XVIII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2026

Введение. Загрязнение почв тяжелыми металлами (ТМ), поступающими с промышленными выбросами, автотранспортом и удобрениями, является серьёзной экологической проблемой, угрожающей качеству окружающей среды и здоровью человека. Эти элементы накапливаются в почвах, откуда проникают в корни растений, вызывая серьёзные нарушения базовых физиологических процессов: подавление фотосинтеза и дыхания, снижение функциональности клеточных мембран и нарушение осмотического баланса [1, 2]. Кроме того, ТМ блокируют синтез жизненно важных ферментов и нуклеиновых кислот, а также вызывают окислительный стресс. [3, 4]. Особое внимание заслуживает генотоксическое воздействие тяжёлых металлов, которое способно вызывать необратимые повреждения ДНК, привести к мутациям и спровоцировать хронические патологии у растений, животных и человека [5, 6, 7].

Цель данного обзора – проанализировать и обобщить имеющиеся данные о генотоксическом воздействии тяжёлых металлов на растения и экосистемы, охарактеризовать механизмы повреждения генома и изучить эффективные методы оценки степени поражения растений в загрязнённых почвах.

Классификация и характеристика тяжелых металлов. Среди тяжёлых металлов, попадающих в почву и представляющих наибольшую угрозу для растений и окружающей среды, чаще всего встречаются:

• Кадмий (Cd): нарушает клеточную мембрану и синтез хлорофилла [1].

• Ртуть (Hg): нарушает энергетический обмен и синтез белков [1].

• Свинец (Pb): отрицательно воздействует на ферменты, угнетает дыхание и фотосинтез, ингибирует деление клеток [1].

• Никель (Ni): стимулирует выработку реактивных кислородных форм (ROS), повреждающих ДНК и клеточные мембраны [1].

• Мышьяк (As): подавляет рост и размножение клеток [1].

Экологическая опасность ТМ обусловлена их устойчивостью в почве, способностью к биоаккумуляции и продвижению по пищевым цепям [1, 4, 8].

Механизмы проникновения тяжелых металлов в растения. Поглощение тяжёлых металлов корнями растения осуществляется или пассивной диффузией, или активной транспортировкой специальными белками [1, 4, 8]. На начальном этапе тяжёлый металл проходит сквозь плазмалемму корня путём пассивной диффузии, затем переносится внутрь клетки через ионотропные каналы и транспортные белки (так называемые "ABC-транспортёры"). Некоторые металлы, например, цинк (Zn²⁺) и железо (Fe³⁺), активно захватываются специализированными каналами. Однако наиболее опасные металлы, такие как кадмий (Cd²⁺) и свинец (Pb²⁺), поступают в растения пассивно, что затрудняет контроль за их концентрацией в растениях [9, 10].

После проникновения в корень, тяжёлые металлы перемещаются вверх по сосудистым пучкам (ксилеме) растений. Перемещаясь по капиллярам сосудов, металлы достигают листьев и стебля. Транспорт тяжёлых металлов внутри растений включает два основных механизма: симпластный и апопластный. Симпластный транспорт подразумевает перемещение металлов через цитоплазму клеток и их последующее продвижение вдоль ксилемы. Апопластный транспорт, напротив, происходит вне клеток, проходя через свободное межклеточное пространство [1, 4]. Металлы могут депонироваться в листьях, стеблях и плодах, что зависит от их химической формы и подвижности в тканях растения. Например, кадмий имеет высокую мобильность и легко достигает плодов и семян, тогда как свинец оседает преимущественно в нижних частях растения [8].

Таким образом, механизмы поглощения и перемещения тяжёлых металлов зависят от множества факторов, включая тип металла, состав почвы, физиологическое состояние растения и генетические особенности конкретного вида.

Генотоксическое воздействие тяжелых металлов на растения. Тяжёлые металлы вызывают разрыв нитей ДНК, двойные разрывы цепей, образование лишних сшиваний и замену азотистых оснований. Хотя клетки обладают системами репарации (ферментативной и фотореактивации), при хроническом воздействии высоких концентраций ТМ эти механизмы не справляются с объёмом повреждений. Накопление неисправленных мутаций приводит к хромосомным аберрациям, нарушению митоза и, как следствие, снижению жизнеспособности и продуктивности растений, а также появлению нежизнеспособных мутантов [1, 4].

Тяжёлые металлы наносят ущерб репродуктивным органам растений, снижая их способность воспроизводить здоровое потомство (семена) и давать полноценный урожай. Например, накопление кадмия и свинца снижает фертильность пыльцы, сокращает численность завязавшихся плодов и понижает жизнеспособность семян. Особенно уязвимы молодые побеги и корни. Тяжёлые металлы задерживают рост растений и замедляют цикл регенерации популяций, ведя к постепенному исчезновению видов в загрязнённых регионах [8].

Методы оценки генотоксичности. Оценка генотоксического воздействия тяжёлых металлов на растения возможна с помощью различных лабораторных тестов. Для точной диагностики и оценки степени повреждения ДНК используются специализированные методы, которые позволяют выявлять даже скрытые изменения в структуре генома и определять реальную опасность воздействия тяжёлых металлов на растительные организмы.

1. Тесты на сестринские хроматиды обменов (SCE-тест): метод основан на подсчёте количества обменов между сестринскими хроматидами после воздействия мутагенов. Увеличение числа SCE прямо свидетельствует о повреждении ДНК и широко используется для оценки генотоксичности ТМ [1, 4, 8].

2. Микроядерный тест (MN-тест) регистрирует появление микроядер в клетках, которые образуются из фрагментов хромосом, не попавших в дочерние ядра при делении. Высокая частота микроядер является маркером хромосомных повреждений [1, 4, 8].

3. Применение ПЦР-анализа и секвенирование: молекулярно-генетические методы, позволяют напрямую детектировать точковые мутации, делеции и инсерции в конкретных генах, предоставляя точную информацию о характере и локализации повреждений ДНК. [1, 4, 8].

Комбинация перечисленных методов позволяет проводить точную диагностику генотоксического воздействия тяжёлых металлов на растения и оценивать степень риска для экосистем и здоровья человека [1, 4, 8].

Факторы, влияющие на степень генотоксического эффекта. Чувствительность к тяжёлым металлам варьирует у разных видов растений. Например, злаки (Poaceae) обладают высокой устойчивостью, тогда как двудольные растения более восприимчивы. [4, 11].

Физико-химические характеристики и состав почвы существенно влияют на распределение тяжёлых металлов и их доступность для растений. Таким образом, в кислых почвах металлы легче усваиваются растениями, а щелочные и богатые органикой – связывают их, снижая токсичность [2].

Продолжительность воздействия и концентрация тяжёлых металлов влияют на интенсивность генотоксического эффекта. Чем дольше длится контакт растения с загрязнёнными грунтами, тем сильнее проявляется кумулятивный эффект повреждения ДНК и хромосом. Даже малые дозы тяжёлых металлов при длительном воздействии могут оказывать серьёзное влияние на геном растений [4, 12]. Высокие концентрации тяжёлых металлов резко увеличивают генотоксичность, вызывая массовые мутации, повреждения ДНК и гибель клеток. При низких концентрациях влияние оказывается менее заметным, однако хроническое воздействие малых доз так же опасно, так как приводит к постепенному накоплению вредных эффектов [1, 8].

Совокупность этих факторов (видовая чувствительность, состав почвы и длительность влияния) существенно влияет на степень генотоксического воздействия тяжёлых металлов на растения.

Возможные механизмы адаптации растений к тяжелым металлам. Некоторые растения развили генетические механизмы, позволяющие выдерживать нагрузку токсичными элементами. К ним относится гипераккумуляция ТМ в вакуолях или клеточных стенках, изолирующая токсины от жизненно важных органоидов [1, 5]. Важную роль играет синтез специфических белков (металлотионеинов, фитохелатинов), которые прочно связывают ионы металлов, нейтрализуя их токсичность [8]. Эффективная антиоксидантная система (ферменты каталаза, супероксиддисмутаза) помогает нивелировать окислительный стресс, а усиленная работа систем репарации ДНК позволяет исправлять часть генетических повреждений. [11].

Механизмы адаптации и детоксикации позволяют растениям выжить в условиях повышенного содержания тяжёлых металлов, хотя и требуют затрат энергии и создают дополнительную нагрузку на метаболизм растения.

Экологическое значение и угрозы для человека и природы. Тяжёлые металлы, попав в почву, накапливаются в растениях, животных и грибах, передаваясь по трофическим цепочкам. Так, растения, произрастающие на загрязнённых участках, аккумулируют токсичные элементы, которые затем потребляются травоядными животными, а дальше распространяются и накапливаются в цепи питания вплоть до высших хищников и человека [4, 13].Например, у человека ТМ способны вызывать сердечно-сосудистые заболевания, неврологические расстройства, почечную недостаточность и рак [1, 8].

Для экосистем накопление тяжёлых металлов приводит к сокращению численности и исчезновению многих видов, нарушению естественного баланса и снижению продуктивности экосистем. Борьба с загрязнением тяжёлыми металлами должна стать одним из приоритетов устойчивого развития человечества [13].

Направления дальнейших исследований и разработок. Дальнейшие исследования в области борьбы с загрязнением почв тяжёлыми металлами должны сконцентрироваться на следующих направлениях:

1. Развитие технологий фито- и микробной ремедиации для очистки почв [14, 15].

2. Поиск генетических маркёров устойчивости растений для селекции сортов, приспособленных к загрязнённым почвам. [16].

3. Изучение молекулярных механизмов действия тяжёлых металлов на экспрессии генов и процессы метилирования ДНК, что позволит установить точные причины токсического действия и подобрать соответствующие методы для защиты растений [7].

4. Разработка агротехнологий, минимизирующих транслокацию ТМ в съедобные части растений [16].

Решение этих задач требует комплексного подхода, объединяющего экобиологические исследования, биотехнологические разработки и мероприятия по охране окружающей среды.

Заключение. Загрязнение почв тяжёлыми металлами представляет собой серьезную экологическую проблему, угрожающую состоянию экосистем и здоровью человека. Накопление тяжёлых металлов в растениях приводит к нарушениям физиологических процессов, повреждению ДНК и хромосом, а также вызывает генотоксические эффекты, что отражается на урожайности и качестве сельскохозяйственного сырья.

Перспективные направления дальнейших исследований требуют комплексного подхода, интегрирующего экобиологические, биотехнологические и правовые аспекты, что сделает возможным смягчение последствий загрязнения почв и обеспечит безопасность продуктов питания для человека.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Tchounwou PB, Yedjou CG, Patlolla AK, Sutton DJ. Heavy metal toxicity and the environment. Exp Suppl. 2012;101:133-64. doi: 10.1007/978-3-7643-8340-4_6. PMID: 22945569; PMCID: PMC4144270.

2. Харченко В. Е. Физика, химия, биология: актуальные проблемы: материалы международной заочной научно-практической конференции. (04 июля 2012 г.) — Новосибирск: Изд. «Сибирская ассоциация консультантов», 2012. — 82 с.

3. Медведев И.Ф., Деревягин С.С. Тяжелые металлы в экосистемах. - Саратов: «Ракурс», 2017. – 178 с.

4. Алексеев Ю. В. Тяжелые металлы в почвах и растениях.- Л .: Агропромиздат. Ленингр. отд-ние, 1987.— 142 с.

5. Пищик В.Н., Воробьев Н.И., Проворов Н.А., Хомяков Ю.В. Механизмы адаптации растений и процессов в растительно-микробных условиях к легким металлам. Микробиология 2016 , 85 , 231–247, https://doi.org/10.7868/s0026365616030113.

6. Степанчикова Н. С., Ульяненко Л. Н., Филипас А. С., Круглов С. В. Генотоксические эффекты кадмия и свинца и модифицирующее влияние гумата калия при выращивании пшеницы в почве, загрязненной тяжелыми металлами // Сельскохозяйственная биология. 2008. № 8. С. 28-32.

7. Репкина Наталья Сергеевна, Таланова Вера Викторовна, Титов Александр Федорович Влияние тяжелых металлов на экспрессию генов у растений // Труды КарНЦ РАН. 2013. №3. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/vliyanie-tyazhelyh-metallov-na-ekspressiyu-genov-u-rasteniy (дата обращения: 03.12.2025).

8. Титов А. Ф., Казнина Н. М., Таланова В. В. Тяжелые металлы и растения. Петрозаводск: Карельский научный центр РАН. 2014. 194 с.

9. Пархоменко Н. А. Агроэкологическая оценка действия тяжелых металлов в системе почва-растение: специальность 06.01.04 : Диссертация на соискание кандидата сельскохозяйственных наук. Омский Государственный Аграрный Университет. - Омск, 2004. — 20 c.

10. Куликов Ю. А., Галиуллина А. С. Тяжелые металлы – миграция в системе почва – растение и влияние на потери основных элементов питания из дерново-подзолистой почвы и урожай амаранта / Куликов Ю. А., Галиуллина А. С. // Ученые записки Казанского государственного университета. - 2006. № 148. С. 90-99.

11. Казнина Н. М. Физиолого-биохимические и молекулярно-генетические механизмы устойчивости растений семейства poaceae к тяжелым металлам : специальность 03.01.05 «Физиология и биохимия растений» : Диссертация на соискание доктора биолологических наук. Институт биологии Карельского научного центра Российской академии наук. – Петрозаводск, 2016. 358 c.

12. Петухов А. С. Влияние транслокации тяжелых металлов в системе «почва-растение» на биохимические показатели растений : специальность 01.05.15 «Экология» : Диссертация на соискание кандидата химических наук. Тюменский государственный университет. — Тюмень, 2023. 234 c.

13. Сенченко М. А. Тяжёлые металлы и микроэлементы в системе "почва-растение". продукт переработки растения. / Сенченко М. А. // Вестник АПК Верхневолжья. 2021. № 1(53). С. 13-18.

14. Багаева Т.В., Ионова Н.Э., Надеева Г.В. Микробиологическая ремедиация природных систем от тяжелых металлов: учеб.-метод. пособие – Казань: Казанский университет, 2013. 56 с.

15. Boitsova L.V. & G., Moiseev & Pishchik, Veronika & E.G., Zinchuk & V., Khomyakov. Использование тест-растений для оценки степени загрязненности грунтов тяжелыми металлами. 2021. 54-57. 10.24412/1029-2551-2021-2-011.

16. Карачева, М. А. Тяжелые металлы как фактор загрязнения вод (обзор) // Исследования молодых ученых : материалы XLIX Междунар. науч. конф. (г. Казань, декабрь 2022 г.). — Казань : Молодой ученый, 2022. С. 5-8. URL: https://moluch.ru/conf/stud/archive/468/17617.