CC BY
120
УДК 502 5 U03):581.5 Е. С. ДЕНИСОВА
Омский государственный технический университет
АККУМУЛЯЦИЯ РАСТЕНИЯМИ СЕРОСОДЕРЖАЩИХ ПРИМЕСЕЙ АТМОСФЕРЫ В УСЛОВИЯХ ЗАПАДНОЙ СИБИРИ
На основании проведенных полевых и экспериментальных с экспозицией диоксидом серы и нанесением растворов серной кислоты на листья растений, исследований аккумулирующей способности ряда растений, а также их газоустойчивости, определяемой по степени повреждения листовой пластинки, реакции пигментного комплекса, активности окислительных ферментов, изменению кислотности листовой пластинки, впервые для климатических и почвенных условий Омской области определены древесные растения наиболее перспективные для очистки атмосферы от серосодержащих токсикантов. Данные исследований могут применяться при озеленении санитарно-защитных зон предприятий.
Ключевые слова: загрязнение атмосферы, биоиндикация.
В районах с высокоразвитой промышленностью, к каковым причисляется г. Омск, древесные растения выполняют не только художественно-эстетическую, но и санитарно-гигиеническую роль. Для озеленения промышленных центров необходимо применять ассортимент растений с высокой газопоглотительной и регенерационной способностью и устойчивостью к промышленному загрязнению.
Как известно, в различных почвенно-климатических условиях растения выполняют свою роль с различной эффективностью, поэтому рекомендации по озеленению промышленных объектов должны иметь точный экологический адрес.
Особую актуальность приобретают эти вопросы в условиях Омской области — района с плотным населением и развитой промышленностью. Промышленный потенциал города и связанные с высокой концентрацией производства экологические проблемы устойчиво закрепили город Омск в первой десятке самых неблагополучных городов страны.
Сернистый газ является одним из наиболее распространенных токсикантов атмосферного воздуха, кроме того, это соединение наиболее токсично для растений. Наиболее важными серосодержащими компонентами загрязненной атмосферы являются двуокись серы ^02) и сероводород (Н^З).
По имеющимся в литературе сведениям о влиянии аэротехногенного загрязнения на растения, общая характеристика нарушений выглядит следующим образом: в первой фазе наступает изменение в буферной системе, во второй — торможение фотосинтеза, в последующих — снижение ферментативной активности [1,2]. Сернистый газ повышает кислотность клеточного сока растений, что приводит к последующим физиологическим нарушениям. О газопоглотительной способности растений судят по количеству накопленной листьями серы [1,2].
В связи с этим нами проведено сравнительное исследование аккумулирующей способности и устойчивости по отношению к серосодержащим токсикантам некоторых древесных растений, широко используемых для озеленения городов и промышленных районов Омской области.
Материал и методы исследования
Объектами исследования являлись древесные растения, широко используемые для озеленения городов и промышленных районов Омской области: береза повислая — Betula pendula Roth., ива белая — Salix alba L., клен ясенелистный — Acer negundo L., сосна обыкновенная — Pinus sylvestris L., тополь черный — Populus nigra L., яблоня ягодная — Malus baccata (L.) Borkh.
Полевые исследования проводились в течение вегетационного периода (июнь, июль, август) 2000 — 2007 гг. в посадках растений одного возраста (деревья 10-15 лет), расположенных на расстоянии примерно одного километра от ТЭЦ-5, а также на различном удалении от предприятия технического углерода (ООО «Омский завод технического углерода»). Все зоны размещены по вектору господствующих ветров (летом — северо-западный). Для контроля взяты одновозрастные растения, находящиеся вне зоны действия промышленных предприятий и произрастающие в районе населенного пункта Сыропятское, в 24 км к юго-востоку от черты города Омска. Во избежание влияния на результаты исследований выбросов автотранспорта выбирались опытные растения, произрастающие не менее чем в 300 м от дороги. Для исследований во всех зонах выбиралось по 10 модельных деревьев каждого вида. Отбор листьев проводился каждый летний месяц в 9-10 часов утра одновременно со всех зон для определения конкретного показателя. Листья (15-20 шт. с одного дерева) отбирались в одной части кроны, обращенной к источнику загрязнения.
Экспериментальные исследования включали в себя экспозицию листьев растений сернистым газом в эксикаторе и опрыскивание ветвей раствором серной кислоты. Процесс экспозиции растений сернистым газом происходил в эксикаторе по формуле: Na2SO3 + H2SO4= SO2 + Na2SO4 + H2O. В эксикаторе создавались концентрации SO2 0,5%, 1% и 2% путем добавления определенной навески Na2SO3 и H2SO4. Контрольные листья находились в эксикаторе в течение такого же времени без токсиканта.
Поскольку сернистый газ в клетках превращается в сульфат и искусственное опрыскивание слабым
«ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК» № 1 (84), 2009 ЭКОЛОГИЯ
ЭКОЛОГИЯ «ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК» № 1 (84), 2009
раствором серной кислоты в виде аэрозоля вызывает нарушения по признакам, идентичным тем, которые образуются от соответствующего газа, а характер и последовательность проявлений нарушений в клетках от действия кислот и газов, содержащих одинаковое действующее вещество, аналогичны [1, 2], нами были проведены эксперименты с опрыскиванием растений тремя растворами серной кислоты разной концентрации. Так как известно, что видимые признаки поражения листьев, обработанных слабыми растворами кислот, проявляются через несколько часов, и изменения в окраске и уменьшение размеров тканей, устанавливающиеся в них через сутки, в дальнейшем остаются почти стабильными, физиолого-биохи-мические показатели растений были изучены нами через 24 и 72 часа после обработки. Эксперименты проводились в июле и в августе, когда листья растений обладают наибольшей газоустойчивостью [1]. Модельным экспериментам подвергалось по 5 растений каждого вида, произрастающего на агростанции ОмГПУ. Для проведения исследований выбирались ясные, безоблачные дни. Для опрыскивания листьев растений использовались слабые растворы серной кислоты: 0,25 %, 0,5 % и 1,0 %. На дереве выбирались четыре ветви — три опытные и контрольная. Контрольную ветвь опрыскивали дистиллированной водой. У клена половину листа до черешка обрабатывали кислотой, другую — опрыскивали водой, и она служила контролем. Во избежание попадания кислоты на контрольную часть листа, ее во время опрыскивания прикрывали бумагой.
В полевых экспериментах, а также после обработки листьев определяли: степень повреждения листовой пластинки, рН гомогената, активность ферментов каталазы, пероксидазы и полифенолоксидазы, содержание пигментов и общей серы в листьях.
Повреждаемость листьев определяли балльным методом (отношение длины поврежденной части к общей длине листа) по пятибалльной системе Н.П. Красинского. рН гомогената листьев снимали на иономере универсальном ЭВ-74, для приготовления гомогената брали навеску 5 г листа и растирали с 50 мл дистиллированной воды до однородной массы. Активность фермента каталазы определяли титрованием неразложившейся перекиси водорода перманганатом калия по Баху и Опарину; активность ферментов поли-фенолоксидазы и пероксидазы — йодометрическим методом [3]. Количественный анализ фотосинтети-ческих пигментов проводили в ацетоновой вытяжке на спектрофотометре «Спекол» [3].
Все измерения проводились в трехкратной повторности у каждого модельного растения. Для проверки достоверности различий между двумя выборками использовался критерий Стьюдента. Данные натурных и экспериментальных исследований обрабатывались также методом однофакторного дисперсионного анализа с помощью пакета программ Microsoft Exsel.
Результаты и их обсуждение
Сероаккумулирующая способность растений. В полевых исследованиях количество серы в листьях растений достоверно увеличивалось в задымленном воздухе. Сила влияния загрязненного воздуха согласно дисперсионного анализа составляла 0,6-0,92 (р < 0,01 — 0,001). Высокой поглощающей способностью обладает тополь черный. Содержание серы вблизи источников загрязнения у растений количество серы в листьях увеличивается от июня к августу, что связано с постепенным накоплением серы в течение вегетационного периода. Также высокой серопогло-
щающей способностью обладают яблоня ягодная и ива белая. У яблони количество уловленной в загрязненных зонах серы составляет 130 — 330% от контроля (р < 0,001), у ивы - 110 - 200% (р < 0,05 - < 0,001). У ивы и вне задымления содержится в листьях больше серы чем у остальных видов (0,36% от воздушно сухого веса). Наиболее низкая интенсивность поглощения серы в наших исследованиях оказалась у клена ясенелистного (в загрязненных зонах до 133% от контроля) и березы повислой (максимум 144% к контролю).
Однофакторный дисперсионный анализ показал существование достоверного влияния обработки серной кислотой и экспозицией диоксидом серы на количество общей серы в листьях опытных растений (д = 0,80-0,95; р < 0,001). Результаты сравнительного анализа эффективности растений в поглощении серы после обработки кислотой оказались противоположными тем, что были получены в полевых исследованиях. Оказалось, что при высоких концентрациях наилучшими серопоглощающими свойствами обладают клен ясенелистный, береза бородавчатая и яблоня ягодная, наименее эффективны тополь и яблоня (рис.1). У многих растений нет четкой зависимости между дозой и эффектом. У березы и ивы при обработке кислотой разной концентрации поглощается примерно одинаковое количество серы. У большинства растений количество серы, поглощенной через 24 часа после обработки, превышает количество серы, уловленной через 72 часа. Исключение составляет тополь, который вообще улавливает небольшое количество серы. У всех исследуемых растений, за исключением сосны, сера после обработки поглощалась больше в июле, чем в августе. Что объясняется старением листьев, снижением физиологической активности растений в августе. Исключение составляет сосна, вечнозеленое растение, и снижение активности у нее не столь выражено.
Газостойчивость растений. Наблюдения за растениями, произрастающими в загрязненных зонах не обнаружили никаких морфологических изменений. Только у березы повислой в загрязненных зонах угнетающее действие воздушных поллютантов отразилось на молодых, растущих листьях, которые были слегка деформированы и имели вид лодочки, то есть приподнятые края при опущенной нижней части. Это происходило, видимо, от ожога краев молодых листочков, в результате чего задерживался рост краевой зоны при продолжении роста срединной части листовой пластинки. Листья у других исследуемых растений имели более светлую окраску и мелкий размер по сравнению с фоновыми аналогами. Негативное воздействие возникло как следствие хронического повреждения листьев.
Наибольшие изменения рН гомогената отмечены у березы повислой и тополя черного (до 20%). У яблони ягодной, клена ясенелистного и ивы белой смещения рН были незначительны, в некоторых случаях обнаруживается даже увеличение этого показателя по сравнению с фоном.
Наименее чувствителен пигментный комплекс у тополя черного и яблони ягодной. Небольшое снижение пигментов в июне сменяется у них некоторым повышением в июле и в августе. Небольшое содержание в воздухе газов стимулирует фотосинтез и увеличивает число пигментов у устойчивых видов растений. Изменения в пигментном комплексе под влиянием загрязнения происходят главным образом за счет изменения содержания хлорофилла в. Известно, что свободная форма хлорофилла менее стойка к воздействию различных агентов, чем связанная с
серная кислота,%
Клен ясенелистный
0,4
0,35
0,3
0,25
0,2
0,15
0,1
0,05
0
Сосна обыкновенная
*г-'
контроль 0,25%
серная кислота, %
0,50% 1,00%
серная кислота,%
Тополь черный
серная кислота, %
Яблоня ягодная
серная кислота, %
Содержание серы в июле — через 24 часа после опрыскивания, I 1 — через 72 часа после опрыскивания
Содержание серы в августе ■ — через 24 часа после опрыскивания, — —через 72 часа после опрыскивания
Рис. 1. Динамика содержания серы в листьях древесных растений после обработки серной кислотой
белком. Видимо, этим можно объяснить преимущественное снижение содержания хлорофилла в в наших опытах - как хлорофилла, менее прочно связанного с белком.
Исследование активности каталазы в различных газодинамических зонах показало ее статистически достоверное снижение под влиянием выбросов. Наиболее чувствительной к действию газов оказалась каталаза у клена ясенелистного: снижение в максимуме доходило до 80% от контрольных аналогов. У него же самый низкий показатель активности этого фермента — 0,2-3 единицы (мл 0,1 н Н2О2), у остальных растений он колеблется в среднем от 5 до 20 единиц. У тополя снижение активности фермента зачастую не наблюдалось (статистически не достоверно). Активность же полифенолоксидазы и пероксидазы в загрязненных зонах повышается (д = 0,36-0,99; р < 0,05 — 0,001). У березы повислой и ивы белой увеличение активности полифенолоксидазы сменяется ее ингибированием. Так же как и в случае с каталазой, активность полифенолоксидазы наиболее сильно подвержена изменениям у клена ясенелис-
тного. Наиболее устойчивой исследуемой породой вновь оказывается тополь черный. У всех растений в зонах загрязнения отмечено активирование перокси-дазы. Наибольшей величины повышение достигает у клена ясенелистного (101 — 132%) и березы повислой (110 — 533%), наименьшей — у тополя черного и яблони ягодной (101 — 110%). Одной из существенных физиологических причин устойчивости к газам при дыхании является соответствующая перестройка всей дыхательной системы и, в частности, увеличение активности пероксидазы и полифенолоксидазы, которые дают растениям возможность в неблагоприятных условиях добывать энергию, необходимую для поддержания жизнедеятельности. Понижение активности ферментов, по-видимому, связано со снижением физиологической активности растительного организма под влиянием газов.
Выявлено достоверное влияние обработки серной кислотой и экспозиция диоксидом серы на все показатели растений (д = 0,83 — 0,99; р < 0,001). Опрыскивание листьев исследуемых видов даже 0,25-процентным раствором серной кислоты привело
«ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК» № 1 (84), 2009 ЭКОЛОГИЯ
ЭКОЛОГИЯ «ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК» № 1 (84), 2009
к значительному поражению листьев, что особенно было заметно у березы бородавчатой и сосны обыкновенной. В концентрации 1,0% серная кислота приводит к практически полной гибели листьев березы и сосны. У остальных видов эта концентрация вызывает побурение отдельных участков, в виде пятнышек с четко очерченной границей между живыми и отмершими клетками и тканями. Поврежденные участки листа обычно локализованы на периферии и в середине между жилками. У сосны некротические участки наиболее часто встречаются в средних и верхних участках игл.
Видимое повреждение листьев соответствует изменению активности каталазы. В наибольшей степени активность этого фермента ингибируется у сосны обыкновенной, за ней следует береза бородавчатая, далее — тополь черный, яблоня ягодная и ива белая. У тополя через 72 часа активность каталазы частично возвращается к норме, в среднем на 10 — 50%, видимо, газоустойчивость тополя связана с его способностью восстанавливать активность ферментов после повреждения. У тополя, яблони опрыскивание вызвало снижение активности полифенолоксидазы — с последующим повышением уровня активности при увеличении концентрации. По-видимому, у этих видов с увеличением воздействия идет постепенное нарастание физиолого-биохимических нарушений. И рост активности оксидаз — защитная реакция на токсиканты, которая обеспечивает сопротивляемость организма и способствует обезвреживанию вредных соединений. У березы же и ивы сразу наблюдалось повышение активности полифенолоксидазы, которая падала при нанесении серной кислоты высокой концентрации. Это падение мы обосновываем необратимостью нарушений, ведущих к гибели листьев, нарушений, с которыми полифенолоксидаза не в состоянии справиться.
Изучаемые виды можно расположить по степени снижения рН следующим образом: тополь черный и яблоня ягодная < ива белая < береза бородавчатая < клен ясенелистный < сосна обыкновенная. Результаты видовой устойчивости здесь полностью совпадают с результатами данных по изменению активности ферментов.
Ответная реакция пигментного комплекса растений на действие серной кислоты заключена в достоверном (при р < 0,05 — 0,001) снижении количества хлорофиллов и каротиноидов прямо пропорционально наносимой концентрации. В наибольшей степени уменьшается количество пигментов у сосны обыкновенной: хлорофиллов — до 80 — 56% к контрольным листьям, каротиноидов — до 90 — 50%. У всех остальных видов снижение примерно одинаково — до 92 — 70%. Соотношение пигментов а/в повышается у растений до 110 — 140% к контролю.
Выводы
Таким образом, анализ полученных данных подтверждает видовые отличия растений по газоус-тойчивости и газопоглотительности. Тополь черный и ива белая поглощают меньшее количество серы и в результате обладают большей устойчивостью.
Отсутствие у них выраженной реакции изученных физиолого-биохимических показателей на невысокие концентрации серной кислоты можно объяснить тем, что эти концентрации не так токсичны для них ввиду большого физиологического резерва.
В непосредственной близи к источникам загрязнения на территории Западной Сибири можно рекомендовать высаживать устойчивые породы: тополь черный и иву белую, а затем сосну сибирскую, березу бородавчатую и клен ясенелистный, поскольку они способны поглощать достаточно большое количество токсиканта.
Научная новизна работы. Впервые в условиях Западной Сибири проведена комплексная оценка газоустойчивости растений в техногенной среде на основе их физиолого-биохимических и морфологических показателей, с применением натурных и экспериментальных исследований проведена сравнительная характеристика растений по их способности к поглощению сернистого газа и разработаны рекомендации по подбору растений для санитарно-защитных зон предприятий Западной Сибири».
Практическое значение. Выявлен видовой состав древесных растений, перспективных для озеленения территорий предприятий. Эти данные, а также сведения о возможных приемах повышения газоустойчи-вости растений вошли в рекомендации по озеленению территории предприятия ОАО «Техуглерод» и Института проблем переработки углеводородов Сибирского отделения Российской академии наук. Полученные результаты могут быть использованы в качестве научной основы при зеленом строительстве городов Западной Сибири, при подборе видов растений для различного типа посадок, в том числе для создания насаждений с повышенной санитарно-гигиенической активностью в районах с высокой загазованностью и запыленностью атмосферного воздуха. С этой целью данные исследований использованы ЗАО «Декоративные культуры». Оценка растений по физиолого-биохимическим показателям может быть использована для определения уровня загрязнения атмосферного воздуха.
Библиографический список
1. Фролов, А.К. Окружающая среда крупного города и жизнь растений в нем [Текст] / А.К. Фролов — СПб. : Наука, 1998. - 328 с.
2. Сергейчик С.А. Растения и экология [Текст] / С.А. Сергейчик — Минск : Ураджай, 1997 — 224 с.
3. Федорова А. И. Практикум по экологии и охране окружающей среды [Текст] / А. И. Федорова, А. Н. Никольская — М. : Владос, 2003 — 286 с.
ДЕНИСОВА Елена Сергеевна, кандидат биологических наук, доцент кафедры физической химии.
E-mail: malachova_rambler.ru
Дата поступления статьи в редакцию: 20.09.2009 г.
© Денисова Е.С.
