ДИНАМИКА СОДЕРЖАНИЯ СВОБОДНЫХ а-АМИНОКИСЛОТ В РАСТИТЕЛЬНЫХ АССОЦИАЦИЯХ РАЗНЫХ ЭКОЛОГИЧЕСКИХ ЗОН КАРАЧАГАНАКА В ПЕРИОД 2002-2005 гг.

Проблема загрязнения окружающей среды в результате разработки Карачаганакского месторождения является актуальной. Выбросы в атмосферу загрязняющих веществ в результате развития промышленного производства сказываются на нарушении сбалансированности природных процессов, в частности, на обмене белков, показателем которого является динамика содержания свободных аминокислот в растениях в разные периоды вегетации.
Известно, что в природе в весенний период число свободных аминокислот достаточно велико. Они активно устремляются в клетке к месту синтеза белка – рибосомам, и в летний период, когда синтез белка достигает максимума, число свободных ?-аминокислот уменьшается. К концу вегетации растений в начале осеннего периода начинают преобладать катаболические процессы белка и вновь число свободных аминокислот возрастает. Интересно поведение аминокислоты – лизина (аминокислоты роста), которая практически отсутствует в свободном состоянии, когда синтез белка завершен. Лизин появляется вновь в свободном состоянии, когда начинают преобладать процессы распада белковой молекулы. Такая динамика содержания незаменимых свободных аминокислот наблюдается в растениях, если экологический баланс не нарушен. Наблюдая поведение аминокислот в растительных ассоциациях разных экологических зон Карачаганака в течение нескольких лет, выявлено нарушение сбалансированности анаболических и катаболических процессов обмена белка.

Качественный и количественный аминокислотный спектр растительных ассоциаций зон Карачаганака
В оптимальных условиях в начале вегетации растений (май), когда синтезируется белок, число свободных аминокислот довольно большое. Когда синтез белка прекращается, число свободных аминокислот уменьшается, что наблюдается в конце вегетации (август). В том случае, когда идет распад белка, число свободных аминокислот вновь возрастает (сентябрь). Если наблюдаются отклонения в природном цикле по динамике содержания свободных ? - аминокислот, то, по всей вероятности, неблагополучна окружающая среда. [1]
В экологических зонах Карачаганака нами были выделены следующие трансекты: чистая зона - трансекта 1, слабозагрязненная зона – трансекта 2, среднезагрязненная зона – трансекта 3, сильно загрязненная зона – трансекта 4, и очень сильно загрязненная зона – трансекта 5. В этих зонах, в зависимости от периода вегетации растений, развиваются характерные растительные сообщества, в которых наблюдается общая зависимость изменения содержания свободных аминокислот, а именно, в чистой зоне динамика содержания свободных аминокислот подчиняется классическому варианту изменения свободных аминокислот в растениях и согласуется с литературными данными: в мае число свободных аминокислот велико, в июне – июле это число уменьшается, и в августе – сентябре число свободных аминокислот вновь увеличивается. В зависимости от климата наблюдаются небольшие отклонения, например, в сезон дождей в теплый осенний период катаболические процессы белка в растениях замедляются [2].
Исследование проводилось во время вегетации, с мая по сентябрь.
В 2002 году изучались ассоциации в соответствующих зонах на выделенных трансектах: 1) ковылковая, 2) житняковая, бобовниково-типчаковая и белополынная, 3) ромашково-горькополынная, 4) житняковая, ромашково-горькополынная и тысячелистниковая, 5) белополынная.
Было показано, что в большинстве растительных ассоциаций наблюдается большое количество аминокислот в фитомассе по сравнению с ветошью и подстилкой.
В чистой зоне число свободных аминокислот в фитомассе ковылковой ассоциации в августе меньше, чем в сентябре, что находится в соответствии с природными циклами: в августе синтез белка завершается, и число свободных аминокислот меньше. В сентябре процессы распада белка начинают преобладать, поэтому свободных аминокислот становится больше. Отсутствие лизина в свободном состоянии (аминокислоты роста) подтверждает завершение синтеза белка.
В слабо загрязненной зоне увеличивается содержание аминокислот и в житняковой, и в бобовниково-типчаковой ассоциации, но в растениях белополынной ассоциации свободных аминокислот в августе меньше, что, вероятно, связано с активным синтезом белка в этот период. По качественному составу в растениях этой зоны в больших концентрациях находятся гистидин, метионин. Наличие свободного лизина в июне подтверждает рост растений, а следовательно, синтез белка.
В средне загрязненной зоне в ромашково-горькополынной ассоциации наблюдается сравнительно большее число свободных аминокислот по сравнению с другими ассоциациями.
В сильно загрязненной зоне в житняковой ассоциации число свободных аминокислот уменьшается в августе и увеличивается в сентябре. Аналогичное поведение в тысячелистниковой ассоциации.
В очень сильно загрязненной зоне произрастает в основном белополынная ассоциация, которая, по-видимому, наиболее приспособлена к агрессиям внешней среды. Здесь наблюдается самое большое число свободных аминокислот.
Качественная картина представлена большим содержанием метионина в свободном виде в растениях всех зон, прослеживается зависимость наличия лизина в начале вегетации растений (май-июнь) и в завершении вегетации (сентябрь). Отсутствует лизин в середине вегетации (июль - август), т.е. он находится в связанном состоянии в белковой молекуле.

Сравнительная характеристика аминокислотного спектра различных зон Карачаганака

В мае число свободных аминокислот в растениях всех ассоциаций велико, т.к. свободные аминокислоты устремляются к месту синтеза белка. Присутствие в свободном состоянии лизина свидетельствует о начале синтетических процессов, т.к. лизин – аминокислота роста. В июне число несвязанных аминокислот уменьшается, снижается содержание лизина, а также аргинина, что свидетельствует о преобладании анаболических процессов белка. В июле число свободных аминокислот уменьшается наряду с уменьшением лизина. В августе наблюдается наименьшее число свободных аминокислот во всех ассоциациях и исчезновение лизина. То есть, предположительно, в августе завершены анаболические процессы белка. В сентябре число аминокислот возрастает в свободном состоянии, и появляется несвязанный лизин, т.е. активизируются катаболические процессы белка.

Зависимость содержания азота и аминокислот в растениях разных экологических зон Карачаганака по месяцам вегетации

В чистой зоне содержание азота в августе больше (0,91%), чем в сентябре (0,73%), а число аминокислот наоборот больше в сентябре (18) и меньше в августе (3).
В слабо загрязненной зоне содержание азота колеблется по сезонам года: в июне – 0,66%, в июле – 0,35%, в августе – 0,74%, в сентябре – 0,43%. Число свободных аминокислот соответствует биологическому ритму, а именно, уменьшается с июля (13) до августа (9) и резко увеличивается в сентябре (16).
В средне загрязненной зоне содержание азота уменьшается с 1,61% в июне до 0,79% в августе и увеличивается до 0,89% в сентябре. Аналогичное изменение аминокислот по количеству: уменьшение с июля (15) до (13) в августе увеличение в сентябре.
В сильно загрязненной зоне содержание азота и число свободных аминокислот отличается только в мае, в остальное время содержание азота и числа аминокислот одинаково. В целом содержание азота уменьшается до 0,5% в сентябре, а число аминокислот уменьшается до 13 в июле и увеличивается до 15 в сентябре.
В очень сильно загрязненной зоне содержание азота колеблется с 1,16% в мае до 2,01% в июле и снижается до 0,85% в сентябре. Число аминокислот уменьшается с 14 в мае до 11 в августе и увеличивается до 15 в сентябре.
Таким образом, в целом, прослеживается во всех экологических зонах уменьшение содержания азота от мая к сентябрю, а содержание числа свободных аминокислот уменьшается от мая к августу и увеличивается в сентябре, что подтверждает природный обмен белка.
Сравнивая содержание азота и числа свободных аминокислот в растениях разных экологических зон, наблюдается увеличение процентного содержания как азота, так и числа свободных аминокислот от растений чистой зоны к растениям очень сильно загрязненной зоны.
Сравнительная аминокислотная характеристика полынных ассоциаций Карачаганака.
Полынная ассоциация, в частности белополынная, по прежним нашим исследованиям [2] своеобразно реагирует на агрессию внешней среды наличием большого числа свободных аминокислот во все периоды вегетации по сравнению с другими растениями. Во всех белополынных ассоциациях в разные периоды вегетации наблюдается большое число свободных аминокислот, причем прослеживается зависимость: большее число свободных аминокислот наблюдается в начале и в конце вегетации растений и меньшее – в середине вегетации.
Исследования показали, что растения белополынных ассоциаций, вероятно, являются индикаторами загрязнения окружающей среды, приспосабливаясь в обмене белка наличием большого содержания числа свободных аминокислот во все периоды вегетации.
Сравнительная характеристика динамики содержания свободных аминокислот в растениях разных экологических зон по годам вегетации
В слабо загрязненной, средне загрязненной и сильно загрязненной зонах число свободных аминокислот резко увеличивается, что показывает, вероятно, на нарушение сбалансированности обменных процессов в сторону катаболических процессов белка.
Если несколько лет назад, в 1998 году, наблюдалось различие в растениях разных экологических зон по содержанию свободных аминокислот, а именно, от чистой зоны к очень сильно загрязненной зоне шло постепенное увеличение свободных аминокислот в начале и в конце вегетации растений, и самое максимальное их число наблюдалось в очень сильно загрязненной зоне, то в 2002 году эта разница практически стирается среди средне-загрязненной, сильно загрязненной и очень сильно загрязненной зонах. Все растения исследуемых ассоциаций показывали в динамике большое число свободных незаменимых аминокислот в начале анаболического процесса и в конце катаболического процесса обмена белка и сравнительно очень большое число свободных аминокислот в сильно загрязненной зоне (если эти растения присутствовали).
В 2005 году разницы в численном содержании свободных аминокислот в растениях разных экологических зон практически не наблюдается [3]. Но выявлена интересная зависимость: если в чистой зоне в 2002 году в августе-сентябре наблюдалось увеличение числа свободных аминокислот (от 8 к 13), то в 2005 году – уменьшение (от 8 к 4). В слабо загрязненной зоне в 2002 году в июне-июле наблюдалось уменьшение числа свободных аминокислот от 16 к 11, а в 2005 году – увеличение (от 9 к 14). В сильно загрязненной зоне в 2002 году в мае – июне число свободных аминокислот приблизительно было одинаковым (16), в 2005 году наблюдалось увеличение их числа от 7 к 16. По – видимому, синтетические процессы белка в этот период в данной зоне были заторможены. В очень сильно загрязненной зоне в 2002 году в мае-июне наблюдалось уменьшение числа свободных аминокислот (от 13 к 11), а в 2005 году – увеличение (от 11 к 16). В 2002 году динамика численного содержания свободных аминокислот колебалось от июня к июлю с увеличением (11-13), от июля к августу – с уменьшением (13-11), и от августа к сентябрю - с увеличением (11-14) числа свободных аминокислот. В 2005 году картина была прямо противоположной, а именно, численное содержание свободных аминокислот в июне – июле уменьшалось от 16 к 7, в июле- августе увеличивалось от 7 к 10, а в августе- сентябре уменьшалось от 10 к 6.
Таким образом, наблюдается нарушение экологической сбалансированности между анаболическими и катаболическими процессами в обменах процесса белка, и дисбаланс в синтезе белка продолжает углубляться.
В данное время белополынную ассоциацию естественного происхождения сменяет горькополынная ассоциация, которая широко распространена не только в сильно загрязненной и очень сильно загрязненной экологических зонах, но и в зонах средней степени загрязненности.
Выводы:
1. В чистой зоне число свободных аминокислот меньше, чем в загрязненных зонах, причем большое число свободных аминокислот наблюдается в растениях загрязненных зон в течение всего периода вегетации.
2. В растениях всех экологических зон загрязнения наблюдается максимальное число свободных аминокислот в начале и конце вегетации и минимальное – в середине вегетации, что соответствует биологическому ритму белкового обмена растений.
3. Растения полынных ассоциаций, особенно белополынных, отличаются наибольшим числом свободных аминокислот по сравнению с другими растениями в сравнительные периоды вегетации в загрязненных зонах, что, предположительно, является приспособлением обменных процессов этих растений к агрессии внешней среды.
4. В растениях разных экологических зон загрязнения наблюдается уменьшение содержания азота от мая к сентябрю, а число свободных аминокислот – максимальное в мае и сентябре и минимальное в августе. В целом, содержание азота и аминокислот в растениях увеличивается от чистых зон к загрязненным (данные 2002г.).
5. Наблюдается нарушение экологической сбалансированности между анаболическими и катаболическими процессами в обменах процесса белка растений, и дисбаланс этих процессов в синтезе белка продолжает углубляться.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Полевой В.В. Физиология растений - Москва., 1989
2. Череватова Н.К. Динамика содержания свободных аминокислот в растениях Карачаганака, как показатель нарушения экологической сбалансированности белкового обмена. Степи Северной Евразии: // Материалы международного Симпозиума - Оренбург, 2000.
3. Череватова Н.К. Экологические аспекты по содержанию свободных незаменимых аминокислот и некоторых питательных элементов в растительных сообществах Карачаганака. Экологические проблемы биоразнообразия Северного Прикаспия: // Материалы международной научно-практической конференции, посвященной 100-летию профессора В.В.Иванова - Уральск, 2005.

Н.К. Череватова