CC BY
69
УДК 630.181.28
КОМПЛЕКСНЫЙ АНАЛИЗ ХВОИ ЕЛИ СИБИРСКОЙ В УСЛОВИЯХ ТЕХНОГЕННОЙ СРЕДЫ Г. КРАСНОЯРСКА
Л. Н. Сунцова, Е. М. Иншаков, А.С. Донцов
ФГБОУ ВО «Сибирский государственный технологический университет», 660049, Красноярск, Россия, Мира, 82
Изучены адаптационные процессы Picea abovata Ledeb., произрастающей в магистральных посадках г Красноярска. Выявлены отличия в биометрических показателях состояния насаждений и интенсивности фотосинтеза, связанные с условиями произрастания. Проанализированы результаты лабораторных исследований по пигментному составу хвои ели сибирской (Picea abovata Ledeb.), произрастающей в различных экологических условиях г. Красноярска.
На основании полученных результатов выявлены наиболее загрязненные зоны города.
Ключевые слова: адаптация, пигменты, техногенное воздействие, биометрические показатели
Studied adaptation processes Picea abovata Ledeb., growing in the main landings of Krasnoyarsk. Identified differences in biometric indicators of the state of the plants and the rate of photosynthesis-related growing conditions. We analyzed the results of laboratory studies on pigment composition of the needles of Picea abovata , growing in different ecological conditions of Krasnoyarsk.
Based on the obtained results revealed the most polluted areas of the city.
Keywords: adaptation, pigments, induced impact, biometrics indicators
ВВЕДЕНИЕ
Система фитомониторинга в городских насаждениях, ориентированная как на контроль за качеством урбосреды, так и на своевременное обнаружение тенденций изменения самих насаждений, будет характеризоваться весомым вкладом в решение насущных проблем современных урбоэкосистем. Обобщение результатов аналитического мониторинга и фитомо-ниторинга будет способствовать адекватному экологическому картированию (зонированию) городской территории, в том числе выявлению зон наибольшего экологического неблагополучия.
Фитоиндикация может осуществляться по ответной реакции растений у видов, наиболее чувствительных к отдельным ингредиентам, или по накоплению вредных веществ в теле растений (Го-рышина, 1991; Илькун, 1978; Майснер, 1981). В связи с особенностями метаболизма (наличие высокочувствительного фотосинтетического аппарата, который поглощает токсические вещества из окружающей среды) растения больше используются для диагностики загрязнения атмосферного воздуха (Горышина, 1991; Илькун, 1978; Майснер, 1981; Николаевский, 1979; Неверова, 2001).
Растения в условиях городской среды, сохраняя внешне неизменный вид, претерпевают значительные изменения биохимического состава и физиологических процессов [7-10]. В первую очередь повреждения проявляются на физиолого-биохими-ческом уровне, затем распространяются на ультраструктурный и клеточный уровни и лишь, после этого развиваются видимые признаки повреждения -хлорозы и некрозы тканей листа, опадание листьев, торможение роста. Достоверная информация о воздействии загрязнения окружающей среды может
быть получена биоиндикационными методами, посредством которых фиксируется влияние всей суммы поллютантов. Надежные данные отмечаются при изучении изменения биометрических показателей и состава листовой поверхности растений (Николаевский, 1999; Николаевский, 2002; Ставникова, 2008; Сунцова, 2007).
При оценке адаптивной способности растений широкое применение нашло использование биохимических исследований, которые обеспечивают более глубокое изучение биологических особенностей и экологических свойств растительных организмов (Николаевский, 1979; Неверова, 2001; Неверова, 2002; Николаевский, 1999; Николаевский, 2002).
Многие исследователи отмечают, что функциональная активность фотосинтетического аппарата может служить диагностическим признаком состояния растений и индикатором условий окружающей среды (Николаевский, 1979; Неверова, 2001; Николаевский, 2002). Выбор фотосинтетического аппарата в качестве основного объекта для изучения механизма адаптации растений обуславливается тем, что системные механизмы адаптации растений к неблагоприятным факторам среды связаны, в первую очередь, с модификациями фотосинтезирующих структур.
Установлено, что большинство загрязнителей аккумулируется в хлоропластах, вызывая депрессию фотосинтеза и разрушение фотосинтетического аппарата. Фотосинтетический аппарат клетки проявляет высокую чувствительность к загрязнителям атмосферы, которая может нарушать световую и темновую стадии фотосинтеза, воздействуя на состояние хлорофилла, активность ферментов, электрон-транспортную цепь или ламеллярную структуру гран.
Л.Н. Сунцова, Е.М. Иншаков и др. Комплексный анализ хвои ели сибирской в условиях техногенной среды г Красноярска
Оценка экологического состояния урбанизированных территорий может успешно осуществляться с привлечением показателей хвойных растений (Михайлова, 1984; Тужилкина, 1998).
По мнению В.С. Николаевского (Николаевский, 1999) наиболее информационными биоиндикационными признаками загрязнения воздуха являются: количество хвои на годичном побеге, скорость опадения хвои по годам, сухой вес хвои годичного побега, скорость снижения сухого веса хвои побега по годам (за 3-4-года). Так как фотосинтез у растений является одной из функций, наиболее чувствительных к действию промышленных газов, то методом регистрации действия последних может быть определение содержания фотосинтетических пигментов.
Ряд исследователей (Михайлова, 1984; Неверова, 2001; Тужилкина, 1998.) использовали пигментный состав фотосинтезирующих растений для диагностики их устойчивости к газам и степени их поражения.
Целью настоящей работы являлось изучение фи-зиолого-биохимической адаптивности хвойных растений в условиях урбанизации и индустриализации города Красноярска.
ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
Объектами исследования служили модельные деревья ели сибирской (Picea abovata Ledeb.), произрастающие в различных районах г. Красноярска: Центральный (пр. Мира); Советский (пр. Металлургов); Железнодорожный (пр. Свободный); Ленинский (пр. Красноярский рабочий). Контрольные растительные образцы отбирались в естественных насаждениях ели, произрастающих в дендрарии СибГТУ Определяющим достоинством ели сибирской служат повсеместная распространенность на территории города и высокая чувствительность к поллютантам.
Для исследования с 10 модельных деревьев в каждом из исследуемых районов, с ветвей, взятых с четырех сторон света, брали хвою второго и третьего года жизни.
Анализировались следующие показатели: сырой и сухой вес хвои; средняя длина хвои на побеге; количество хвоинок на десяти см побега. Содержание пигментов определялось спектрофотометрически (Ермаков и др., 1987).
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ
Сравнительный анализ биометрических показателей ели сибирской показал, что изучаемые признаки существенно меняются в зависимости от условий произрастания.
Так, значения сухой массы хвои второго года жизни были ниже контрольного значения на 8, 21, 26 и 55% у насаждений ели, произрастающих на пр. Красноярский рабочий, пр. Свободный, пр. Мира и пр. Металлургов соответственно. Аналогичная динамика изменения значений сухой массы наблюдалась и для хвои третьего года жизни (таблица 1).
Таблица 1 - Значения сухой массы хвои второго и третьего года жизни у ели сибирской, произрастающей в различных экологических районах г. Красноярска
Пробная Хвоя второго года жизни Хвоя третьего года жизни
площадь Сухая масса, г % Сухая масса, г %
пр. Металлургов 3,113 45 3,443 42
пр. Свободный 5,488 79 6,413 78
пр. Кр. рабочий 6,391 92 7,502 91
пр. Мира 5,103 74 5,296 64
Контроль 6,917 100 8,232 100
При этом показатель длины хвои обладал меньшей изменчивостью и варьировал в пределах 5 - 10% от контрольного значения для хвои как второго, так и третьего года жизни.
Изучение количества хвоинок на 10 см побега ели сибирской выявило существенные отличия, связанные с условиями произрастания. Так на побегах второго года жизни у особей, произрастающих на пр. Металлургов, пр. Свободном и пр. Красноярский рабочий количество хвоинок было ниже контрольного значения на 27, 24 и 25% соответственно. Такая же динамика наблюдалась и для хвои третьего года жизни.
Исследования показали, что в условиях техногенной среды, биометрические показатели хвои ели сибирской обладали разной степенью изменчивости. Наиболее информативными оказались, сухая масса хвои и количество хвоинок на побеге. Интенсивность снижения этих показателей отражает ухудшение условий произрастания, связанное с интенсивностью антропогенного воздействия на насаждения. По степени негативного воздействия наиболее неблагоприятная экологическая ситуация выявлена в Советском, Центральном и Железнодорожном районах.
Таким образом, биометрические показатели фотосинтетического аппарата хвойных пород, а именно ели сибирской могут служить достоверным диагностическим признаком состояния растений и индикатором условий окружающей среды г. Красноярска.
Влияние газообразных токсикантов на пигменты пластид широко обсуждается в литературе. Имеются сведения, что под влиянием низких доз SO2 и ОТ стимулируется пигментообразование, а высокие концентрации данных газов приводят к снижению содержания хлорофилла. Последняя тенденция может быть следствием разрушения хлорофиллов и превращения их в соответствующие феофитины, а так же уменьшения синтеза хлорофилла (Михайлова, 1984; Николаевский, 1979; Неверова, 2001). Отмечено, что хлорофилл типа а и каротиноиды более чувствительны к промышленным выбросам, чем хлорофилл Ь (Николаевский, 1979).
Проведенные нами исследования показали, что в условиях городской среды содержание пигментов в хвое ели сибирской достоверно снижалось. Концентрация хлорофилла а составляла 48 - 34% относительно контроля в зависимости от района произрас-
тания, а хлорофилла Ь - 38 - 28%. Соответственно изменялось и их суммарное значение (таблица 2). Еще существеннее снижалось содержание каротино-идов. Их концентрация была меньше контрольной в 2,8 - 3,6 раз.
Анализ данных показал, что в условиях антропогенного воздействия в наибольшей степени снижалась кон-
центрация хлорофилла Ь и суммы каротиноидов. При этом соотношение пигментов а/Ь в условиях техногенной среды было выше контрольных значений. Это свидетельствует о том, что изменения в пигментном комплексе происходят главным образом за счет снижения содержания хлорофилла Ь, в то время как концентрация хлорофилла а снижается в меньшей степени.
Таблица 2 - Содержание пигментов в хвое ели сибирской (Picea abovata Ledeb.), мг/1 г сырого веса
Пигменты пр. Металлургов пр. Свободный пр. Красноярский рабочий пр. Мира Контроль
Хл 0,71 0,79 0,56 0,65 1,65
Хль 0,33 0,36 0,26 0,35 0,92
Хла + Хль 1,05 1,14 0,81 1,00 2,57
Хла/ Хл 2,15 2,23 2,16 1,86 1,78
Каротиноиды 0,27 0,25 0,25 0,21 0,76
Таким образом, сравнительный анализ содержания пигментов в хвое исследуемой породы показал, что концентрация и состав пигментного комплекса существенно меняется в зависимости от условий произрастания. Общей тенденцией является снижение концентрации хлорофиллов а и Ь, и суммы каротино-идов, а также изменение их соотношения в пигментных комплексах. Изменения в пигментном комплексе происходят главным образом за счет снижения содержания хлорофилла Ь и каротиноидов, это в свою очередь свидетельствует о том, что в хлоропластах хвои уменьшается светособирающий комплекс, играющий важную роль в образовании гран, нарушается функционирование фотосистем, снижается защитная функция каротиноидов. Все это в конечном итоге приводит к снижению фотосинтетической активности, отрицательно влияет на накопление в растении ассимилятов, а значит на рост и продуктивность ели сибирской.
Комплексная оценка состояния ассимиляционного аппарата ели сибирской, позволяет дать экологическую оценку исследованным районам г. Красноярска и распределить их в следующем порядке по возрастанию техногенной нагрузки на растения: Ленинский (пр. Красноярский рабочий)<Железнодорожный (пр.Свободный)<Центральный (пр. Мира)<Советский (пр. Металлургов).
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
Горышина, Т.К. Растение в городе / Т.К. Горышина. - Л.:
Изд-во ЛГУ, 1991. - 148 с. Еремеева, В.Г. Газоустойчивость древесных растений Западной Сибири / В.Г. Еремеева, Е.С. Денисова// Сибирский экологический журнал. - № 2. - 2011. -С. 263 - 271.
Илькун, Г.М. Загрязнители атмосферы и растения / Г.М. Илькун. - Киев: Наукова думка, 1978. - 246 с.
Майснер, А.Д. Жизнь растений в неблагоприятных условиях / А.Д. Майснер. - Минск: Высш. школа, 1981. - 98с.
Методы биохимического исследования растений / А.И. Ермаков [и др.]. - Л.: Агропромиздат, 1987. - 430 с.
Михайлова, Т.А. Физиолого-биохимические изменения у хвойных растений, вызываемые действием фтористого водорода/ Т.А. Михайлова //Изв. СО АН СССР. Серия биологич. науки. №3 . - 1984. - С. 74 - 80.
Николаевский, В.С., Биологические основы газоустойчивости растений / В.С. Николаевский. - Новосибирск: Наука, 1979. - 280 с.
Неверова О. А. Биоэкологическая оценка загрязнения атмосферного воздуха по состоянию древесных растений / О. А. Неверова. - Новосибирск: Наука, 2001.- 119 с.
Неверова, О. А. Морфометрическая и дендрохронологиче-ская диагностика состояния древесных насаждений как способ индикации загрязнения урбанизированной среды / О. А. Неверова // Успехи соврем. естествознания. Биол. науки. - № 1. - 2002. - С. 57 - 64.
Николаевский, В. С. Методы оценки состояния древесных растений и степени влияния на них неблагоприятных факторов / В. С. Николаевский, Н. Г. Николаевская, Е. А. Козлова // Лесной вестник, 1999. - Вып. 2. - С. 76 - 77.
Николаевский, В. С. Экологическая оценка загрязнения среды и состояния наземных экосистем методами фито-индикации. - Пушкино, ВНИИЛМ, 2002 - 220 с.
Ставникова, Л.В. Исследование загрязнения воздушной среды г. Красноярска биоиндикационными методами: монография/ Л.В. Ставникова, Р.А. Степень. Красноярск: СибГТУ, 2008. - 48 с.
Сунцова, Л. Н., Древесные растения в условиях техногенной среды г. Красноярска / Л. Н. Сунцова, Е. М. Инша-ков // Хвойные бореальной зоны. Т. XXIV. № 1. - 2007. -С. 95 - 99.
Тужилкина, В. В. Влияние техногенного загрязнения на фотосинтетический аппарат сосны/ В.В. Тужилкина, /Н.В. Ладанова, С.Н. Плюснина // Экология. №2. - 1998. -С. 89 - 91.
Поступила в редакцию 23.12.13 Принята к печати 26.05.14
