мире усиливается загрязнение окружающей среды токсическими отходами, в том числе и тяжелыми металлами. Тяжелые металлы надолго входят в круговорот органического вещества и, в отличие от многих органических загрязняющих веществ, тяжелые металлы невозможно удалить из окружающей среды путем естественной химической или биологической трансформации, так как они не деградируют и устойчивы в среде.

В связи с возрастанием содержания тяжелых металлов в почве, атмосфере и воде, что становится серьезной экологической проблемой, возникла необходимость разработки методов, которые позволили бы в полной мере оценить действие металлов на физиологические процессы растений, а также выявить механизмы устойчивости, позволяющие им произрастать на почвах с высоким содержанием тяжелых металлов

Объект: растительная клетка.

Предмет исследования: влияние солей тяжелых металлов на клетки кожицы лука.

Гипотеза: соли тяжелых металлов губительно действуют на растительные клетки, приводя к негативным последствиям в росте и развитии растения, или даже к его гибели.

2.Теоретическая часть.

Нормальный обмен веществ в клетке может существовать только при определенной структурной организации. Но, в то же время структура клетки создается и поддерживается в процессе обмена веществ.

Протопласт - активное содержимое растительной клетки, представляющее собой чрезвычайно сложное образование, дифференцированное на различные компоненты, называемые органеллами (органоидами), которые имеют характерное строение и выполняют специфические функции.

Движение протопласта – один из очень чувствительных показателей жизнеспособности клетки. В живой растительной клетке содержимое цитоплазмы находится в постоянном движении. Можно видеть, как органоиды и другие включения вовлекаются в это движение, называемое током цитоплазмы или циклозом. Циклоз прекращается в мертвых клетках.

Плазмолиз - отделение содержимого клетки(протопласта) от клеточной стенки в гипертоническом растворе (соленой воде).

Плазмолиз происходит в случае, когда концентрация солей во внешней жидкой среде выше, чем в цитоплазме клетки: цитоплазма, обладая свойством полупроницаемости, не пропускает внутрь клеток растворенные в воде вещества(соль). Цитоплазма, в силу эластичности, следует за сокращающейся вакуолью, и протопласт отделяется от клеточной стенки. (приложение№1)

Есть 2 способа сравнительной оценки плазмолиза в тканях:

Метод пограничного плазмолиза

Плазмометрический метод

В первом методе, который создал Хуго Де Фриз, ткани погружаются в растворы KNO3, сахарозы или других осмотически активных веществ разной концентрации, и определяется концентрация, при которой плазмолизируется 50 % клеток. Плазмометрический метод заключается в измерении после плазмолиза относительных объёмов клетки и протопласта и вычислении по концентрации раствора осмотического давления клетки.

Тяжелые металлы - химические элементы со свойствами металлов (в том числе и полуметаллы) и значительным атомным весом либо плотностью.

К тяжелым металлам относят химические элементы, имеющие плотность более 5 г/см3 и атомную массу свыше 40 Да^[1]. С точки зрения значимости тяжелых металлов для растений их можно разделить на две группы:

необходимые в небольших концентрациях для жизнедеятельности растений (Co, Cr, Cu, Fe, Mn, Mo, Ni, Zn), которые становятся токсичными только при значительном повышении их содержания в почве и растениях.

не участвующие в метаболизме растений (Cd, Hg, Pb) и токсичные даже в очень низких концентрациях.

Опасность загрязнения окружающей среды тяжёлыми металлами сводится к следующему:

1. Попадая в почву, тяжёлые металлы усиливают минерализацию органического вещества, вызывая негативные изменения в почвенно-поглощающем комплексе, вследствие замещения кальция и магния. Снижается ферментативная активность почвы, т.к. снижается жизнеспособность полезных микроорганизмов, увеличивается количество грибов, подавляется активность многих ферментов (каталазы и т. д.). Это приводит к деградации плодородия почвы и снижает её способность к самоочищению;

2. Проникая в растения, они могут активно участвовать в метаболических

^[1]Титов А.Ф., Таланова В.В., Казнина Н.М. Физиологические основы устойчивости растений к тяжелым металлам – М.: Институт биологии КарНЦ РАН. Петрозаводск: Карельский научный центр РАН, 2011. 77 с.

процессах, но могут сохраняться в виде неактивных соединений в клетках и на

клеточных мембранах. В результате снижается продуктивность растений и качество продукции, происходят изменения в направленности физиолого-биохимических процессов и реализации генетической программы растений, нарушаются естественно сложившиеся фитоценозы;

3. Тяжёлые металлы, накапливаясь в растениях, по трофическим цепям с кормом и продуктами питания попадают в организм животных и человека, вызывая различные заболевания. Опасность увеличивается ещё и потому, что высшие растения без видимых признаков отравления могут накапливать токсичные для человека и животных концентрации тяжёлых металлов. В связи с этим особую актуальность приобретают исследования превращения тяжёлых металлов по всей экологической цепи почва- растение- животное- человек с целью улучшения гигиенического качества продукции и среды обитания человека. Тяжёлые металлы могут усваиваться живыми организмами также непосредственно из воды и воздуха.

4. Если в микроскопических дозах многие вещества необходимы для биохимических процессов в организме, то превышение их предельной допустимой концентрации вызывает патологические явления, такие как:

ослабление имунной системы;

аллергические реакции;

болезни ЛОР-органов, легких, сердечно-сосудистой системы;

онкозаболевания.

3.Влияние на растения солей меди

Медь - незаменимый для растений элемент. В растениях до 98 % металла находится в нерастворимом связанном состоянии. Относительно богаты этим элементом семена и растущие части побега. В листьях большая часть меди сконцентрирована в хлоропластах и почти половина – в составе пластоцианина, одного из переносчиков электронов между ФС I и ФС II. Большинство функций меди связано с ее участием в ферментативных окислительно-восстановительных реакциях. Кроме того, медь способствует образованию хлорофилла и замедляет его разрушение в темноте, усиливает процесс связывания молекул азота. Она также способствует поступлению в организм марганца, цинка и бора, повышает засухо-, морозо- и жароустойчивость, принимает активное участие в защите против болезнетворных микроорганизмов.

4.Влияние на растения солей марганца

Локализуется в листьях. В растительных клетках участвует в системе выделения кислорода при фотосинтезе. Марганец входит в состав кислородовыделяющего комплекса ФС II, а также участвует в защите растения от активных форм кислорода. Кроме того, этот металл является активатором более 35 ферментов в клетке, в частности, участвующих в цикле Кребса. Наиболее важные функции марганца в растениях связаны со стимуляцией ферментов углеводного обмена, увеличением оттока сахаров в корень, усилением интенсивности дыхания и окисления углеводов. Помимо этого, марганец способствует избирательному поглощению ионов из внешней среды, играет важную роль в росте клеток, повышает водоудерживающую способность тканей, снижает транспирацию.

5.Влияние на растения солей цинка
Цинк играет важную роль в азотном, углеродном и фосфорном обменах, способствует синтезу нуклеиновых кислот и белка. Входит в состав более 200 ферментов. Активирует карбоангидразу, катализирующую реакцию дегидратации в процессе фотосинтеза. Цинк играет важную роль в синтезе ИУК (индолил-3-уксусная кислота), что связано с его участием в образовании аминокислоты триптофана. Подкормка цинком способствует увеличению содержания ауксинов в тканях и активирует рост клеток. Цинк способствует повышению устойчивости растений к стрессовым воздействиям.

6.Влияние на растения солей натрия

Натрий – элемент, который входит в группу условно необходимых для растений микроэлементов, его содержание в них составляет в среднем 0,02%. Участвует в транспортировке полезных веществ через клеточные мембраны, являясь одним из компонентов натрий-калиевого насоса. Кроме того, он регулирует доставку углеводов в растениях. Натрий способен активизировать некоторые ферменты, но механизм этого воздействия не изучен полностью. Отмечено, что при хорошей обеспеченности культур натрием повышается их зимостойкость.

7.Практическая часть

Для проведения практической части я использовала метод пограничного плазмолиза, который разработал Хуго Де Фриз в 1884 году. Он заключается он в погружении тканей в растворы с различной концентрацией осмотически активного вещества.

Ход работы:

с мясистой чешуи луковицы я сняла пинцетом кусочек кожицы

положила его в каплю воды (гипотонический раствор) на предметном стекле, осторожно расправила кожицу препаровальной иглой(приложение№2)

при помощи фильтровальной бумаги убрала излишки воды

окрасила клетки 1-2 каплями бриллиантового зеленого

при помощи фильтровальной бумаги убрала оставшуюся воду и излишки «зеленки»

добавила 2-4 капли 5% растворов CuCl₂, NaCl, ZnCl₂, MgCl₂(по отдельности на 3х предметных стеклах каждый)

через 3-5 минут накрыла покровным стеклом

посмотрела на препарат под микроскопом

сфотографировала результаты

Опыт 1: «Влияние хлорида меди (CuCl₂) на плазмолиз протопласта растительной клетки»

Опыт 2: «Влияние хлорида натрия (NaCl) на плазмолиз протопласта растительной клетки»

Опыт 3: «Влияние хлорида цинка (ZnCl₂) на плазмолиз протопласта растительной клетки»

Опыт 4: «Влияние хлорида марганца (MgCl₂) на плазмолиз протопласта растительной клетки»

Выводы: в результате проведения опытов, я выяснила, чтопри отмачивании растительной клетки в 5% растворах солей в течении 3-5 минут можно наблюдать явление плазмолиза более, чем 50% клеток, и, как уже было сказано, наблюдается гибель клеток, доказательством чему служит прекращение движения цитоплазмы(циклоза). Наименьшее разрушительное влияние оказывают ионы Na⁺, наибольшее – Zn²⁺. Можно предположить, что это связано с тем, что при гидролизе хлоридов металлов:

CuCl₂ + 2H₂O = Cu(OH)₂ + 2HCl

NaCl + H₂O = NaOH + HCl

ZnCl₂ + 2H₂O = Zn(OH)₂ + 2HCl

MgCl₂ + 2H₂O = Mg(OH)₂ + 2HCl

При гидролизе хлорида натрия образуется нейтральная среда, а при гидролизе хлорида цинка, марганца и меди – кислая.

Так же, при наблюдении за влиянием хлоридов металлов на плазмолиз растительной клетки, было выявлено, что кол-во «плазмируемых» клеток варьируется. Ниже, на диаграмме, приведены приблизительные процентные данные кол-ва клеток, поддавшихся плазмолизу под влиянием солей тяжелых металлов.

8.Заключение

В результате проведенной исследовательской работы были изучены несколько источников по данному вопросу, подтверждающие негативное влияние солей тяжелых металлов на растительный организм. Эта гипотеза также подтвердилась данными эксперимента, проведенного мной.

На основании этого можно сделать предположения:

1.Клеточная мембрана полупроницаема, пропускает воду и не пропускает растворенные в ней вещества.

2.Цитоплазма эластична, вследствие этого она способна в гипертоническом растворе отставать от клеточной стенки.

3.Плазмолиз можно наблюдать только в живых растительных клетках, так как они содержат прочные клеточные стенки.

4.Вместе с водой и другими веществами из почвы тяжелые металлы попадают в клетки растений.

5.Т.к. все растворы солей металлов имели одинаковую концентрацию, равную 5%, можно не учитывать данный фактор в сравнении влияния различных солей на плазмолиз, тогда: наиболее сильное влияние на протопласт растительной клетки оказывает цинк, т.к. под его влиянием «плазмируется» более, чем 75% клеток, используемых в эксперименте; наименьшее же влияние в результате экспериментов оказал натрий, под влияние которого попало чуть более 55% растительных клеток.

6.При влиянии солей тяжелых металлов на структуру клетки растения, в данном случае кожицы лука, клетка погибает. Доказательством тому служит движение протоплазмы: при добавлении солей тяжелых металлов в большинстве случаев происходило нарушение движения протоплазмы(циклоза), что также приводит к нарушению обменных процессов в клетке, вследствие нарушения перераспределения продуктов обмена веществ, что приводит к гибели клетки.

7. Многие тяжелые металлы участвуют в биологических процессах и в определенных количествах являются необходимыми для функционирования растений, животных и человека микроэлементами. С другой стороны, тяжёлые металлы и их соединения могут оказывать вредное воздействие на организм человека, способны накапливаться в тканях, вызывая ряд заболеваний. Не имеющие полезной роли в биологических процессах металлы определяются как токсичные металлы. Некоторые элементы как обычно имеющие токсичное влияние на живые организмы, могут быть полезны для некоторых видов.

Резюмируя все вышесказанное, данная работа может получить применение в работе над разработками методов выращивания растений на почвах, содержащий большое количество тяжелых металлов.

9.Список литературы

Википедия [Электронный ресурс] https://ru.wikipedia.org/wiki/Плазмолиз

Генкель П.А. Физиология растений. – М.: Просвещение, 1970, 192 с.

Дефицит и избыток микроэлементов. Как определить и

устранить.[Электронный ресурс] https://zen.yandex.ru/media/id/5a446a1d57906a9a9f5f1163/deficit-i-izbytok-mikroelementov-kak-opredelit-i-ustranit-5b02c8f755876b749b0f265d

Персикова Т. Ф. Тяжёлые металлы и окружающая среда: Лекция для студентов с. - х. вузов / Т. Ф. Персикова Н. П. Решецкий - Горки, 1995. - С. 5 -18.

Проблемы устойчивого развития горных территорий (Материалы Дня науки, 22 апреля 2010 г.); Сев.-Осет. гос. ун-т им. . Владикавказ.// Изд-во СОГУ, 2010. – С.88.

Рубин Б.А. Большой практикум по физиологии растений. – М.: Высшая школа, 1978, 408 с. 

Титов А.Ф., Таланова В.В., Казнина Н.М. Физиологические основы устойчивости растений к тяжелым металлам – М.: Институт биологии КарНЦ РАН. Петрозаводск: Карельский научный центр РАН, 2011. 77 с.

Федорова А.И. Практикум по экологии окружающей среды. – М.: Владос, 2001, 287с. 

Ходаков Ю.В. Неорганическая химия. – М.: Просвещение, 1972, 432 с. 

10.Приложения

Приложение№1Плазмолиз клетки в гипертоническом растворе

Протопласт

Ядро

Клеточная стенка

Вакуоль

Приложение№2.Пиготовление препарата чешуи кожицы лука

Приложение№3

Влияние CuCl₂

Приложение№4

Влияние NaCl

Приложение№5

Влияние ZnCl₂

Приложение№6

Влияние MgCl₂