Особенности стрессовых реакций однодольных и двудольных растений в присутствии биодоступных соединений свинца на примере салата посевного (Lactuca sativa L.) и пшеницы яровой (Triticum aestivum L.)

   Актуальность. Возрастающий спрос на овощные культуры стимулирует развитие круглогодичного производства сельскохозяйственных культур, – в системах открытого и закрытого грунта. Однако техногенное загрязнение тяжелыми металлами, в частности свинцом, представляет серьезную угрозу для безопасности растениеводческой продукции. Свинец относится к приоритетным загрязнителям сельскохозяйственных почв и субстратов, поскольку даже при концентрациях до 50 мг/кг способен вызывать фитотоксичность и аккумулироваться в товарной части урожая.

   Материалы и методы. В качестве модельных объектов исследования использовались салат посевной (Lactuca sativa L.) сорта Азарт и пшеница яровая (Triticum aestivum L.) сорта Иволга. Растения культивировали в гидропонной системе с использованием стерилизованного торфа в качестве субстрата. Ацетат свинца (Pb(CH₃COO)₂) вносили в трех вариантах концентраций: 0 (контроль), 25 и 50 мг/кг. Эксперимент проводили в трех повторностях. На 7-й и 45-й дни культивирования определяли биометрические параметры (сырую и сухую массу растений), содержание фотосинтетических пигментов (хлорофиллов a, b и каротиноидов), концентрацию свинца в корнях и надземных органах методом атомно-эмиссионной спектроскопии (ICP-AES), а также активность ключевых антиоксидантных ферментов – каталазы (CAT) и супероксиддисмутазы (SOD).

   Результаты. На начальном этапе эксперимента (7-й день) существенных различий по биометрическим показателям между однодольными и двудольными культурами не обнаружено. К 45-му дню при средней концентрации свинца снижение сырой массы пшеницы было на 4,9 % меньше по сравнению с салатом, при максимальной концентрации (50 мг/кг) депрессия роста салата достигла 29,7 %, тогда как у пшеницы показатели были значительно ниже. Анализ аккумуляции показал, что пшеница преимущественно локализует свинец в корневой системе, демонстрируя выраженную барьерную функцию, в то время как у салата распределение металла между корнями и побегами более равномерно. Исследование антиоксидантных ферментов выявило, что при усилении стресса активность CAT возрастает, а SOD снижается у обеих культур, при этом у салата преобладает активность CAT, а у пшеницы – SOD, что свидетельствует о сохранении ферментативного баланса и адаптивной регуляции уровня активных форм кислорода.

1. Kumar A., Prasad M.N.V. Lead-induced toxicity and interference in chlorophyll fluorescence in Talinum triangulare grown hydroponically. Photosynthetica. 2015;53(1):66–71. doi: 10.1007/s11099-015-0091-8

2. Sandadevani K.S., Sooriyaarachchi S.K.M., Weerakkody W.A.P., Gunarathna R.M.K.D. Effect of Grow Medium and Hydroponics Fertilizer on Iceberg Lettuce (Lactuca sativa var. capitata) Cultivation. Journal of Agricultural Production. 2025;6(1):61–69. doi: 10.56430/japro.1599979

3. Zheljazkov V.D., Craker L.E., Xing B. Effects of Cd, Pb, and Cu on growth and essential oil contents in dill, peppermint, and basil. Environ Exp Bot. 2006;58(1–3):9–16. doi: 10.1016/j.envexpbot.2005.06.008

4. Whitacre D.M. Reviews of Environmental Contamination and Toxicology Volume 213, vol. 213. in Reviews of Environmental Contamination and Toxicology. New York, NY: Springer New York, 2011. doi: 10.1007/978-1-4419-9860-6

5. Greger M. 6 Trace Elements and Radionuclides in Edible Plants.

6. X. Wang et al. Heavy Metal Accumulation in Maize and Wheat in Acidic Soil: A Comparative Study. Sustainability (Switzerland). 2025;17(5). doi: 10.3390/su17052084

7. Wang L. et al. Reducing Cd and Pb Accumulation in Potatoes: The Role of Soil Passivators in Contaminated Mining Soils. Life. 2024;14(12). doi: 10.3390/life14121615

8. Ahmad K. et al. Evaluation of Potential Toxic Metals Accumulation in Wheat Irrigated with Wastewater. Bull Environ Contam Toxicoll. 2019;102(6):822–828. doi: 10.1007/s00128-019-02605-1

9. Jafarova M., Vannini A., Monaci F., Loppi S. Influence of Moderate Cd and Pb Soil Pollution on Seed Development, Photosynthetic Performance and Foliar Accumulation in the Medicinal Plant Hypericum perforatum. Pollutants. 2021;1(1):1–9. doi: 10.3390/pollutants1010001

10. Prasad M.N.V., Kiran B.R. Responses of Ricinus communis L. (castor bean, phytoremediation crop) seedlings to lead (Pb) toxicity in hydroponics. Selcuk Journal of Agricultural and Food Sciences. 2017;31(1):73–80. doi: 10.15316/sjafs.2017.9

11. Barce J., Poschenrieder C. Plant water relations as affected by heavy metal stress : A review. 1990. doi: 010.1080/01904169009364057

12. Ingente A.G., Anselmo C.T. Phytoremediation Potential of Kangkong (Ipomoea Reptans Poir) in Lead-Induced Hydroponic System. International Journal of Research and Scientific Innovation. 2024;XI(VII):909–921. doi: 10.51244/ijrsi.2024.1107072

13. Khodijah N.S., Santi R., Kusmiadi R., Rismunandar I. Water Spinach (Ipomoea reptans Poir) Hydroponic Kratky System at Various Levels of PbSO₄ Contamination. agriTECH. 2024;44(4):322, Nov., doi: 10.22146/agritech.86841

14. Bosiacki M., Kleiber T., Kaczmarek J. Evaluation of suitability of Amaranthus caudatus L. and Ricinus communis L. in phytoextraction of cadmium and lead from contaminated substrates. Archives of Environmental Protection. 2013;39(3):47–59. doi: 10.2478/aep-2013-0022

15. Kim K.-R., Owens G., Naidu R., Kwon S.-I., Kim K.-H. Lead Induced Organic Acid Exudation and Citrate Enhanced Pb Uptake in Hydroponic System. Korean Journal of Environmental Agriculture. 2009;28(2):146–157. doi: 10.5338/kjea.2009.28.2.146

16. Sharma P., Dubey R.S. Lead toxicity in plants. Sociedade Brasileira de Fisiologia Vegetal. 2005. doi: 10.1590/s1677-04202005000100004

17. Velikova V., Yordanov I., Edreva A. Oxidative stress and some antioxidant systems in acid rain-treated bean plants Protective role of exogenous polyamines. 2000. [Online]. Available: www.elsevier.com/locate/plantsci

18. White M.C., Chaney R.L., Decker A.M. Metal Complexation in Xylem Fluid’ III. ELECTROPHORETIC EVIDENCE’, 1981. [Online]. Available: www.plantphysiol.org

19. Banboukian A., Chen Y., Thomas V.M. The challenges of controlled environment hydroponic farming: a life cycle assessment of lettuce. International Journal of Life Cycle Assessment. 2025;30(7):1691–1704. doi: 10.1007/s11367-025-02463-6

20. Shi M. et al. Phytochemicals, Nutrition, Metabolism, Bioavailability, and Health Benefits in Lettuce—A Comprehensive Review. Antioxidants. 2022;11(6). doi: 10.3390/antiox11061158

21. Veronica B., Arshad A., Elena D., Elena Maria D. A Comprehensive Review of Lettuce Cultivation in Unconventional Systems: Pioneering Sustainable Food Productionэ. International Journal of Advanced Multidisciplinary Research and Studies. 2025;5(4):592–598. doi: 10.62225/2583049x.2025.5.4.4650

22. Gooding M.J., Shewry P.R. Wheat Environment, Food and Health. 2022. [Online]. Available: https://lccn.loc.gov/2021046095

23. Lamhamdi M. et al. Effect of lead stress on mineral content and growth of wheat (Triticum aestivum) and spinach (Spinacia oleracea) seedlings. Saudi J Biol Sci. 2013;20(1):29–36. doi: 10.1016/j.sjbs.2012.09.001

24. Sękara A., Jędrszczyk S.E. Cadmium and lead accumulation and distribution in the organs of nine crops: Implications for phytoremediation. 2016. [Online]. Available: https://www.researchgate.net/publication/279623631

25. Nirmal D., Teraiya S., Patel H., Joshi P. Studies on effect of exogenous application of ascorbic acid on growth, photosynthetic pigment and oxidative defence in “groundnut” (Arachis hypogaea L.) under lead (Pb) stress. Discover Plants. 2025;2(1). doi: 10.1007/s44372-025-00265-6

26. Sofo A., Scopa A., Nuzzaci M., Vitti A. Ascorbate peroxidase and catalase activities and their genetic regulation in plants subjected to drought and salinity stresses. Jun. 12, 2015, MDPI AG. doi: 10.3390/ijms160613561

27. Malecka A., Piechalak A., Mensinger A., Hanć A., Barałkiewicz D., Tomaszewska B. Introduction Antioxidative Defense System in Pisum sativum Roots Exposed to Heavy Metals (Pb, Cu, Cd, Zn. 2012.

28. Nirmal D., Teraiya S., Patel H., Joshi P. Studies on effect of exogenous application of ascorbic acid on growth, photosynthetic pigment and oxidative defence in “groundnut” (Arachis hypogaea L.) under lead (Pb) stress. Discover Plants. 2025;2(1). doi: 10.1007/s44372-025-00265-6

29. Kerchev P.I., Van Breusegem F. Improving oxidative stress resilience in plants’. Plant Journal. 2022;109(2):359–372. doi: 10.1111/tpj.15493

30. Khan M. et al., ‘Lead (Pb)-induced oxidative stress alters the morphological and physio-biochemical properties of rice (Oryza sativa L.). Agronomy. 2021;11(3). doi: 10.3390/agronomy11030409

31. Litvinskiy V.A., Grishina E.A., Nosikov V.V., Sushkova L.O. Litvinskiy V.A., Grishina E.A., Nosikov V.V., Sushkova L.O. Atomic-emission spectroscopy and microwave digestion as an integrated tool approach for determination of lead content in plants and crop production. Plodorodie. 2018;6(105):58-62. (In Russ.) doi: 10.25680/S19948603.2018.105.19 https://elibrary.ru/ypoool

32. Holm G. Studies on chlorophyll mutations in barley: i. methods of measuring linkage by single and combined maximum-likelihood formulas, solved by use of an automatic computer and the programming language algol 60. Hereditas. 1966;55(1):79–120. doi: 10.1111/j.1601-5223.1966.tb02038.x

33. Van Wettstein D., Forschungsanstalt F. Chlorophyll-letale und der submikroskopische formwechsel der plastidenl, 1957.

34. Hans-UIrich Bergmeyer, Methods of Enzymatic Analysis, vol. 1. Academic Press, 2012.

35. Jiang and Zhang. Kant and Turan. Abedi and Pakniyat, 2002.

36. Ikkonen E., Kaznina N. Physiological Responses of Lettuce (Lactuca sativa L.) to Soil Contamination with Pb. Horticulturae. 2022;8(10). doi: 10.3390/horticulturae8100951

37. Kabata-Pendias A. Agricultural Problems Related to Excessive Trace Metal Contents of Soils.

38. Popa C., Bratu A.M., Petrus M., Bacalum M. The analysis of lead phytotoxicity in seeds using CO₂ laser photoacoustic spectroscopy. Molecules. 2020;25(7). doi: 10.3390/molecules25071637

39. Khan J., Elsharkawy E., Fu Y., Jan R., Kim K.M. Melatonin alleviates lead-induced stress in rice through physiological regulation and molecular defense mechanisms. Sci Rep. 2025;15(1). doi: 10.1038/s41598-025-18514-9