CC BY
25Journal of Siberian Federal University. Chemistry 4 (2009 2) 359-367
УДК 543.64; 57.042
Флуоресцентная диагностика зимнего покоя хвойных в урбоэкосистемах с различным уровнем загрязнения воздушной среды
Н.В. Пахарькова*, О.П. Калякина, А.А. Шубин, Ю.С. Григорьев
Сибирский федеральный университет, Россия 660041, Красноярск, пр. Свободный, 79 1
Received 16.11.2009, received in revised form 7.12.2009, accepted 15.12.2009
Растения, произрастающие в районах с высоким уровнем загрязнения, не готовы к суровым зимним условиям и могут быть повреждены. Поэтому необходимо подробно изучить сезонную динамику растений, включая их переход в состояние зимнего покоя, с использованием адекватных методов для мониторинга их физиологического состояния. Одним из таких подходов служит измерение термоиндуцированных изменений нулевого уровня флуоресценции (ТИНУФ). Для определения уровня загрязнения окружающей среды проводили анализ поверхностного и внутритканевого загрязнения хвои методами ионной хроматографии ирентгенофлуоресцентной спектроскопии. Мы изучили 30-40-летние деревья сосны обыкновенной (Pinus sylvestris L.) и ели сибирской (Picea obovata Ledeb.), растущие в искусственных насаждениях г. Красноярска и его окрестностей. Полученные результаты позволяют предположить, что меньшая глубина зимнего покоя является реакцией хвойных растений на увеличение уровня техногенного загрязнения.
Ключевые слова: загрязнение воздушной среды, сосна обыкновенная (Pinus sylvestris L.), ель сибирская (Picea obovata Ledeb.), зимний покой, флуоресценция, ионная хроматография, рентгенофлуоресцентная спектроскопия.
Введение му наступлению неблагоприятных внешних Вечнозеленые растения северных и уме- условий, защите от обезвоживания [1-3]. ренных широт в течение жизненного цикла При переходе к состоянию зимнего по-испытывают действие целого ряда внешних коя наблюдается ряд изменений на клеточном факторов, сильно отклоняющихся от опти- уровне. Происходит обратимая структурная мальных, которые вызывают необходимость перестройка хлоропластов клеток мезофилла существенной перестройки растительного хвои, заключающаяся в частичном распаде организма для продолжения функционирова- гран и изменении числа тилакоидов, накопления. Способность уходить в состояние покоя ние криопротекторов, таких как сахара и низ-выработалась у растений в ходе эволюции - комолекулярные белки, повышение уровня это важное приспособление к периодическо- абсцизовой кислоты и других фитогормонов,
* Corresponding author E-mail address: [email protected]
1 © Siberian Federal University. All rights reserved
увеличение доли ненасыщенных липидов в мембранах хлоропластов. В процессе холо-дового закаливания растений к низким положительным и отрицательным температурам большое значение отводится адаптации фотосинтетического аппарата и клеточной мембраны [4-9].
В свою очередь, успешность прохождения периода покоя определяется осенней фотопериодической реакцией [10]. Вместе с тем, в загрязненной среде поллютанты могут вызывать нарушения работы фотосинтетического аппарата и изменить многие эволюционно сложившиеся комплексы приспособительных реакций живых организмов к условиям существования [11]. Одним из возможных проявлений такого воздействия может быть нарушение естественной динамики перехода древесных растений в состояние покоя и выхода из него [12].
Поскольку в многолетней хвое происходит постепенное накопление атмосферных поллютантов, хвойные растения имеют высокую чувствительность к различным видам загрязнителей, что обусловливает их широкое использование в качестве биоиндикаторов при оценке качества окружающей среды [13-15]. Это связано не только с длительными сроками жизни хвои и, соответственно, поглощения токсичных газов, но и со слабым развитием запасающих тканей, недостаточными накоплениями резервных веществ, невысокой регенеративной способностью. Однако их ксерофитные свойства способствуют относительной устойчивости к загрязнению воздуха. Одним из преимуществ хвойных растений является возможность их использования в качестве биоиндикаторов в течение всего года [16-18].
В данной работе исследовано влияние уровня загрязнения воздушной среды и вызванного им накопления поллютантов на про-
хождение зимнего покоя у двух видов хвойных деревьев, часто встречающихся в составе искусственных насаждений, - сосны обыкновенной (Pinus sylvestris L.) и ели сибирской (Picea obovata Ledeb.).
Объекты и методы
В качестве объектов исследований использовались деревья сосны обыкновенной (Pinus sylvestris L.) и ели сибирской (Picea obovata Ledeb.) в возрасте 30-40 лет, входящих в состав искусственных насаждений.
Исследования проводились в 2007-2009 гг. на территории г. Красноярска и его окрестностей. В качестве контроля были взяты площадки, не подверженные действию техногенного загрязнения. Опытные пробные площади были заложены на территориях, имеющих различные уровни загрязнения воздушной среды. Все измерения проводились для хвои двухлетнего возраста, взятой из средней части кроны.
Пробные площади на территории г. Красноярска (ПП1-ПП4) выбраны согласно карте «Экологическое состояние окружающей среды г. Красноярска» [19].
ПП1 (контроль) расположена за чертой г. Красноярска, с западной (наветренной) стороны.
ПП2 (слабозагрязненный район) находится на западной окраине г. Красноярска, выбросы от стационарных источников отсутствуют, автомобильное движение небольшое.
ПП3 (среднезагрязненный район) - парковые насаждения в центре г. Красноярска, интенсивное движение автотранспорта, выбросы от стационарных источников незначительные.
ПП4 (загрязненный район) - расположена в индустриальном районе г. Красноярска, присутствует загрязнение от промышленных
предприятий (КрАЗ и др.) и автомобильного транспорта.
Для определения влияния загрязнения окружающей среды на жизнедеятельность растения необходимо привлечение целого комплекса методов исследований. Оценка внутритканевого накопления токсикантов может проводиться элементным анализом состава растительного материала. Для этого широко используются методы атомно-абсорбционного, атомно-эмиссионного и масс-спектрометрического анализа [20]. Возможно применение и других методов, в частности хроматографических и ренгтгено-спектрометрических методов анализа [21, 22].
Для оценки накопления продуктов, образованных в результате загрязнения воздушной среды кислыми газами, проводили анализ смывов неорганических соединений бидистиллированной водой с поверхности хвои исследуемых растений. Побеги для предотвращения потери растворимых соединений собирали в феврале, до начала таяния снега на ветвях. Смывы проводили с навески 50 г хвои 100 мл бидистиллированной воды в условиях медленного помешивания образцов в течение 15 минут.
Неорганические анионы (Cl-, NO3-, SO42-, PO43-) определяли по стандартной методике [23] в Центре коллективного пользования приборами СФУ на жидкостном хроматографе LC-20 Prominence, снабженном хрома-тографической колонкой Shodex IC SI-90 4E (4*25мм). В качестве элюента использовали смесь карбоната и гидрокарбоната натрия (1,8 мМ Na2CO3+1,7 мМ NaHCO3).
Элементный полуколичественный анализ хвои выполнялся методом рентгенофлуо-ресцентной спектроскопии на спектрометре с волновой дисперсией ARL AdvanfX (лаборатория рентгеноспектральных методов анали-
за ЦКП, СФУ). Количественное содержание элементов в образцах оценивалось на основании метода фундаментальных параметров с использованием программного обеспечения UniQuant-5. Для анализа высушенная и измельченная хвоя прессовалась в таблетки. В качестве связующего материала использована борная кислота, которая добавлялась к образцу в контролируемом соотношении.
Состояние растений определяли по изменению морфологических параметров побегов деревьев и глубины зимнего покоя через регистрацию термоиндуцированных изменений нулевого уровня флуоресценции (ТИ-НУФ) в диапазоне от 20 до 80 °С при средней скорости нагрева 5 градусов в минуту. ТИ-НУФ хвои регистрировалась на флуориметре «Фотон-5». Флуоресценция возбуждалась зеленым светом с длиной волны 560 нм интенсивностью 0,1 Вт/м. Глубина зимнего покоя оценивалась по показателю R2, представляющему собой отношение низкотемпературного (около 50 °С) и высокотемпературного (около 70 °С) максимумов ТИНУФ [24].
Результаты и их обсуждение
Основной путь поступления загрязняющих веществ в растения - поглощение их в процессе газообмена через устьица, а также через клетки эпидермиса хвои и неодревес-невших побегов. Поглощенные токсиканты растворяются в пленочной воде на поверхности хвои, и образующиеся ионы проникают через кутикулу к клеткам эпидермиса. Далее они мигрируют по свободному пространству к соседним клеткам мезофилла и проводящим сосудам, по которым разносятся в другие органы растения. Особенно токсичны для растений так называемые кислые газы - оксиды серы, азота и т.д.
Проведенный нами химический анализ смывов образцов хвои (табл. 1) показал, что
Таблица 1. Содержание анионов в смывах с поверхности хвои (п=2; Р=0,95)
Место отбора (вид хвойных деревьев) С±ДС, мг/кг
а- PO43- Ж>3- SO42-
ПП1 (сосна обыкновенная) 2.9±0.4 н/о 28±4 33±6
ПП1 (ель сибирская) 13±2 3.2±0.5 30±5 27±4
ПП2 (сосна обыкновенная) 1.9±0.3 0.32±0.05 13±2 17±3
ПП2 (ель сибирская) 1.5±0.2 н/о 4.4±0.7 28±4
ПП3 (сосна обыкновенная) 23±4 н/о 10.7±1.6 285±42
ПП3 (ель сибирская) 25±4 н/о 3.7±0.6 325±48
ПП4 (сосна обыкновенная) 22±3 н/о 54±8 270±40
ПП4 (ель сибирская) 92±14 5.5±0.8 84±12 530±80
Таблица 2. Содержание элементов в хвое
Элемент Ель сибирская Сосна обыкновенная
ПП1, % ПП4, % ПП1, % ПП4, %
K 25.54±0.22 22.90±0.21 27.44±0.22 22.71±0.21
Ca 46.34±0.25 53.31±0.25 43.60±0.25 35.79±0.24
P 7.29±0.13 4.43±0.10 6.88±0.13 7.13±0.13
Si 3.20±0.09 5.98±0.12 1.79±0.07 10.10±0.15
Mg 2.43±0.08 3.06±0.09 3.24±0.09 4.49±0.10
S 4.43±0.10 2.94±0.08 5.71±0.12 5.64±0.11
а 0.78±0.04 1.17±0.05 1.11±0.05 1.91±0.07
Al 1.27±0.06 1.79±0.07 3.32±0.09 4.16±0.10
Fe 1.03±0.05 1.95±0.07 1.64±0.06 5.05±0.11
F 1.36±2.24 1.39±1.22 н/о 0.61±1.83
Mn 2.10±0.07 0.11±0.02 0.99±0.05 0.20±0.03
Zn 1.15±0.05 0.29±0.03 0.37±0.05 0.19±0.05
Ba 1.40±0.49 0.69±0.25 1.23±0.42 0.92±0.41
Cs 0.99±0.40 0.38±0.21 0.82±0.35 0.56±0.33
Sr 0.29±0.09 0.99±0.05 0.08±0.08 0.25±0.08
Таблица 3. Морфологические параметры побегов 2-го года ели сибирской и сосны обыкновенной из районов с различным уровнем загрязнения
Видовое название Ель сибирская Сосна обыкновенная
Пробная площадь ПП1 ПП4 ПП1 ПП4
Число хвои на 1 см побега 19±0.95 17.36±0.87 11.5±0.58 7±0.33
% хвои с некрозами и хлорозами 0.98±1.03 8.59±0.43 1±0.05 2±0.12
для исследуемых районов содержание анионов в смывных водах значительно различается. Так, уровень поверхностного загрязнения хвои на ПП3 и особенно ПП4 более чем в 10 раз превышает таковой для относительно чистых площадок ПП1 и ПП2.
Тот факт, что на хвое ели задерживается существенно большее количество токсикантов, вероятно, обусловлен тем, что у нее более шероховатая структура поверхности, чем у хвои сосны обыкновенной.
Анализ содержания элементов в тканях хвои (табл. 2) показал, что содержание магния, кремния, хлора, фтора, алюминия, железа в хвое из загрязненного района (ПП4) выше, а калия, марганца, цезия, бария и цинка ниже, чем на контрольном участке (ПП1). Вероятно, такая ситуация связана прежде всего с выбросами Красноярского алюминиевого завода и предприятиями теплоэнергетики. Вместе с тем, повышение уровня магния в хвое с ПП4 может быть вызвано увеличением содержания хлорофилла в хвое, что является приспособительной реакцией деревьев на повреждение хвои и частичную дефолиацию. Причиной снижения содержания серы и фосфора в хвое ели в условиях загрязнения может стать нарушение белкового и энергетического обменов. Кроме того, повышение уровня кальция и снижение содержания фосфора, характерное для старых листьев, свидетельствует о более быстром старении хвои ели в загрязненных районах [25]. У сосны подобного эффекта не наблюдается, вероятно, за счет большей дефолиации хвои, обеспечивающей отток токсикантов с некротизированной хвоей (табл. 3).
В зимний период реакцию хвойных на загрязнение воздушной среды определяли по глубине зимнего покоя методом регистрации ТИ-НУФ. Изменение структурно-функционального состояния хлоропластов при адаптации к
осенне-зимним условиям приводит к подавлению низкотемпературного максимума нулевого уровня флуоресценции [26].
Показано, что величина R2 менее 0,8-1 характерна для растений, находящихся в состоянии покоя, а величина R2 больше 1 свидетельствует о том, что растения активно вегетируют [24]. На рис. 1 и 2 представлены данные по динамике показателя R2 для сосны обыкновенной и ели сибирской в периоды с ноября по март 2007-2008 и 2008-2009 гг. в районах с разным уровнем атмосферного загрязнения.
На диаграммах видно, что деревья, находящиеся в районах с более высоким уровнем загрязнения (ПП3, ПП4), позже уходят в состояние покоя и в течение всего зимнего периода значения R2 остаются выше по сравнению с данными, полученными для растений из менее загрязненных районов (ПП1, ПП2). Минимальные показатели R2 наблюдаются в январе. В целом, показатели R2 у сосны обыкновенной ниже таковых у ели сибирской, что свидетельствует о большей глубине покоя у сосны.
Можно отметить и несколько более высокий уровень значений отношения R2 в декабре 2007 г. по сравнению с аналогичным периодом следующего года и более низкие значения в январе 2008 по сравнению с январем 2009 г., что, видимо, связано с погодными условиями этих лет [27].
На рис. 3 представлены графики выхода из состояния зимнего покоя побегов сосны обыкновенной и ели сибирской в лабораторных условиях. Как видно на графике, хвоя из загрязненных районов (ПП3, ПП4) выходит из покоя на сутки раньше, чем с контрольной пробной площади (ПП1) и слабозагрязненно-го района (ПП2).
Сравнивая показатели сосны и ели, можно заключить, что ель более чувстви-
Рис. 1. Динамика изменения величины отношения низко- и высокотемпературных максимумов в 20072008 гг. для сосны обыкновенной (А) и ели сибирской (Б), произрастающих в районах с разным уровнем атмосферного загрязнения
Ноябрь Декабрь Январь Февраль Март ПП1 ■ ПП2 ИППЗ ■ ПП4
Рис. 2. Динамика изменения величины отношения низко- и высокотемпературных максимумов в 20082009 гг. для сосны обыкновенной (А) и ели сибирской (Б), произрастающих в районах с разным уровнем атмосферного загрязнения
А Б
Рис. 3. Динамика изменения величины отношения низко- и высокотемпературных максимумов при выходе из состояния покоя в лабораторных условиях для сосны обыкновенной (А) и ели сибирской (Б), произрастающих в районах с разным уровнем атмосферного загрязнения (февраль 2009 г.)
тельна к загрязнению воздуха. Данные, полученные в день сбора, значительно различаются в зависимости от района произрастания, что, в частности, свидетельствует о меньшей глубине покоя ели в загрязненных районах. Также можно отметить более высокую скорость выхода ели из состояния покоя в лабораторных условиях. В частности, в феврале в течение трех суток у побегов ели с ПП3 и ПП4, в течение четырех суток - с ПП1 и ПП2 (у сосны продолжительность выхода в феврале составляет четверо и пятеро суток соответственно).
По-видимому, более короткие сроки состояния покоя являются универсальной реакцией хвойных растений на увеличение уровня техногенного загрязнения. Во время прохождения осенней фотопериодической реакции ослабленные деревья не успевают полностью подготовиться к стадии зимнего покоя. В результате незавершенности процесса подготовки к зиме растения на загрязненных территориях оказываются не готовы переносить воздействие низких температур и препятствовать возникновению водного дефицита в зимний период. Это делает их более уязвимыми для суровых условий зимы.
Список литературы
1. Бухов Н.Г. Динамическая световая регуляция фотосинтеза // Физиология растений. - 2004. - Т. 51, № 6. - С. 825-837
2. Васфилов С.П. Изменчивость сухой массы и содержание воды в хвое Pinus sylvestris (Pinaceae) // Ботанический журнал. - 2005. - Т. 90, № 8. - С. 1235-1247.
3. Vogg G., Heirn R., Hansen J., Schafe, C., Beck E. Frost hardening and photosynthetic performance of Scots pine (Pinus sylvestris L.) needles. Seasonal changes in the photosynthetic apparatus and its function//Planta. -1998. -V. 204, № 2. -P. 193-200.
4. Дроздов С.Н. Эколого-физиологические аспекты устойчивости растений к заморозкам. -Л.: Наука, 1977.
5. Софронова В.Е., Чепалов В.А. Адаптивные изменения состава фотосинтетических пигментов хвои Pinus sylvestris L. при понижении температуры // Наука и образование. -2007. - № 2. - С. 34-39.
6. Тюрина М. М. Развитие представлений о состоянии покоя у древесных растений // Физиология растений - 1979.
7. Burke M. I., Gusta U. V., Quamme H. A., Weiser C. J., Li P. H. Freezing and injury in plants. // Ann. Rev. Plant Physiol., 1976.
8. Ivanov A.G., Sane P.V., Zeinalov Y., Malmberg G., Gardestrom P., Huner N.P.A., Oquist G. Photosynthetic electron transport adjustments in overwintering Scots pine (Pinus sylvestris L.) // Planta. - 2001. -V. 213, № 4. - P. 575-585.
9. Quist G., Huner N.P. Photosynthesis of overwin tering evergreen plants//Annu. Rev. Plant. Physiol. Plant. Mol. Biol. - 2003. -V. 54. - P. 329-355.
10. Гаврилкина Н.В. Причина вымерзания растений. - М.: Наука, 1974. - C. 16, 30.
11. Сазонова Т.А., Колосова С.В. Водный режим Pinus sylvestris и Picea obovata (Pinaceae) в условиях промышленного загрязнения // Ботанический журнал. - 2007. - Т. 92, № 5. - С. 740-750.
12. Григорьев Ю. С., Пахарькова Н. В. Влияние техногенного загрязнения воздушной среды на состояние зимнего покоя сосны обыкновенной // Экология. - 2001. - № 6. - С. 471 - 473.
13. Ayodele J. T., Ahmed A. Monitoring air pollution in Kano municipality by chemical analysis of Scots Pine (Pinus sylvestris L.) needles for sulphur content // The Environmentalist. - 2001. - № 21. - P. 145-151.
14. Pasqualini V., Robles C., Garzino S., Greff S., Bousquet-Melou A., Bonin G. Phenolic compounds content in Pinus halepensis Mill. needles: a bioindicator of air pollution //Chemosphere. - 2003. -V. 52. - P. 239-248.
15. Yilmaz S., Zengin M. Monitoring environmental pollution in Erzurum by chemical analysis of Scots pine (Pinus sylvestris L.) needles // Environment International. - 2004. -V. 29, № 8. - P. 10411047.
16. Мэннинг В.Я., Федер В.А. Биомониторинг загрязнения атмосферы с помощью растений. -Л.: Гидрометеоиздат, 1985. -144 с.
17. Рожков А.С., Михайлова Г.А. Действие фторсодержащих эмиссий на хвойные леса. -Новосибирск: Наука, 1989. -158 с.
18. Третьякова И.Н., Бажина Е.В., Пахарькова Н.В., Сторожев В.Н. Состояние пихтово-кедровых лесов природного парка «Ергаки» и их флуоресцентная диагностика // Хвойные бореальной зоны. - 2008. - № 3-4. - С. 237-243.
19. Лопатин А.П., Лесных В.В., Шеховцова А.И. Карта «Экологическое состояние окружающей среды г. Красноярска». Масштаб 1: 25000 / Составлена в Красноярском филиале Госцентра «Природа», 1993.
20. Arrora C.L., Bajwa M.S. Comparative study of some methods of oxidation of plant materials for elemental analysis // Current Science. - V. 66, №4. - P. 314-318.
21. Gerald S. Pullman, Mike Buchanan. Identification and quantitative analysis of stage-specific organic acids in loblolly pine (Pinus taeda L.) zygotic embryo and female gametophyte // Plant Science. - 2006. - V. 170, Issue 3. - P. 634-647.
22. Tsutsumimoto K., Tsuji K. Time-resolved x-ray fluorescence for monitoring the intake of mineral nutrients in living plants // X-Ray Spectrom. - 2007. - V. 36. - P. 324-327.
23. ИСО 10304-1-92 «Качество воды. Определение растворенных фторида, хлорида, нитрита, ортофосфата, бромида, нитрата и сульфата методом жидкостной ионной хроматографии. Часть 1. Метод для вод с малыми степенями загрязнения».
24. Гаевский Н.А., Сорокина Г.А., Гехман А.В., Фомин С.А., Гольд В.М. Способ определения степени глубины покоя древесных растений: Авторское свидетельство №1358843 от 15.08.87.
25. Леопольд А. Рост и развитие растений. - М.: Мир, 1968. - 495 с.
26. Гаевский Н.А., Сорокина Г.А., Гольд В.М., Миролюбская И.В. Сезонные изменения фотосинтетического аппарата древесных и кустарниковых растений //Физиология растений. - 1991. - Т. 38. - Вып. 4. - С. 685.
27. www.rp5.
Fluorescent Methods of Assessment of Winter Dormancy Conifers from City Ecosystems with Different Levels of Air Pollution
Nina V. Pakharkova, Olga P. Kalyakina, Alexandr A. Shubin and Yury S. Grigoriev
Siberian Federal University, 79 Svobodny, Krasnoyarsk, 660041 Russia
The plants growing in regions with a high level of air pollution are unprepared for severe winter conditions and may be damaged. So it is necessary to study in detail the seasonal plants dynamics, including their transition to winter dormancy, using adequate methodsfor monitoring their physiological condition. Measurement of temperature-induced changes in zero level of chlorophyll fluorescence (TCZLF) in pine needles is one of such approaches. The analysis of pollutant concentration on surface and in cells of needles aiming to determine the level ofpollution was carried out by methods of ion-chromatography andXRF. We studied 30- to 40-year-old trees of Scots pine (Pinus sylvestris L.) and Siberian spruce (Picea obovata Ledeb.) growing in industrial areal of Krasnoyarsk and its outskirts. The results obtained allow us to assume that the smaller level of winter dormancy is the reaction of coniferous plants to increase of industrial pollution.
Keywords: air pollution, Scots pine (Pinus sylvestris L.), Siberian spruce (Picea obovata Ledeb.), winter dormancy, fluorescence, ion-chromatography, XRF.
