CC BY
34
УДК 630*161.32 (181.65)
АНАЛИЗ МОРФОФИЗИОЛОГИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ РЯБИНЫ СИБИРСКОЙ В УСЛОВИЯХ АВТОТРАНСПОРТНОЙ НАГРУЗКИ НА ПЕРЕКРЕСТКАХ г. КЕМЕРОВО
© 2011 г. О.Л. Цандекова, Е.Ю. Колмогорова, В.А. Кайдорина
Институт экологии человека СО РАН, Institute ofHuman Ecology of Siberian Division RAS,
пр. Ленинградский, 10, г. Кемерово, 650065, Leningradsky Ave, 10, Kemerovo, 650065,
biomonitoring@ bk.ru [email protected]
Дана оценка влияния выбросов автотранспорта на морфофизиологические показатели рябины сибирской. Установлено, что высокая транспортная нагрузка на перекрестках города оказывает отрицательное влияние на рост и развитие растений. Исследуемые морфофизиологические характеристики можно использовать для фитоиндикации и оценки состояния древесных растений в условиях загрязнения окружающей среды выбросами автотранспорта.
Ключевые слова: выбросы автотранспорта, рябина сибирская, интенсивность фотосинтеза, пигменты, прирост побегов, жизненное состояние.
The influence of motor vehicle fumes on the morphophysiological factors of a Siberian rowan has been estimated. It is proved that heavy traffic at flu city's crossroads has a bad influence on the growth and development of plants. The morphophysiological features, which are explored, can be used for phytoindication and evaluation of the wood plants state growing in the areas which are polluted with motor vehicle fumes.
Keywords: motor vehicle fumes, Siberian rowan (Sorbus sibirica Hedl.), influence of photosynthesis, pigments, accretion of shoots, condition.
Загрязнение воздушного бассейна г. Кемерово относится к наиболее острой экологической проблеме. Существенную дополнительную нагрузку на атмосферу города оказывает увеличение автомобильного транспорта. Наибольшая доля загрязнения воздуха и почв от автотранспортных потоков приходится на автомагистрали и перекрестки города. Выхлопные газы автотранспорта выделяют более 200 соединений загрязняющих веществ. Основными являются оксиды азота, оксид углерода, диоксид серы, свинец и его
соединения, бенз(а)пирен, аммиак и другие вещества. Они вызывают нарушения роста и развития растений, образование некрозов на листьях, преждевременное усыхание и опадание листвы, снижение декоративности, а также ослабление и усыхание деревьев. Высокая чувствительность деревьев к загрязнению связана с угнетением и повреждением ассимиляционных органов, что приводит к изменениям морфофизиологи-ческих показателей. Многие авторы отмечают, что низкие концентрации газообразных веществ в атмо-
сфере при долговременном воздействии могут вести к их аккумуляции в листьях древесных растений [1, 2]. Растения способны усваивать газообразные токсиканты, накапливать их, выделять в неизменном виде, вовлекать в метаболизм веществ и тем самым понижают их концентрацию в окружающей среде [3].
Изменение функциональной активности фотосинтетического аппарата является одной из ответных реакций растений на влияние атмосферного загрязнения окружающей среды. Некоторыми авторами установлено снижение интенсивности фотосинтеза в результате действия различных промышленных и автомобильных выбросов [4, 5]. Этот факт может служить диагностическим признаком состояния древесных растений и в качестве индикатора состояния городской среды.
Основным из фотосинтетических пигментов растений является хлорофилл а, который образует реакционные центры, участвующие в световой фазе фотосинтеза. При уменьшении его содержания а в листьях происходит увеличение доли вспомогательного пигмента - хлорофилла Ь, защищающего ткани от окисления кислородом на свету, что может рассматриваться как адаптивная реакция ассимиляционного аппарата растений [6, 7]. Влияние газообразных токсикантов на пигменты пластид широко обсуждается в литературе. Они локализуются в хлоропластах, вызывая угнетение и разрушение клеточных структур [8]. Некоторые исследователи [9] использовали пигментный состав растений для диагностики их устойчивости к техногенному загрязнению. Известно, что содержание пигментов в определенной мере является показателем потенциальной фотосинтетической способности растений, поэтому изменение в их содержании при различных уровнях загрязнения атмосферного воздуха может характеризовать степень депрессии фотосинтеза. Фотосинтетические характеристики пигментного комплекса могут рассматриваться как некоторый индикатор общего состояния растительного организма, а в какой-то степени и устойчивости.
Для оценки процессов роста древесных растений многие авторы используют различные биометрические параметры [10]. Анализ изменения процессов роста и скорости развития позволяет прогнозировать динамику состояния древесных растений, произрастающих в условиях действия автотранспортной нагрузки в городской среде.
Цель нашего исследования - изучить морфофи-зиологические показатели рябины сибирской в условиях автотранспортной нагрузки на перекрестках г. Кемерово.
В задачу исследований входило исследование фотосинтетической продуктивности и количественных характеристик пигментного комплекса у рябины сибирской на перекрестках города; изучение годичного прироста боковых побегов рябины сибирской; оценка жизненного состояния (% живых ветвей в кроне, степени облиственности крон, живых (без некрозов) листьев в кроне, живой площади листа) рябины сибирской, произрастающей в локальных очагах загрязнения.
Объекты и методы исследований
Исследования проводились в летний период 2009 г. Объект - рябина сибирская (Sorbus sibirica Hedl.) 30, 40-летнего возраста, произрастающая вблизи перекрестков г. Кемерово: 1 - пр. Октябрьский -ул. Терешковой; 2 - пр. Кузнецкий - ул. Сибиряков-Гвардейцев. Перекресток 1 расположен в Центральном районе города, 2 - в Заводском. Они характеризуются высокой интенсивностью автомобильного движения. Площадки наблюдений располагались вблизи изучаемых перекрестков, а контрольные - на территории Средней общеобразовательной школы № 34 Ленинского района (наименее загрязненного района города).
Для выявления степени загрязнения перекрестков выбросами автотранспорта проведено математическое моделирование среднегодового и максимально разового загрязнения на основе данных инвентаризации выбросов и климатического распределения метеопараметров [11]. На основании данных моделирования рассчитан комплексный показатель (КП) загрязнения атмосферы: КП=С1/ПДКс1+С2/ПДКс2+. • .С7/ПДКС7, где С - среднегодовая концентрация; ПДКС1 - соответствующая среднесуточная предельно допустимая концентрация (ПДК). Индексы 1 - 7 относятся к свинцу, диоксиду азота, диоксиду серы, оксиду углерода, бенз(а)пирену, саже и бензину. По данным А.А. Быкова [11], в таблице приведены значения среднегодовых и максимально разовых концентраций загрязняющих веществ на перекрестках г. Кемерово с различной степенью загрязнения воздушной среды.
Как показывают данные таблицы, максимальное превышение ПДК отмечено по свинцу, диоксиду азота и бенз(а)пирену. Наиболее существенное превышение загрязняющих веществ выявлено на перекрестке 2, особенно по свинцу и диоксиду азота (более чем в 5-12 раз).
Отбор растительных образцов проводили в течение вегетации через каждые 10 дней. Листья собирали с нижней трети кроны с южной стороны с помощью секатора на шесте, без видимых признаков повреждений, хорошего и удовлетворительного жизненного состояния, с 5 модельных деревьев на каждом перекрестке. Пробы для физиологических исследований доставлялись в лабораторию в колбах с водой. Исследования проводились в трехкратной повторности.
Оценку фотосинтетической способности листьев деревьев проводили бескамерным методом, разработанным О.Д. Быковым [12]. Метод основан на опре-
Концентрации загрязняющих веществ перекрестков г. Кемерово, в долях ПДК
Перекресток Pb no2 SO2 CO Бенз(а)-пирен Сажа Бензин КП
1 0,40* 5,53 3,04 4,15 0,66 0,33 0,57 6,26 0,62 1,85 0,12 0,37 0,15 0,72 6 6
2 •0 i> ^ i> о! ""5 5,66 12,04 0,89 0,31 0,88 7,49 1,02 2,20 0,16 0,43 0,23 0,95 10 10
ПДКс, 0,0003 0,04 0,05 30 10-6 0,05 15
мг/м3 0,001 0,085 0,05 5,0 10-5 0,15 5,0
числитель - среднегодовые концентрации; знаменатель - максимально разовые.
делении относительного изменения в удельном содержании восстановленных веществ за единицу времени. С каждого опытного растения брали 2 навески листьев (контроль и опыт) по 50 мг. Контрольная навеска сразу же фиксировалась в пробирке с хромовой смесью для сжигания, опытная - после 4-часовой экспозиции листьев на свету. Навеска растительного материала после экспозиции подвергалась кислотному озолению (в хромовой смеси) с последующим измерением оптической плотности и расчетом результатов по формулам из [12].
Содержание пигментов определяли спектрофото-метрическим методом (с использованием спектрофотометра LEKI SS 1207) в трехкратной повторности по величине оптической плотности при 663, 645 и 440,5 нм. Содержание пигментов в листьях рассчитывали по формулам Mac-Kinney и Wettstein [13].
Для морфобиометрических исследований на 10 модельных деревьях на исследуемых перекрестках помечали по 10 ветвей (из нижней трети кроны дерева по периметру) и через 10 дней производили соответствующие замеры. Размеры боковых годичных побегов измеряли линейкой с точностью до 0,1 см [14]. Для оценки жизненного состояния нами применялся визуальный метод, в основу которого положено определение степени нарушения ассимиляционного аппарата и крон. В этом случае процент живых (Р1) ветвей в кронах деревьев (10 % = 1 балл); степень облиственности крон (Р2) (10 % = 1 балл); процент живых (без некрозов) листьев (Р3) в кронах (10 % = 1 балл); средний процент (Р4) живой площади листа (10 % = 1 балл). Суммарная оценка состояния деревьев (Св) проводилась по формуле Св = Pi + Р2 + Р3 + Р4.
Максимальная величина оценки состояния деревьев в нормальных насаждениях составляет по этому методу 39-40 баллов, а в ослабленных и усыхающих -менее 39 [15]. Математическая обработка экспериментальных данных и корреляционный анализ проведены с помощью компьютерных программ Excel и Statistica 6.0.
Результаты и их обсуждение
Аэротехногенное загрязнение вблизи автомагистралей обусловливает, в первую очередь, воздействие экотоксикантов на листовой аппарат древесных растений, в связи с этим их фотосинтетический аппарат страдает в первую очередь. Анализ полученных результатов показал, что в течение вегетации у рябины сибирской максимальная фотосинтетическая ассимиляция органического вещества отмечена в июле как у опытных, так и у контрольных растений. К концу вегетации данный показатель снижался вследствие старения листьев и затухания синтетических процессов. Максимальные значения показателя восстановленных органических веществ в листьях рябины сибирской наблюдались в период с 5 по 25 июля (8,49^36,64 мг/(гч)).
Потенциальная интенсивность фотосинтеза в листьях рябины сибирской, произрастающей вблизи перекрестков г. Кемерово, отличающихся различной степенью загрязнения воздушной среды выбросами
автотранспорта, показана на рис. 1. На перекрестках
1, 2 у рябины сибирской наблюдалось снижение фотосинтетической ассимиляции органического вещества в среднем на 28 и 30 % соответственно по сравнению с контрольными растениями. Наиболее существенное снижение фотосинтетической продуктивности относительно контроля выявлено вблизи перекрестка
2, особенно в сроки наблюдений - 15 июля и 14 августа (на 33 и 49 % соответственно).
Рис. 1. Потенциальная интенсивность фотосинтеза листьев рябины сибирской на перекрестках 1 и 2
Количественные характеристики состояния пигментного комплекса древесных растений являются определяющими состояния как отдельных деревьев, так и насаждения в целом. У рябины сибирской, произрастающей вблизи сильнозагрязненных перекрестков, наблюдались некоторые отличия в содержании пигментов по сравнению с образцами контрольных растений. При этом необходимо отметить, что количество «зеленых» пигментов в листьях на протяжении вегетационного сезона было больше по сравнению с «красными» пигментами. Доля хлоро-филлов в листьях больше по сравнению с кароти-ноидами, что подтверждает высокий уровень метаболизма и пластического обмена растений. Концентрация пигментов изменялась от минимальных значений в июне до максимальных в июле, с последующем снижением в августе. Следует отметить, что у рябины сибирской в условиях автотранспортной нагрузки возрастает доля вспомогательного пигментов - хлорофилла Ь (рис. 2).
У рябины сибирской вблизи перекрестков 1, 2 в период с 25 июня по 25 июля отмечалось достоверное снижение суммы хлорофиллов в среднем на 9^24 % и суммы каротиноидов на 6^14 % относительно контроля. Причем у рябины сибирской, произрастающей вблизи перекрестка 2, в течение вегетации выявлено наиболее существенное достоверное снижение хло-рофиллов a (на 18 %), Ь (на 25 %), суммы хлорофил-лов (на 20 %) и суммы каротиноидов (на 10 %) по сравнению с контролем. Максимум снижения всех пигментов у рябины на этом перекрестке отмечен 5 июля ^ - на 31 %, Ь - на 38, сумма хлорофиллов - на 33, сумма каротиноидов - на 30 %) относительно контроля.
20
а+b
Сумма каротиноидов
g 35
а н
§ 30 ё
^ 25
5 20 s
15 -
Ё. 10 ш
5
и
5 -
п 26.05
□ 05.07
б
Рис. 2. Содержание пигментов в листьях рябины сибирской. а - перекресток 1; б - 2
Отношение хлорофилла а к хлорофиллу Ь (а/Ь) характеризует потенциальную способность листьев древесных растений к фотосинтезу. Данный показатель лабилен и зависит от условий произрастания. Такая лабильность пигментной системы может обеспечить широкий диапазон работы основного процесса жизнедеятельности растений. Полученные экспериментальные данные показаны на рис. 3 и свидетельствуют о том, что наиболее высокие значения а/Ь у рябины отмечены 5 июля (2,68-3,02 мг/г) и 4 августа (2,89-3,17 мг/г).
Следует отметить, что а/Ь в течение вегетации возрастало и снижалось без определенной тенденции. Снижение уровня данного соотношения происходило в основном за счет увеличения доли хлорофилла Ь, роль которого как дополнительного пигмента возрастает при неблагоприятных условиях. В нашем случае у насаждений рябины сибирской, произрастающей вблизи силь-нозагрязненных перекрестков, отмечено повышение концентрации хлорофилла Ь по сравнению с контрольными
растениями и, как следствие, уменьшение а/Ь.
Анализ изменения процессов роста и скорости развития позволяет прогнозировать динамику состояния древесных растений. У рябины сибирской снижается прирост годичного побега по сравнению с контролем (рис. 4). Следует отметить, что существенное снижение прироста в течение всей вегетации наблюдалось у рябины, произрастающей вблизи перекрестка 2. Годичный прирост рябины на этом перекрестке достоверно снижался 26 мая и 15 июня (на 61 %). На перекрестке 1 наблюдается менее существенное отличие прироста от контрольных значений. Максимальное снижение прироста годичного побега отмечается 26 мая и 5 июня (на 13 %).
Степень нарушения ассимиляционного аппарата и крон у исследуемых растений позволило дать оценку их жизненного состояния. У контрольных образцов отмечалось незначительное снижение живых ветвей в кроне, степени их об-лиственности, живых, без некрозов листьев в кроне и живой площади листа. Балл жизненного состояния составил 39,5, что соответствует нормальным насаждениям. Анализ жизненного состояния показал, что у опытных образцов, произрастающих на перекрестке 2, отмечены наиболее существенные отклонения по данному показателю (31 балл) за счет снижения всех изучаемых признаков. Следовательно, насаждения рябины являются ослабленными в условиях хронического воздействия выбросов автотранспорта.
(Сумма каротиноидов В 25.07 С! 04.08 п 14.08
3,5
2,5
1,5
0,5
,•4
\\ Ч ХГ ч \
// Ч .-' А
/
26.05
0 55.06 15 .06 25.06 05.07 15.07 25.07 04.08 14.08
Сроки наблюдений
- -▲- - контроль; -перекресток 1; — □ — перекресток 2
Рис. 3. Отношение а/Ь в листьях рябины сибирской, мг/г
0
18
16
£ 12 л
10
3 4
26.05 05.06 15.06 25.06 05.07 15.07
Сроки наблюдений
- - перекресток 2; - - ♦ - - перекресток 1;-контроль
Рис. 4. Годичный прирост боковых побегов рябины сибирской
Полученные морфофизиологические данные позволяют заключить, что насаждения рябины сибирской, произрастающие вблизи высокозагрязненных перекрестков г. Кемерово, отличающихся различной степенью загрязнения воздушной среды выбросами автотранспорта, являются ослабленными. В условиях хронического воздействия выбросов автотранспорта у рябины отмечено ухудшение морфофизиологических показателей, особенно на перекрестке 2. Выявлено снижение фотосинтетической продуктивности и концентрации пигментов, прироста годичных побегов, степени облиственности крон, количества живых ветвей в кроне, количества живых (без некрозов) листьев в кроне, что привело к ухудшению жизненного состояния рябины. Полученные данные позволяют использовать морфофизиологические показатели для оценки состояния древесных растений, произрастающих в локальных очагах загрязнения.
Литература
1. Майдебура И.С. Влияние загрязнения воздушного бассейна г. Калининграда на анатомо-морфологические и биохимические показатели древесных растений : автореф. дис. ... канд. биол. наук. Калининград, 2006. 22 с.
2. Кулагин А.А., Шагиева Ю.А. Древесные растения и биологическая консервация промышленных загрязнителей / отв. ред. Г.С. Розенберг. М., 2005. 190 с.
3. Автомобильные дороги в экологических системах (проблемы взаимодействия) / Д.Н. Кавтарадзе [и др.]. М., 1999. 240 с.
4. Неверова О.А., Колмогорова ЕЮ. Древесные растения и урбанизированная среда: экологические и биотехнологические аспекты. Новосибирск, 2003. 222 с.
5. Photosynthesis and photoprotection in overwintering plants / W.W. Adams III [et al.] // Plant Biol. 2002. Vol. 4. P. 545-557.
6. Lichtenthaler H.K. Chlorophylls and carotenoids: Pigments of photosynthet-ic biomembranes // Methods Enzymol. 1987. Vol. 148. P. 350 - 382.
7. Chlorophyll fluorescence imaging of photosynthetic activity with the fluorescence
imaging system / H.K. Lichtenthaler [et al.] // Photosynthetica. 2005. Vol. 43. P. 355 - 369.
8. Головко Т.К., Табаленкова Г.Н., Дымова О.В. Пигментный аппарат растений Приполярного Урала // Бот. журн. 2007. Т. 92, № 11. С. 1732 - 1741.
9. Черкашина М.В., Петухова Г.А. Влияние техногенной нагрузки на изменение содержания пигментов фотосинтеза и степени окраски древесных и травянистых растений // Современные наукоемкие технологии. 2007. № 5. С. 81.
10. Авдеева Е.В. Зеленые насаждения в мониторинге окружающей среды крупного промышленного города (на примере г. Красноярска) : автореф. дис. ... д-ра с.-х. наук. Красноярск, 2008. 31 с.
11. Быков А.А. Разработка и применение математических моделей для управления чистотой атмосферы по среднегодовым показателям : автореф. дис. ... канд. хим. наук. М., 1998. 22 с.
12. Быков О.Д. Бескамерный способ изучения фотосинтеза: метод, указания. Л., 1974. 17 с.
13. Практикум по физиологии растений / Н.Н. Третьяков [и др.]. М., 2003. С. 86 - 92.
14. Карманова И.В. Математические методы изучения роста и продуктивности растений. М., 1976. 221 с.
15. Николаевский В.С. Экологическая оценка загрязнения среды и состояния наземных экосистем методами фитоиндикации. М., 1999. 193 с.
Поступила в редакцию
10 мая 2011 г
Ol 1а
ю 14
8
6
2
0
