CC BY
99
ИЗВЕСТИЯ
ПЕНЗЕНСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО ПЕДАГОГИЧЕСКОГО УНИВЕРСИТЕТА имени В. Г. БЕЛИНСКОГО ЕСТЕСТВЕННЫЕ НАУКИ № 10 (14) 2008
IZVESTIA
PENZENSKOGO GOSUDARSTVENNOGO PEDAGOGICHESKOGO UNIVERSITETA imeni V. G. BELINSKOGO NATURAL SCIENCES № 10 (14) 2008
УДК 504.3.054; 504.3.064
БИОТЕСТИРОВАНИЕ АТМОСФЕРНЫ1Х ЗАГРЯЗНЕНИЙ ПО СОДЕРЖАНИЮ ХЛОРОФИЛЛА И АКТИВНОСТИ ПОЛИФЕНОЛОКСИДАЗЫ
© Б. П. ЗАПЛАТИН
Пензенский государственный педагогический университет имени В. Г. Белинского кафедра ботаники, физиологии и биохимии растений e-mail: botanika@spu.penza.ru
Заплатин Б. П. - Биотестирование атмосферных загрязнений по содержанию хлорофилла и активности полифенолоксидазы. - Известия ПГПУ им. В. Г. Белинского. 2008. № 10 (14). - С. 82-87. - Сравнивалась разрешающая способность двух методов биотестирования атмосферных загрязнений на разных видах - береза и ель. Выявлено, что динамика содержания хлорофилла и активности полифенолоксидазы меняется несинхронно как по сезонам, так и по зонам исследования. Дана интегральная оценка состояния воздушной среды различных городских районов.
Ключевые слова: биотестирование, загрязнение атмосферы, хлорофилл, полифенолоксидаза, Пенза.
Zaplatin В. P. -Biotesting ofair pollutions according to the content ofa chlorophyll and activity polyphenoloxygenize. -Izv. Penz. gos. pedagog. univ. im.i V. G. Belinskogo. 2008. № 10 (14). P. 82-87. - Resolving power of two methods of biotesting of air pollutions on different indicator species - Tilia cordata L. and Picea pungens Engelm was compared. It is revealed, that dynamics of the content of a chlorophyll and activity polyphenoloxygenase varies nonsynchronously on seasons, and regions investigated. The integrated air environmental assessment of various urban areas is given.
Keywords: biotesting, atmosphere pollution, chlorophyll, polyphenoloxygenase, Penza.
Несмотря на всю важность проблемы биоиндикации экологии городской среды, поиск надежных методических подходов и тест-систем, позволяющих в короткие сроки получить максимальную информацию о степени техногенного влияния на растительные сообщества, остается весьма актуальным [8]. В этой связи, представляется интересным провести биотестирование состояния атмосферы различных городов одновременно по различным параметрам (содержание фотосинтетических пигментов и активность полифе-нолоксидазы) у хвойных и лиственных деревьев в различные сезоны.
МАТЕРИАЛ И МЕТОДИКА В качестве тест-объектов были использованы липа сердцевидная (Tilia cordata L.) и ель колючая (Picea pungens Engelm) - эти виды достаточно распространены в городской среде, их биология детально изучена. для исследования отбирались экземпляры деревьев приблизительно одинакового возраста с учетом условий произрастания: расположение деревьев по отношению к свету; ширина улицы; расстояние до перекрестков и т. д. Листья и хвоя собирались с 4-5 деревьев каждого вида. На каждом дереве отобрались по 3 пробы, с разных сторон кроны [9].
Исследования проводились в городах Пенза и Заречный. Первая группа модельных площадок была заложена в экологически неблагоприятных точках городов (в скобках даны обозначения площадок используемые на графиках; площадки без указания города находятся в г. Пензе) - по соседству с промышленными предприятиями, транспортными магистралями: улица Гагарина (40 лет Октября) - сбор проводился напротив ДК «40 лет Октября»; улица Кирова (Площадь Ленина) - напротив здания администрации г. Пензы; улица Тухачевского (Пенза 3) - на привокзальной площади. Вторая группа площадок расположена в менее загрязненных районах: улица Плеханова (Пенза 1) -сбор проводился на привокзальной площади; улица Дружбы («Биосинтез») - сквер напротив завода мед. препаратов; улица Мира (НИИ «Контрольприбор») -вдоль дороги; улица ленина, г. Заречный (Библиотека) - напротив библиотеки. Третья группа площадок находится на участках, считающимися благоприятными в экологическом отношении: улица лермонтова (Пед. университет) - у корпуса ЕГФ; Завод г. Заречный (Завод) - напротив котельной; улица Конституции, г. Заречный (Мир техники) - вдоль дороги; центральный парк, г. Заречный (Парк) - напротив здания администрации г. Заречного.
При определении содержания хлорофилла, собранный с одной модельной площадки растительный материал перемешивался для усреднения и экстрагировался 96 - 98 % спиртом. Оптическую плотность хлорофильной вытяжки определяли на фотоэлектроколориметре (КФК - 2, Россия), с тремя аналитическими повторностями. Полученные результаты пересчитывались на мг/г сухого веса. Активность по-лифенолоксидазы определяли в экстракте фосфатного буфера, по методу Бояркина [3].
Для каждого района исследования определялась интенсивность движения автотранспорта, согласно ГОСТ - 17.2.2.03-77, и рассчитывались концентрации окиси углерода [9].
Исследования проводили в течение двух сезонов: первая серия определений проведена летом
Следует учитывать, что концентрация СО дает лишь косвенное представление об экологии зоны. Серьезными загрязняющими агентами атмосферы могут оказаться ряд других токсичных веществ.
Динамика содержания хлорофилла
Наши исследования показали, что у обоих видов деревьев осенью происходит сезонное уменьшение содержания хлорофилла. Однако у липы наблюдалось более заметное снижение содержания хлорофил-
(с 25.06.2007 по 3.07.2007), вторая в течение осени (с 14. 09.2007 по 21.09.2007).
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Концентрация окиси углерода в разных участках города
как показали наши исследования, концентрации СО не всегда находится в прямой зависимости от количества автотранспорта, так как на этот процесс влияет тип автотранспорта, режим движения, ландшафтные особенности и т. д. [5]. Обнаружены зоны с достаточно высоким содержанием СО: Площадь Ленина, Пенза 3, Пенза 1, НИИ «Контрольприбор» и зоны относительно благополучные: Пед. университет, Завод, Парк (г. Заречный). Различия в концентрации СО достигали 11 раз и более (табл. 1).
ла, как в среднем, так и в отдельных точках (табл. 2). В литературе также имеются данные о том, что у хвойных деревьев содержание хлорофилла меняется менее резко, чем у листопадных деревьев [4, 6].
Содержание хлорофилла и его сезонная динамика оказались неодинаковы на разных модельных площадках (рис. 1). Корреляционный анализ показал наличие прямой линейной связи (г2=0,7) между содержанием хлорофилла у ели и липы в летний период т.е. вначале уровень загрязнения атмосферы не слишком
Таблица1
Суммарная оценка загруженности улиц автотранспортом
Вид транспорта Пед. университет Завод (г. Заречный) Парк (г. Заречный) Биосинтез 40 лет Октября Мир техники (г. Заречный) Библиотека (г. Заречный) 1 Н°х§ 5 ** оп И Пенза 1 Пенза 3 Пл. Ленина
Суммарная оценка загруженности 0 2988 2556 11016 20016 3420 5544 8892 7416 21384 28000
Интенсивность движения: ГОСТ -17.2.2.03-77 низкая низкая низкая средняя высокая низкая средняя средняя средняя высокая высокая
Концентрация окиси углерода (СО), мг/м3 0 2.4 2.26 6 6.9 8.8 7.5 10.2 10.4 17 26
Таблица 2
Содержание хлорофилла и активность полифенолоксидазы у липы и у ели в среднем
Показатель Содержание хлорофилла Активность полифенолоксидазы
Липа Ель Липа Ель
лето осень лето осень лето осень лето осень
Среднее 0.20 0.12 0.09 0.06 1.90 2.71 0.91 1.17
Коэффициент вариации по площадкам, % 22 35.7 15.5 23.3 14.7 25.9 16.6 12.8
Примечание: доверительный интервал не приводится т. к. указан коэффициент вариации.
различался по площадкам, а некоторая вариация, скорее всего, зависела от локальных особенностей площадок (освещенность, влажность и т.п.).
Осеннее определение содержания хлорофилла не выявило никаких корреляций даже с летним уровнем хлорофилла внутри одного вида, т. е. специфичность площадок резко возросла. Видимо, антропогенное изменение газовой среды оказалось настолько значительным, что превзошло локальную вариацию естественных экологических факторов (табл. 2), и
экологическое состояние площадок менялось независимо друг от друга. В этой связи интересно отметить, что слабая обратная корреляция (г2= -0,5) между концентрацией СО и содержанием хлорофилла у обоих видов наблюдалась лишь при летних определениях, что дает основание утверждать, что основными загрязняющими факторами оказались другие токсиканты. Об этом же косвенно свидетельствует неодинаковый характер изменений на разных модельных площадках.
- 0,14 0,12 0,10
- 0,08 0,06 0,04
- 0,02 0,00
г
а_
а>
Ель/лето
Ель/осень
аппроксимация,
ель/лето
■ аппроксимация: ель/осень
-аппроксимация:
сезонные
различия
Рис. 1. Сезонные различия в содержании хлорофилла у ели колючей
У ели была обнаружена сильная линейная связь между сезонными различиями в содержании хлорофилла и уровнями содержания хлорофилла в летний и осенний период (г2 = + 0,85 и - 0,85, соответственно), следовательно, степень снижения уровня хлорофилла у ели достоверно зависела от исходного уровня. При высокой степени достоверности аппроксимации сезонных различий у ели (г2=0,96); достоверность аппроксимации летнего и осеннего содержания хлорофилла достигала 0,7. У липы достоверность аппроксимации содержания хлорофилла значительно ниже (+0,59; -0,64), что объясняется высокой вариабельностью этого показателя у липы (рис. 1) и говорит о ее меньшей устойчивости по сравнению с елью.
Динамика содержания полифенолоксидазы
Многими авторами отмечается, что большая активность полифенолоксидазы наблюдается у растений в осенний период [1, 2, 7]. Наши исследования также подтверждают эти данные (табл. 2).
Ель, как и при изучении содержания хлорофилла, проявила себя более стабильным, толерантным
видом. На это указывают и различия активностей по-лифенолоксидазы в абсолютных значениях (рис. 1, 2), и коэффициенты вариации ели и липы, рассчитанные для каждого из сезонов (табл. 3). Если у ели вариабельность признака почти не меняется по сезонам, то у липы к осени она вырастает почти в 2 раза.
Интересно, что летний и осенний уровни активности полифенолоксидазы у липы практически не коррелируют друг с другом, в то время как у ели наблюдается некоторая линейная обратная сезонная зависимость (г2 = - 0,64). Причем, как и в случае с содержанием хлорофилла, у ели существует отчетливо выраженная линейная зависимость (| г2 | > 0,9) между активностью полифенолоксидазы в летний и осенний периоды, с одной стороны, и сезонной динамикой (степенью изменения) активности полифенолоксида-зы - с другой стороны. То есть, чем выше летняя или ниже осенняя активность полифенолоксидазы, тем значительнее были сезонные изменения (рис. 2). Для липы подобная корреляция наблюдается только для осенней активности полифенолоксидазы (рис. 3).
аппроксимация:
ель/осень
аппроксимация: сезонные различия
//////</ ? ^ «Г
+./ Л*'
£
Рис. 2. Сезонная динамика активности полифенолоксидазы у липы сердцевидной
Рис. 3. Сезонная динамика активности полифенолоксидазы у ели колючей
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Проведенные исследования показали, что существует прямая корреляционная зависимость между содержанием хлорофилла летом у ели колючей и липы сердцевидной г2 = 0,7, концентрация СО с названным параметром связана слабо (г2 = 0,5) - т. е. автотранспорт не является главным источником загрязнения атмосферного воздуха.
Зависимость между сезонными различиями и состояниями в летний и осенний периоды для ак-
тивности полифенолоксидазы, и для содержания хлорофилла не всегда совпадают по зонам исследования, и по видам деревьев, что свидетельствует о неодинаковом механизме влияния среды на исследуемые параметры и о видовых различиях. Вместе с тем, обнаружены точки со стабильным состоянием атмосферы: Площадь Ленина (г. Пенза), Завод (г. Заречный), Мир техники (г. Заречный) и динамично меняющиеся по сезонам: Биосинтез, 40 лет Октября (г. Пенза).
Рис. 4. Интегральная оценка активностей полифенолоксидазы и содержания хлорофилла в различных зонах городов Пенза и Заречный
Таким образом, наблюдается сложная вариация изучаемых показателей как по сезонам и видам, так и по модельным площадкам. Поэтому мы попытались интегрировать полученные результаты для общей характеристики зоны, учитывая, что содержание хлорофилла и активность полифенолоксида-зы у разных видов деревьев могут неодинаково реагировать на различные факторы среды. С этой целью, для каждого из изучаемых видов деревьев была найдена максимальная величина (показанная видом в течение обоих сезонов) по каждому из исследуемых параметров. Это дало возможность рассчитать показатели для каждой из площадок в процентах от максимального, определяя суммарный процент за оба сезона по показаниям обоих видов. Активность полифенолоксидазы мы выразили в обратных величинах, так как чистота экологической среды находится с этим показателем в обратной зависимости. кроме того, это дало возможность совместить данные по хлорофиллу и полифенолоксидазе. Полученная оценка каждой точки представлена на рис. 4, из которого следует, что Центральный парк, Пенза 1, Пенза 3, более благополучны в отношении атмосферных загрязнений; Мир Техники, Завод (г. Заречный), пл. Ленина - зоны максимального экологического загрязнения.
ВЫВОДЫ
1. Сезонные изменения содержания хлорофилла и активности полифенолоксидазы у обоих тест-объектов происходят несинхронно и, обычно, с усилением вариации между модельными площадками, особенно, для липы.
2. При использовании обоих методов биоиндикации у ели наблюдается существенная корреляция между степенью сезонного изменения и показателями летнего и осеннего уровней, но для полифенолокси-дазы эта зависимость выражена отчетливее, чем для хлорофилла. Для липы такие корреляции менее достоверны.
3. Липа сердцевидная менее устойчива к загрязнению воздушной среды по сравнению с елью.
4. Исследуемые участки имеют различную загруженность улиц автотранспортом, но четкой линейной корреляции между концентрацией СО и исследуемыми показателями не наблюдается. Автотранспорт не является единственным источником загрязнений. каждая модельная площадка имеет свой динамичный состав поллютантов.
5. Интегральная оценка состояния воздушной среды выявила наиболее неблагополучные районы: Мир Техники, Завод (г. Заречный), Площадь Ленина.
6. Биоиндикационные методы более информативны при комплексном использовании.
список ЛИТЕРАТУРЫ
1. Алиев Р. Р. Биоиндикация загрязнений природной среды с помощью биохимических и флуоресцентных параметров древесных растений: Автореф. дис. ... канд. наук. Ташкент: ТГУ, 1993. 22 с.
2. Бортитц С., Деслер Х.-Г., Эндерляйн Х. и др. Влияние загрязнений воздуха на растительность. Причины. Воздействие. Ответные меры. Л.: Лесная промышленность, 1981. 181 с.
3. Бояркин А. Н. Быстрый метод определения активности полифенолоксидазы. // Труды ин-та физиол. раст. им. К. А. Тимирязева. М.: ИФР. 1954. Т. 8. Вып. 2. С. 398-404.
4. Гетко Н. В. Растения в техногенной среде. Структура и функция ассимиляционного аппарата. Минск: Наука и техника, 1989. 208 с.
5. Израэль Ю. А., Семенов С. И., Кунина И. М. Экологическое нормирование: методология и практика // Проблемы экологического мониторинга и моделирование экосистем. Л.: Гидрометеоиздат, 1991. Т. XIII. С. 10-24.
6. Калинин В. А. Состояние искусственных сосновых молодняков в условиях атмосферных промышленных загрязнений: Автореф. дис. . канд. наук. Свердловск: СГУ, 1989. 24 с.
7. Меннинг У. Д. Биомониторинг загрязнения атмосферы с помощью растений. Л.: Гирометеоиздат, 1985. 143 с.
8. Николаевский В. С. Экологическая оценка загрязнения среды и состояние наземных экосистем методами фитоиндикации. Пушкино: ВНИИЛМ, 2002. 220 с.
9. Федорова А. И., Никольская А. Н. Методы экологии охраны окружающей среды, М.: ВЛАДОС, 2001. 288 с.
