Дипломдық жұмыс: Биология | Ауыр металл тұзы cdcl2 нің жұмсақ бидай сорттарына әсерін зерттеу

Мазмұны

КІРІСПЕ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .


1 ӘДЕБИЕТТЕРГЕ ШОЛУ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1.1 Ауыр металл - кадмийдің ашылу тарихы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.2 Табиғатта кездесуі . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.3 Кадмийдің: экологиялық аспекттілері . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.4 Топырақтағы кадмий мөлшері және оның өсімдіктерге енуі . . . . . .
1.5 Кадмийдің өсімдік бойымен қозғалуы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.6 Өсімдіктердің кадмийге төзімділігі . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.7 Металлотионейннің механизмі . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.8 Өсімдіктердің өсуі мен дамуындағы ауыр металлдардың физиологиялық ролі . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.9 Ауыр металл тұздарының өсімдік және жануарлар организміне әсері . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.1.1 Ауыр металдар мен аллюминий қосылыстарындағы фито және цитотоксикалық активтілікті бағалау . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.1.2 Селекциядағы химиялық мутагенез . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.1.3 Химиялық мутагендердің әсер ету механизмі . . . . . . . . . . . . . . . . .


2 МАТЕРИАЛДАР МЕН ӘДІСТЕРІ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3 НӘТИЖЕЛЕР ЖӘНЕ ОЛАРДЫ ТАЛДАУ . . . . . . . . . . . . . . . . . .

ҚОРЫТЫНДЫ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
ТҰЖЫРЫМ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
ПАЙДАЛАНЫЛҒАН ӘДЕБИЕТТЕР . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
ӘДЕБИЕТТЕРГЕ ШОЛУ

1.1 Ауыр металл - кадмийдің ашылу тарихы.

1817 жылы неміс химигі Штромейер цинк оксидінің тұнбасынан белгісіз элементті бөліп алып, оны кадмий деп атайды. 1888ж кадмий кен орындарында цинкпен бірге жүретін элемент ретінде табылды. Кейіннен, оның мыс және қорғасын кендерінде 2-7% аралығында болатындығы анықталды. Кадмий –жануарлармен өсімдіктердің қалыпты өміріне қажетті элемент болмағандықтан, 150 жылға жуық уақыт биологтардың назарын аудартпаған. Кадмий - бояғыш заттар, гальваникалық және күн батареяларын өндіруде, полихлорвинилді шайырдың тұрақтандырғышы ретінде, әртүрлі құймалар дайындауда, антикоррозиялық жабындарда, атомды реакторларда және т.б жерлерде қолданыс тапты. Ал бұл өз кезегінде қоршаған ортада (ауада, топырақта, суда) кадмий мөлшерінің күрт жоғарылауына әкелді. Мысалы, Швецияда 1916-1972 жылдарда бидайдың бір дәніндегі кадмий мөлшері шамамен 4 есе , яғни 1г құрғақ массасына шаққанда 15мкг-нан 57 мкг-ға дейін жоғарлаған. 1975 жылғы мәлімет бойынша АҚШ тұрғыны тәулігіне 3-20мкг кадмий жұтатындығы дәлелденген [1].
Д.Р.Малюга ең алғаш табиғи өнімдерден (бірқатар балдырлар және су жануарларынан) кадмий мөлшерін анықтаған. Оның мәліметтері бойынша 1г құрғақ массаға 1,5*10-5%-ды құраған. Ол Cd/Zn=1/20 қатынасы тұрақты деген қорытындыға келіп, кадмийдің осындай мөлшері және цинкпен қатынасы адам мүшелеріне де тән деген болжам жасаған. Кадмий мөлшерінің жоғарылауы қалыпты тіршілікті бұзады. Бұны дәлелдеу үшін ол өз еңбегінде, жүрек ауруынан өлген адамдардың бүйрегіндегі кадмий мөлшері 3,8-10-4% ал цинктің мөлшері небары 5-6 есе көп деген мәліметтер келтіреді [2].
Кадмийдің жануарлар мен адам организміндегі мөлшерін А.О.Войнар анықтаған [3]. Ол кадмий әртүрлі балықтардың, амфибиялардың, бауырмен жорғалаушылардың және омыртқалылардың, соның ішінде адамдардың органдарында кездесетіндігін, негізінен бүйрек пен бауырда жиналатындығын және жас ұлғайған сайын оның мөлшері де жоғарылайтындығын көрсетті.
Кадмийдің адам организміне улы әсері жайлы алғашқы бақылаулар 40-шы жылдарда анықталып, 20-ға жуық жағдайда кадмийдің тағам және су арқылы түсуінен улану болатындығы тіркелді. Ал 1941-1946 жылдар аралығында бұндай жағдайлардың 700-ге жуығы есепке алынды.[4].
1969 жылы жапон дәрігері Тсухия Жапония аудандарының біріндегі ерекше ауру жайлы мәлімдеме жасап ,оны “Итай-Итай” деп атайды. Оның тура аудармасы “ай-ой” дегенді білдіреді. Осы аурумен ауырғандардың буындары қақсаған. Клиниклық анализ глюкозонурия, аминоацетонурия, остеомаляция сияқты заттардың алмасуы бұзылғандығын көрсеткен. ”Итай-Итай” пайда болу себебі қоршаған ортада кадмийдің күрт жоғарылауынан туындаған [5].
Қазіргі таңда кадмийдің жануар және адам организміне улы әсері жайлы көптеген мәліметтер бар. Бұндай зерттеулердің негізгі нәтижесін қысқаша түрде былай келтіруге болады: кадмиймен организмге ұзақ уақыт бойы әсер ететін болса, онда ол бүйрек пен бауырда жинақталып, заталмасу кезінде бұзылыстар туғызады да, гликоген мен белоктардың интенсивті гидролизі басталады. Қанттар мен аминқышқылдары қанда жинақталып организмнен шығарылады. Нәтижесінде бірқатар мүшелер мен ұлпалардың құрылымы бұзылады [6].
Соңғы 10-15 жылдар ішінде кадмийдің өсімдіктерге әсері жайлы көптеген материалдар жарияланды. Олардан белгілі болғаны: кадмий өсуді, фотосинтез бен тынысалу процесстерін, ферменттердің активтілігін тежейді. Құрамындағы кадмийдің мөлшері жоғары топырақтарда өнімділік анағұрлым төмендеп, алынған өнімде кадмий мөлшері көп болады. Ал бұл адам қорегінің негізгі көзі болып табылады.

1.2 Кадмий – дің табиғатта кездесуі

Кадмий (Cd) жасыл қабатта кеңінен таралған. Орташа концентрациясы шамамен 0,1 мг/кг, әдетте ол цинкпен бірге кездеседі. Жел мен эрозия салдарынан Cd-ң көп мөлшері 15000 г дейін өзендермен әлемдік мұхитқа енеді.
Рудалық денелерден алыс фонды кеңістіктерде топырақ бетіндегі кадмий концентрациясы 0,1-0,4 г құрайды. Вулкандық емес топырақтарда кадмийдің орташа концентрациясы 0,01-1 мг/кг аралығында ауытқиды, ал вулканды топырақтарда 4,5 мг/кг. Вулкандық іс-әрекеттер кадмийдің негізгі табиғи көзі болып табылады, глобальдық жылдық ағын - 100-500 т-ға дейін. Алыс, тұрғылықсыз аудандардағы кадмийдің ауадағы концентрациясы 1 мг/м3 . Өндірісте кадмий – болатқа қорғаныш жамылғы ретінде қолданылады. Сонымен қатар, ПВХ-р үшін стаибилизатор; пластмасса мен әйнек үшін пигмент, никель-кадмийлі батареялар үшін электродты материал; көптеген балқымалар компоненті болып табылады.

1.3 Кадмийдің экологиялық аспекттілері

Кадмий (атомдық номері – 48; салыстырмалы атомдық массасы – 112,40) – металлдық элемент периодтық кестеде цинк және сынаппен бірге II Б тобына жатады. Кейбір кадмий тұздары, мәселен сульфид, карбонат және оксид суда мүлде ерімейді; ал табиғатта суда еритін тұздарға айнала алады. Суда еритіндерге сульфат, нитрат, галогендер жатады. Қоршаған ортадағы кадмийдің кездесетін формасы потенциальды қауіптілікті бағалау үшін өте маңызды. Теңіз суындағы кадмийдің орташа мөлшері шамамен 0,1 мкг/л құрайды. Өзен суында ерігіш кадмий 1 мен 13, 5 мг/л аралығында ауытқиды; ал ауада 1 мг/мл-н артпайды. Ластанған топырақта кадмийдің орташа концентрациясы 0,2-0,4 мкг/кг. Кей жағдайда өте жоғары көрсеткішке ие, яғни 160 мг/кг[7].
Кадмийдің сіңірілуі мен организмдерге токсикалық әсері қоршаған орта факторларына тәуелді. Температураның көтерілуі сіңірілу мен улылығын жоғарылатады, ал судың тұздылығының жоғарылауы оларды төмендетеді. Су құрамындағы органикалық заттар кадмийдің байланысуының және организмдер үшін оңай енуінің төмендігінен сіңірілу мен токсикалық әсерді азайтады. Кей жағдайда кейбір органикалық заттар кері эффект көрсетеді.
Кадмийдің табиғи көздері – цинк, қорғасын, мыс рудалары, әртүрлі тау жыныстары, топырақ, су және мұнай болып табылады. Кадмий белоктармен және басқа органикалық молекулалармен байланысқан түрде кездесіп, органикалық қышқылы бар тұз түзеді. Бірақ кадмий ковалентті байланыста болып кездесетін көміртегімен байланысады, бұны бейорганикалық деп атайды.
CdCl2-нің салыстырмалы тығыздығы – 4, 047; ал балқу температурасы – 568ос; қайнау температурасы – 960ос; суда ерігіштігі 1400 г/л; 20ос температурада топырақ ылғалында кадмий иондар түрінде кездеседі. Олар: Cd++; CdCl2+; CdSO4o; CdSO3o; CdOH+. (ВОЗ,1994)


1.4 Топырақтағы кадмий мөлшері және оның өсімдіктерге енуі.

Жер қабатында кадмий мөлшері 0,15 мг/кг құрайды. Кадмий жанартаулы жыныстарда 0,001-0,8 аралығында ауытқиды, ал таулы жыныстарда 3-011 мг/кг аралығында болады. Осындай жыныстардан түзілген топырақтарда кадмий мөлшері 0,1-0,3 және 11 мг/кг болады[8]. Топырақтың 20 сантиметрлік жыртылатын қабатында кадмий мөлшері топырақ массасының 10-70мкг/кг аралығында ауытқиды. Ал, өте ластанған аудандарда бұл көрсеткіш ондаған есе жоғарылауы мүмкін. Топырақта улы металдардың, соның ішінде кадмий мөлшерінің жоғарылауы жер бетіне жақын жатқан кен орындарының табиғи диффузиясының нәтижесінде, минералдық ресурстарды тасымалдау және металлургиялық кәсіпорындардың қалдықтарымен қоршаған ортаның ластануының нәтижесінде болуы мүмкін. Сонымен қатар, қалалық ағын сулардың шөгінділері де кадмийдің топыраққа түсуінің негізгі көздерінің бірі болып табылады. Және де кадмийдің негізгі көзі тыңайтқыштар арқылы енеді, әсіресе суперфосфат.Осы тыңайтқыштарда кадмий концентрациясы мен фосфор арасында корреляция болады. Фосфориттер құрамына 5-100 мг/кг кадмий кіреді,және де оның көп бөлігі тыңайтқыштарға айналады[9].
Фосфоритті кендердегі кадмий мөлшері географиялық зоналарға байланысты әртүрлі (мг/кг). Флоридада (АҚШ)-3-15;АҚШ-ң батысында -130;Австралияда -4-150 .
Фосфорлы тыңайтқыштар құрамында кадмий мөлшері өте аз болса да , оның жыл сайынғы топыраққа түсуі 10 г/га құрайды. Суперфосфат арқылы енетін кадмий өсімдіктермен оңай сіңіріледі. Вегетациялық және далалық тәжірибелер көрсеткендей, арпа-топыраққа түскен кадмийдің 50-74%-н сіңіреді[10].
Топыраққа кадмийдің жиналуын және өсімдіктер сіңіруі үшін қолайлылығын анықтайтын негізгі факторларға –топырақтың механикалық құрамы мен қасиеті және онда кадмийдің ерігіштігі мен қозғалғыштығы жатады. Топырақтың механикалық құрамы жеңіл болған сайын, кадмийдің қозғалыс жылдамдығы жоғарылайды. Кадмийдің топырақтағы ерігіштігі мен қозғалғыштығы оның өсімдіктерге енуін анықтайды. Кадмий иондары тамыр арқылы сіңірілуі үшін, олар белгілі бір уақыт аралығында тамыр бетіне жақын орналасуы керек. Тамыр орналасқан топырақ, бейорганикалық және органикалық заттар арасында қарым-қатынас туғызатын химиялық және микробиологиялық өзгеріске ұшырайды. Металл иондарының өсімдіктер сіңіруі үшін қолайлығы бейорганикалық және органикалық лигандаларға байланысты.
Волк пен Лигхарт[11] тәжірибелері, топырақтың ауасындағы СО2концентрациясы мен pH-ң маңызды екенін көрсетеді. СО2 мөлшері 10% болғанда кадмий органикалық қосылыстар үлесіне pH 5-6 топырақ ерітіндісіндегі кадмийдің жалпы мөлшерінің 37 және 1% тиеді, ал СО2 0,035%болса -48 және 58% pH –ң маңызы жоғарыласа кадмий карбонат түрінде тұнбаға түседі.
pH 4-7 интервалды құрайтын сулы ортада жасалған тәжірибелерде қоректік ерітіндіге гумин қышқылдарын қосқанда жүгері тамырларының кадмийді сіңіруі біршама төмендейтіндігін көрсетті .
Топырақ pH –ы маңызды роль атқарады. Топырақ pH-ы қышқылды болған жағдайда кадмий оңай қозғала алады. Жалпы алғанда топырақ pH-ы жоғарылаған сайын өсімдіктердің кадмийді сіңіруі төмендейді. Бұл оның топырақ ерітіндісінде ерігіштігінің төмендеуімен байланысты. Қышқыл топырақтар бейтарап және сілтілі топырақтарға қарағанда ауыр металлдарды ұстап қалады. Қышқыл топырақтардың әктенуі өсімдіктер сіңіруіне қолайлы кадмийді төмендетеді. pH жоғарылауы сонымен қатар кадмий иондарының қозғалысын өзгертеді. Мәселен, pH 3,4 тен 8,1-ге өзгеруі оның қозғалысын екі есе төмендеткен. Топырақ pH-ң 5,7ден 6,7-ге жоғарылауы жүгері өскіншелеріне кадмийдің енуін 67%-ға қысқартқан. pH 7,5 болғанда CdCO3 түзілуінің нәтижесінде кадмийдің ерігіштігі шектеледі [12].
Салат, жүгері, томат, қызылша сияқты өсімдіктердің 4 қышқыл және 4 карбонатты қышқылдарда кадмийді сіңіруі зерттелген. Кадмийдің сіңірілуі оның топырақ ерітіндісіндегі концентрациясына пропорциональды жүрген, бірақ қышқыл топырақта ылғи жоғары болған
Бұршақ, редис, салаттағы кадмий мөлшері карбонатты топыраққа қарағанда, қышқыл топырақта анғұрлым жоғары болған. Кадмийдің улы әсерлерін төмендетудің шараларының біріне топырақтың әктенуін жатқызуға болады, өйткені ол pH-ты жоғарылатып өсімдік тамырларымен кадмийдің сіңірілуін төмендетеді. Қышқыл тыңайтқыштарды енгізу кадмийдің ерігіштігін жоғарылатады[13].
Хлоридтердің болуы топырақтағы кадмий тұздарының ерігіштігін жоғарылатуда маңызды фактор болып табылады. Топырақта pH 8-8,5 және хлорид мөлшері 350мг/кг –нан жоғары болғанда кадмий, цинк, қорғасын тұздары гидроксид түрінде басым болады.
Құрамында кадмий жоқ тыңайтқыштарды қолданудың нәтижесінде кадмийдің өсімдіктермен сіңірілуі өсуі мүмкін. Мәселен, оның күздік бидайдағы концентрациясы құрамында аз мөлшерде кадмийі бар калий нитратының енгізу дозасын көтеру салдарынан жоғарылаған. Мұны әртүрлі химиялық реакциялардың алмасу нәтижесі деп болжауға болады. Қарастырып отырған процесте топырақ микроорганизмдері де маңызды роль атқарады. Олар хелаттаушы агенттермен кадмийге өте ұқсас ерігіш лигандалар қалыптастырады .
Өсімдіктердің кадмийді сіңіруі басқа да факторларға байланысты болады: мембраналық транспорттың кинетикасына, су мен иондардың қозғалыс жылдамдығына, кадмийдің басқа элементтермен қарым-қатынасына, сіңірілген иондардың одан ары метабализміне байланысты болады. Пейдж және тағы басқа авторлар [14] сулы ортада шаруашылық маңызы бар 9 түрлі өсімдікке кадмийдің әсерін зерттеген. Кадмийдің 0,1 мг/л концентрациясында шпинат, соя, репаның өсуі 25%-ға тежелген. Дәл осындай әсер қырық қабат үшін кадмийдің 4мг/л концентрациясында байқалған.
Бірқатар өсімдіктер үшін кадмийдің топырақта және ұлпаларда жиналуының шектеуші концентрациясы жасалған. Оның көтерілуі өсуді тежеп, өнімділікті 10%-ға төмендетеді: күріштің жапырағы мен сабағы үшін –10-20мкг/кг, сол үшін топырақтағы мөлшері –10, ал ұлпаларда-3-5мкг/кг[13].
Кадмийдің енуі оның топырақтағы немесе ерітіндідегі концентрациясы өскен сайын жоғарылайды. Жүгеріде кадмий мөлшерін 5мг/л-ге көтергенде оның өсімдік бойындағы мөлшері өсіп, құрғақ массасы төмендеген. Өсімдік өліміне әкелетін кадмийдің шекті мөлшері құрғақ массаның –20мг/кг құрайды. Күріште, сулы қоректік ортада кадмий мөлшері 0,005мг/л болғанда ол 0,5 мг/кг мөлшерде жинақталып 0,1-мг/л-30мг/кг-ға дейін жеткен. Егер ерітіндіде кадмий концентрациясы 0,25мкМ-ден төмен болса,ол өсімдіктің өсуіне әсер етпеген. Ал 6 мкМ конценрацияда өсудің қатты тежелгендігі байқалған.
Бірқатар катиондар кадмийдің сіңірілуін төмендете алады. Жүгері өскіншелерінде кальций кадмийдің енуін басып тастап отырған. Ол тамырдың адсорбциясын төмендету негізінде жүзеге асады. Кадмийдің жерүсті бөлігінде сіңірілуі мен тасымалдануы цинктің жоғары концентрациясымен тежелген (Zn/Cd-10:1)
Егер қоректік ортада бірнеше катион болса, олардың арасындағы қатынас бәсекелестік сипатта болады. Мысалы кадмий, мыс, цинк, қорғасын, никель сияқты элементтердің біреуімен бірге кездессе, оның улылық әсері төмендейді [15].

1.5 Кадмийдің өсімдік бойымен қозғалуы.

Марганец, мырыш, мыс сияқты бірқатар қоректік элементтердің катиондарын зерттеу, олардың райграс жапырақтарының ұлпаларында аниондық органикалық комплекстер түрінде болатынын көрсеткен. Қоректік элементтер катиондарының мұндай комплекстер түзуі, оларға клетка ішінде қозғалуға және олардың метабализмге қосылатын аудандарға жетуіне мүмкіндік береді деген гипотеза айтылған. Улы металлдар үшін мұндай комплекстердің түзілуі зиянсыздандырғыш болып табылады.
Грилинг пен Петерсон бірқатар өсімдіктердің жерүсті бөлігі мен су ерігіш фракциясына талдау жасап, 90%-тен жоғары кадмий Cd2+ ионы түрінде көрсетілгендігін анықтады [16]. Осыған сүйене отырып кадмий жерүсті бөлігіне катион ретінде тасымалданады деген қорытынды жасалды. Бірақ, Митсуо мен Акира[17] күріш өсімдігінде кадмий жоғарғы бөлікке ксилема бойымен органикалық комплекстер түрінде жылжиды деп дәлелдейді. Ортада кадмий мөлшерінің жоғарылауы тамырдың метаболиттік активтілігін төмендетеді. Бірақ топырақты су алған жағдайда кадмий тамыр арқылы сіңіріледі, оның жоғары қарай тасымалдануы оттегі жетіспеушілігінің нәтижесінде әлсіз болады. Авторлардың ойынша кадмийдің тамырдан жерүсті бөліктерге оңай өтуі үшін ерігіш органометаллдық комплекске айналуы керек. Кадмийдің сабаққа және одан ары әртүрлі ұлпаларға таралуына 115Cd және гамма радиацияның жартылай өткізгіш детекторын пайдалану арқылы 26 күндік томат өсімдігіне зерттеулер жүргізілген. Алғашқы 30-60 минут лаг-периодқа сәйкес осы уақыт аралығында кадмий сабақ негізінде байқалған. Келесі 6 сағатта жасаушы ұлпалармен ксилема жолдарының кадмиймен қанығуы жүреді. Одан кейін сызықтық фаза туады да, ксилемадағы кадмий мөлшері тұрақтанады.
Кадмийдің сабақ бойымен жылжу жылдамдығы 0,35-0,6 м/сағ құрайды. Кадмийдің ксилемадан жылжуы жолдарға жалғасқан паренхимді клеткалармен шектелмейді, ол эпидермисті қоса барлық ұлпаларға радиальді таралады. Кадмийдің латеральді қозғалу процесі ксилема ауданының екі жағында бірдей емес. Кадмий ксилемадан эпидермиске қарай баяу жылжиды, оны коэффициенті 10-8 см2/с диффузия процесі ретінде суреттеуге болады. Ал ксилемадан ішке қарай жылжуы бірнеше есе тезірек жүзеге асады. Кадмийдің қабық пен өзектегі жалпы мөлшері уақытқа пропорциональді біртіндеп жоғарылайды. Екі күннен кейін кадмий қабық клеткалары мен эпидермисте көп мөлшерде жинақталады. Құрамында 115Cd бар қоректік ерітіндіні дәл осындай радиактивсіз кадмий ерітіндісімен немесе кальций нитратымен ауыстыру, 115Cd-ң ксилемадан босап шығуына және оның сабақ пен жапырақтардың беткі бөліктерінде жинақталуына әкеледі. Яғни, ксилема жолдарының қабырғаларында....