CC BY
331
Вестник ДВО РАН. 2009. № 6
УДК 504.06
А.И.ИВАНОВ, А.П.СТАЦЕНКО, Е.Е.СЕЛИНА, О.В.СКОБАНЕВА
Использование пыльцы древесных и травянистых растений для биоиндикации загрязнения окружающей среды
Приводятся результаты исследований по изучению влияния химического стресса на пыльцу древесных и травянистых растений. Дана количественная оценка содержания свободного пролина, жизнеспособности пыльцы, а также морфологии соцветий в условиях слабого, среднего и высокого уровня загрязнения окружающей среды. Изложенные в работе подходы могут быть использованы для организации мониторинга состояния растительных объектов в зоне действия экологически опасных промышленных предприятий.
Ключевые слова: пыльца, биомониторинг, свободный пролин, химический стресс.
Application of arboreous and herbareous pollen in bioindication of environmental pollution. A.I.IVANOV, A.P.STATSENKO (Regional Center of State Ecological Control and Monitoring in Penza Region), E.E.SELINA,
O.V.SKOBANEVA (Penza State University).
Results of investigation of chemical stress influence on pollen of arboreous and herbaceous plants are provided in the paper. Quantitative assessment of free proline content, pollen vitality and morphological characteristics of inflorescences in conditions of weak, average and high levels of environmental pollution is carried out. These approaches can be used when organizing plant monitoring in the zone of operation ofplant facilities which can present an environmental threat.
Key words: pollen, biomonitoring, free proline, chemical stress.
Формирование репродуктивных структур у растений (пыльников, спорогенной ткани, микроспор и пыльцы) связано с большим количеством быстро и последовательно протекающих клеточных делений. Как известно, именно процесс деления клетки является особенно чувствительным к стрессовым воздействиям и сопровождается перестройкой биохимических процессов. В частности, существенной трансформации подвергается азотный обмен [5, 9], что влечет за собой значительные перестройки в аминокислотном составе. Кроме того, стресс отражается на жизнеспособности и морфологии пыльцевых зерен.
Показатель жизнеспособности пыльцы довольно широко используется для биоиндикации состояния окружающей среды [1-3]. Однако подобные исследования велись в основном в условиях таежной зоны, где в качестве индикатора использовалась пыльца хвойных растений. В лесостепной зоне подобных исследований не было, и сведения о воздействии химического загрязнения на пыльцу широколиственных пород, а также травянистых растений дубрав отсутствуют. Это делает палинологические исследования перспективным и актуальным направлением в разработке систем биомониторинга особо опасных промышленных объектов.
ИВАНОВ Александр Иванович - доктор биологических наук, профессор, исполнительный директор, СТАЦЕН-КО Александр Петрович - доктор биологических наук, профессор, научный сотрудник (Региональный центр государственного экологического контроля и мониторинга по Пензенской области ФГУ ГосНИИЭНП МПУ РФ), СЕЛИНА Екатерина Евгеньевна - аспирант, СКОБАНЕВА Олеся Валентиновна - аспирант (Пензенский государственный университет). E-mail: oskobaneva@mail.ru
Цель данной работы - оценка перспективы использования биохимических и морфологических признаков пыльцы и соцветий некоторых древесных и травянистых растений для определения уровня химического загрязнения территории.
Исследования проводили в течение 3 лет (2007-2009 гг.) в Пензенской области на территории санитарно-защитной зоны и зоны защитных мероприятий объекта по уничтожению химического оружия в окрестностях пос. Леонидовка. Пробы отбирали также в чистой незагрязненной зоне (контроль), расположенной в 50 км от объекта в пределах памятника природы «Никоновский бор».
Отбор проб биоматериала осуществляли на территориях с высоким, средним и низким уровнями загрязнения, которые устанавливались с помощью физико-химических методов. Природные среды в районе исследования загрязнены соединениями мышьяка (выше 100 ПДК), а также тяжелыми металлами (медью, цинком, свинцом и т.п.). Почвы района исследований начиная с конца 50-х годов ХХ в. испытывали техногенное загрязнение в связи с проведением работ по уничтожению устаревших образцов химического оружия. В результате этого в почвенных образцах, взятых из этих мест, обнаруживается превышение фоновых значений по содержанию мышьяка, меди, свинца, цинка и хрома в десятки и сотни раз [4]. По степени загрязнения почвы пробных площадей, где осуществлялся отбор биоматериала, разделены на три группы: 1) слабое загрязнение - содержание мышьяка и тяжелых металлов не превышает фоновых значений для района исследований; 2) среднее загрязнение - содержание мышьяка и тяжелых металлов не превышает фон более чем в 3 раза; 3) сильное загрязнение - содержание мышьяка и тяжелых металлов превышает фоновые значения более чем в 3 раза.
Пензенская область расположена в пределах западных склонов Приволжской возвышенности и относится к лесостепной зоне. Район исследований занимает центральную часть этого региона и характеризуется следующими природными условиями. Годовая сумма осадков составляет 599 мм. Среднемесячная температура января составляет -12,4оС, июля - +19,5оС. Преобладающим типом почв в этой части региона являются серые лесные почвы с различной мощностью и гранулометрическим составом. Большая часть изучаемой территории покрыта лесами, сформировавшимися естественным путем после сплошных рубок, а также культур сосны обыкновенной (Pinus sylvestris L.) и ели европейской (Рюеа abies L.). По занимаемой площади здесь преобладают лиственные и смешанные леса, представляющие собой вторичные, малоценные с хозяйственной точки зрения сообщества. По составу среди них можно выделить березняки, березо-липняки, осинники, дубняки, сосняки, возраст которых чаще всего варьирует в пределах 40-90 лет, реже встречаются более старые сообщества. Ярус кустарников состоит преимущественно из лещины обыкновенной (Coryllus avellana L.) с небольшим участием жимолости лесной (Lonicera xylosteum L.), бересклета бородавчатого (Euonymus europaea L.), рябины обыкновенной (Sorbus aucupari L.), черемухи обыкновенной (Padus avium Mill.), клена татарского (Acer tataricum L.). В травяном покрове лиственных сообществ доминируют осока волосистая (Carex pilosa L.) (покрытие 30%, иногда до 70%) и разнотравье (10-20%). По долинам ручьев и малых рек в условиях избыточного увлажнения формируются насаждения из ольхи клейкой (Alnus glutinosa L.). В напочвенном покрове в них доминируют влаголюбивые виды трав: крапива двудомная (Urtica dioica L.), лабазник вязолистный (Filipendula ulmaria L.) и др.
В качестве объектов исследования использовались два вида древесных растений: лещина обыкновенная (Corylus avellana L.) и ольха клейкая (Alnus glutinosa L. Gaertn.). Их выбор определился тем, что первый вид встречается на всех пробных площадках, заложенных в условиях лесных сообществ на водораздельных плато, второй - во всех приручьевых сообществах, включенных в систему мониторинга. Объем исследуемого материала составлял 1200 образцов. Из травянистых растений в качестве объектов исследования использовались звездчатка жестколистная (Stellaria holostea L.) и осока волосистая (Carex pilosa Scop).
Нами изучалось содержание свободного пролина в пыльце по методике Бэйтса [8] с использованием фотометрического метода и определялась жизнеспособность пыльцы по
В.С.Шардакову в описании А.И.Федоровой и А.Н.Никольской [6] и ее размеры. Кроме того, нами учитывались различные аномалии в строении и форме соцветий.
В ходе определения содержания свободного пролина в пыльце лещины обыкновенной установлено, что минимальное содержание аминокислоты наблюдается в местах с высоким химическим загрязнением (табл. 1). Этот показатель коррелирует с количеством фертильных пыльцевых зерен, в которых блокируется биосинтез свободного пролина. Подобная закономерность отмечалась и другими исследователями [7].
Сходные результаты получены также при морфологическом анализе соцветий. Наибольшее количество соцветий, имеющих аномальное развитие (изменение формы - см. рис. 1, наличие стерильных цветков), наблюдается в местах с высоким уровнем загрязнения. Кроме того, имеет место изменение пигментации соцветий в зависимости от степени загрязнения. В условиях слабого загрязнения они светло-зеленые, при среднем уровне загрязнения приобретают сероватый оттенок, а при высоком уровне - коричневый.
В ходе определения содержания свободного пролина в пыльце ольхи клейкой установлено, что минимальное содержание аминокислоты наблюдается в местах с высоким химическим загрязнением (табл. 2), что согласуется с изложенными выше результатами измерений по лещине обыкновенной. Результаты биохимических исследований согласуются с данными морфологических исследований. В местах с высоким уровнем загрязнения наблюдается максимальное количество пыльцевых зерен, характеризующихся высокой стерильностью и массовыми отклонениями в размерах. Морфологический анализ соцветий показал сходные результаты. При этом характер аномалий в строении сережек ольхи аналогичен с лещиной. Такое сходство объясняется систематической близостью видов этих растений.
Нами также исследованы образцы пыльцы травянистых растений: звездчатки жестколистной и осоки волосистой на 8 пробных площадях с низким уровнем загрязнения и 9 пробных площадях с высоким уровнем загрязнения почв. Получены статистически достоверные данные, отражающие состояние пыльцы в зависимости от степени техногенного загрязнения окружающей среды (табл. 3). В местах сильного химического загрязнения достоверно (Р < 0,05) отмечено большее количество нежизнеспособных и уродливых пыльцевых зерен. Определение содержания свободного пролина не осуществлялось в связи с недостаточным для анализа количеством пыльцы у травянистых растений.
Растения звездчатки жестколистной как объект мониторинга имеют особое значение, поскольку помимо характеристик пыльцы с их использованием можно проводить оценку морфологии цветка (варианты отклонений от нормы: сросшиеся, добавочные лепестки, асимметричные цветки и т.п.) (рис. 2).
Рис. 1. Формы сережек лещины обыкновенной: а - деформированные в местах сильного загрязнения; б - нормальные в местах слабого загрязнения
Накопление свободного пролина, состояние пыльцы и морфологические признаки соцветий лещины обыкновенной в условиях химического загрязнения разной степени
№ площади Уровень химического загрязнения Содержание свободного пролина в пыльце, мг % Кол-во нежизнеспособных пыльцевых зерен, % Кол-во аномальных сережек, % Цвет сережек
1 (контроль) Слабый 134 ± 5 13 0 Светло-зеленые
2 Сильный 32 ± 4 99 33 Светло-зеленые с коричневым оттенком
3 - // - 39 ± 3 95 11,3 То же
4 Средний 71 ± 5 70 0 Светло-зеленые с серым оттенком
5 Слабый 136 ± 6 12 0 Светло-зеленые
6 - // - 88 ± 5 20 0 То же
7 Средний 48 ± 3 82 4,5 Светло-зеленые с серым оттенком
8 Слабый 107 ± 6 47 0 Светло-зеленые
9 Средний 56 ± 2 50 3,2 Светло-зеленые с серым оттенком
10 Слабый 132 ± 3 8 0 Светло-зеленые
11 Средний 42 ± 2 86 4,8 Светло-зеленые с серым оттенком
12 Слабый 84 ± 3 25 0 Светло-зеленые
Таблица 2
Накоплениие свободного пролина, состояние пыльцы и морфологические признаки соцветий ольхи клейкой в условиях химического загрязнения разной степени
№ площади Уровень химического загрязнения Содержание свободного пролина, мг % Кол-во нежизнеспособных пыльцевых зерен, % Кол-во аномальных сережек, %
1 (контроль) Слабый 118 ±5 3,3 0
13 Сильный 51 ± 3 20,5 33,3
14 Средний 80 ± 2 12,7 0
15 Сильный 59 ± 2 13,3 23,3
16 Средний 78 ± 3 10,6 15,1
17 - // - 86 ± 3 6,4 3,3
18 Средний 77 ± 3 10,4 0
19 Слабый 104 ± 4 4,8 0
20 - // - 106 ± 4 6,3 0
21 - // - 127 ± 5 10,5 0
Таблица 3
Результаты исследований качества пыльцы травянистых растений
Показатель Низкий уровень загрязнения Высокий уровень загрязнения (п = 6) (п = 12)
Жизнеспособность пыльцы, % Количество уродливых пыльцевых зерен, % 96.3 ± 1,5 (2,5) 62,3±4,5 (20,9) 97.3 ± 2 (0,5) 70,9±2,6 (11,2) 12,2±0,3 (0,6) 20,2±4,1 (18,1) 1,2±0,1 (0,2) 4,5±0,9 (3,9)
Примечание. п - количество проб, в скобках - стандартное отклонение. В числителе - осока волосистая, в знаменателе - звездчатка жестколистная.
Рис. 2. Морфологические показатели цветков звездчатки жестколистной
Как показывает сравнение результатов оценки воздействия химического стресса на растения, полученных с применением предложенного в работе комплекса методов, они вполне сопоставимы, что указывает на их объективность.
Следовательно, изученные биохимические и морфологические признаки пыльцы древесных и травянистых растений являются показательными для оценки химического загрязнения. Изложенные в работе подходы используются в организации системы экологического мониторинга в зоне влияния завода по уничтожению химического оружия в окрестностях станции Леонидовка Пензенской области и могут быть предложены для мониторинга других экологически опасных объектов.
Проблемы загрязнения окружающей среды актуальны и для Дальнего Востока. Методы оценки состояния природных территорий, показанные в работе, могут использоваться также и на растительных объектах других регионов РФ.
ЛИТЕРАТУРА
1. Ашихмина Т.Я. Комплексный экологический мониторинг объектов хранения и уничтожения химического оружия. Киров: Вятка, 2002. 544 с.
2. Владимирова О.С., Муратова Е.Н., Седаева М.И. Пыльца ели сибирской, произрастающей в различных
экологических условиях // Хвойные бореальной зоны. 2008. № 1/2. С. 98-102.
3. Елькина Н.А. Состав и динамика пыльцевого спектра воздушной среды г. Петрозаводск: автореф. дис. ... канд. биол. наук. СПб., 2008. 24 с.
4. Иванов А.И., Панкратов В.М. Обследование и экологическая реабилитация мест прежнего уничтожения химического оружия на территории Пензенской области. Пенза, 2006. 75 с.
5. Михно А.И. Аминокислоты и другие азотистые соединения у кукурузы при мужской стерильности:
автореф. дис. . канд. биол. наук. Киев, 1966. 21 с.
6. Федорова А.И., Никольская А.Н. Практикум по экологии и охране окружающей среды. М.: Владос, 2003. 288 с.
7. Чувашина Н.П., Мельников В.К. Физиолого-биохимическая характеристика стерильной пыльцы отдельных гибридов плодово-ягодных растений // Физиология растений. 1964. № 11. С. 179-186.
8. Bates L.S., Waldren R.P., Teare I.D. Rapid determination of free praline fer water - stress stadies // Plant and Soil. 1973. Vol. 39, N 1. P 205-207.
9. Fukasawa H. On the free amino acids with reference to pollen degeneration in male sterile vegetable crope // Jap. Soc. Hortic. Sci. 1964. Vol. 33, N 2. P. 134-141.
Новые книги
Еремин В.М., Таран Ан.А. Становление анатомической структуры однолетних стеблей деревьев на южном Сахалине.
Eryomin V.M., Тагап Ап.А. The formation of anatomic structure of annual stems of the trees in the Southern Sakhalin.
Южно-Сахалинск, 2009. - 243 с.: ил. 67, табл. 23, библ. 311.
Сахалинский ботанический сад ДВО РАН
693013, Южно-Сахалинск, ул. Горького, 21
Fax: (4242) 55-06-21, 55-06-21. E-mail: sbg@sakhalin.ru
В монографии проанализировано анатомическое строение однолетних стеблей древесных представителей 10 родов из 7 семейств голо- и покрытосеменных растений. Выявлен комплекс наиболее ценных диагностических признаков коры, древесины и сердцевины стебля, составлен ключ для определения исследованных видов по анатомическим признакам. Прослежен ход роста в длину и по диаметру, процесс формирования стебля как целостной системы тканей.
Книга рассчитана на специалистов в области анатомии, физиологии, таксономии растений, дендрологов, студентов и аспирантов биологической и экологической специальностей.
The anatomic structure of the annual stems of the wood representatives of 10 genera from 7 families of angiosperms and gymnosperms аге analyzed in the monograph. The complex of Ше most important diagnostic features of the bark, wood and core of the stem are revealed, the key for determination of the researched species according to the anatomic features is constructed. The course of growth at length and diameter, the process of stem formation as integral system of tissue are retraced.
The book is counted оп the specialists in the sphere of anatomy, physiology, taxonomy of the plants, dendrologists, students and graduated students of biological and ecological specialities.
