ОЦЕНКА ПИГМЕНТНОГО СОСТАВА БЕРЕЗЫ ПОВИСЛОЙ ПОД ВЛИЯНИЕМ АНТРОПОГЕННОЙ НАГРУЗКИ Текст научной статьи по специальности «Биологические науки»

УДК 504.732

ОЦЕНКА ПИГМЕНТНОГО СОСТАВА БЕРЕЗЫ ПОВИСЛОЙ ПОД ВЛИЯНИЕМ АНТРОПОГЕННОЙ НАГРУЗКИ

© 2023 Т. А. Белова1, Е. Е. Гончарова2, М. В. Протасова3

1 доктор биологических наук, профессор кафедры биологии и экологии

е-mail: t.belova@rambler.ru 2бакалавр направления подготовки Биология (профиль Биоэкология) е-mail: goncharova.cat2016@yandex.ru 3кандидат сельскохозяйственных наук, доцент кафедры биологии и экологии e-mail: mar.protasova2012@yandex.ru

Курский государственный университет

В статье представлены результаты исследования по влиянию антропогенной нагрузки на пигментный состав древесных пород в Курской области. Дана оценка степени воздействия автомобильных выхлопов на березу повислую (Betula pendula Roth). Проанализированы количественные изменения пигментов в листьях.

Ключевые слова: Betula pendula Roth, пигменты, хлорофилл, каротиноиды, выхлопы.

ASSESSMENT OF PIGMENT COMPOSITION OF BETULA PENDULA UNDER THE INFLUENCE OF ANTHROPOGENIC LOAD

© 2023 T. A. Belova1, E. E Goncharova2, M. V. Protasova3

1 Doctor of Biological Sciences, Professor of the Department of Biology and Ecology е-mail: t.belova@rambler.ru 2 Bachelor, Biology Bioecology Profile е-mail: goncharova.cat2016@yandex.ru 3Candidate of Agricultural Sciences, Docent e-mail: mar.protasova2012@yandex.ru

Kursk State University

The article presents the results of a study on the impact of anthropogenic load on the pigment composition of tree species in the Kursk region. The assessment of the degree of impact of automobile exhaust on Betula pendula Roth is given. Quantitative changes of pigments in leaves are analyzed.

Keywords: Betula pendula Roth, pigments, chlorophyll, carotenoids, exhaust.

В настоящее время одной из наиболее значимых проблем является охрана окружающей среды. Особо остро она стоит в городских условиях, где антропогенное воздействие достигает максимума. Интенсивное загрязнение атмосферы человеком обусловлено прежде всего газообразными выбросами автотранспорта, что создает угрозу не только для естественной природной среды, но в том числе и для здоровья населения. Важнейшим этапом нейтрализации этих веществ является озеленение

территорий. Растения реагируют на наличие в воздухе даже самых малых доз токсичных веществ, так как способны аккумулировать их из окружающей среды. Для минимизации стрессового воздействия на организм они адаптируют многие физиологические и морфологические процессы. Благодаря этому растительные организмы могут служить отличными индикаторами загрязнений на территории городов [7].

Практически все вещества, которые образуются при сжигании топлива, негативно влияют на жизнедеятельность растительных организмов. В первую очередь, как правило, страдает листовой аппарат. Под воздействием тяжелых металлов листья становятся маленькими, могут появляться бурые пятна, наблюдается иссушение листовой пластинки, также они наиболее подвержены различным болезням, таким как хлорозы и некрозы, что в конечном итоге ведет к отмиранию зеленой часть растения. Пылевые частицы, которые в большом количестве находятся около автотранспортной дороги, закупоривают поры, тем самым нарушая транспирационные процессы. Также пыль ограничивает доступ света к хлоропластам. Помимо внешних проявлений, у растений ухудшаются физиологические процессы, такие как дыхание и фотосинтез [4].

Высокий уровень загрязнения окружающей среды способен вызывать снижение количества хлорофилла а и b, каротиноидов и изменять их соотношение в растительных клетках. Поскольку фотосинтез является важнейшим процессом для поддержания жизнедеятельности растений, по изменению содержания фотосинтетических пигментов можно судить о степени загрязнения, что особенно актуально в городских условиях [3].

Целью исследования было сравнение содержания пигментного состава в листьях березы повислой при удалении от автотранспортной магистрали. Для реализации цели были изучены и проанализированы изменения в концентрации пигментов листового аппарата растения: хлорофиллов а и б, а так же каротиноидов.

В качестве объекта исследования были взяты листья березы повислой (Betula pendula Roth), относящейся к семейству березовые (Betulaceae). Береза является светолюбивым, листопадным деревом до 25 м высотой с поникающими ветвями. Растение имеет достаточно широкий ареал, включающий в себя практически всю европейскую часть материка и многие части Азии, и даже интродуцирована на другие континенты. Благодаря устойчивости к засухе, морозу, а также нетребовательности к почвенным условиям она широко используется для озеленения населенных пунктов, а также в защитном лесоразведении и лесном хозяйстве. Все перечисленные особенности делают березу идеальным объектом для изучения уровня загрязнения атмосферного воздуха [1].

Сбор растительного материала проводился в летний период. Был выбран участок, расположенный в Северном районе города Курска в Знаменской роще (рис. 1). По мере удаления от дороги каждые 10 метров выбирались случайные деревья березы. Дальнейшие исследования проводились в лабораторных условиях. Для определения пигментного состава листьев березы повислой был выбран фотоколориметрический метод, который основан на определении содержания веществ при различной длине световой волны. Для решения поставленной задачи была проведена экстракция и получена спиртовая вытяжка основных пигментов растительного организма. Дальнейшая работа осуществлялась на фотоколориметре. Для определения концентрации хлорофилла а прибор был настроен на длину волны, равную 670 нм, хлорофилла b - на 570 нм, каротиноидов - на 490 нм [5]. Растворителем был выбран этиловый спирт. Для определения концентрации пигментов в листьях березы проводился расчет по соответствующим формулам (1-3):

Схл.= 12,21D670 - 2,81D540 (1)

Белова Т. А., Гончарова Е. Е., Протасова М. В. Оценка пигментного состава березы повислой под влиянием антропогенной нагрузки

Схль, мг/л = 20,13- Э540 — 5,03 -Обто, (2)

Скар= 4,695 -Э490 — 0,268 -Схла +хлЬ; (3)

С - концентрация пигментов мг/л; Э - экспериментально полученная оптическая плотность при соответствующей длине волны.

Рис. 1. Карта сбора материалов (стрелкой указано направление маршрута)

Анализ данных, полученных в ходе эксперимента, показал, что выхлопы автотранспорта негативно влияют на пигментный состав листьев и нарушают тем самым процесс фотосинтеза. По полученным данным, содержание хлорофилла а в исследуемых образцах варьировалось от 5,18 ± 0,03 до 16,44 ± 0,34 мг, при этом наименьшая концентрация наблюдалась в непосредственной близости к проезжей части (табл. 1). Наивысший показатель (16.44 ± 0,34 мг) был отмечен на расстоянии 250 метров. Несмотря на то что тенденция роста концентрации хлорофила а не выявлена, можно наблюдать повышение содержания данного пигмента при удалении от дороги. Коэффициент корреляции составил 0,79, что свидетельствует о наличии сильной корреляционной зависимости содержания хлорофилла в листьях древесных пород по отношению к их территориальному расположению (корреляция существенна на 95 % уровне значимости).

Таблица 1

Изменение концентрации хлорофилла а при удаленности от автотранспортной магистрали_

Содержание хлорофилла а в мг Расстояние от дороги

0 м 50 м 100 м 150 м 200 м 250 м 300 м 350 м 400 м

5,18 ±0,03 5,83 ±0,22 12,08 ±0,46 11,55 ±0,06 13,30 ±0,26 16,44 ±0,34 15,79 ±0,02 15,46 ±0,51 15,85 ±0,12

Изменение содержания хлорофилла Ь не имеет ярко выраженной территориальной зависимости (табл. 2). Практически во всех образцах его концентрация сильно завышена и преобладает над количеством хлорофилла а, что не соответствует норме. Так, наибольшие значения были получены на расстоянии 50 м от дороги и составили 23,02 ± 18,36 мг. Тот же образец имел концентрацию хлорофилла а почти в 5 раз меньше. Наименьший показатель наблюдался

на расстоянии 300 м от проезжей части и составил 4,81 ± 0,58 мг. Несмотря на большое содержание данного пигмента в листьях березы, его значение не сильно отличается при удалении от дороги. Оно, либо сильно превышает норму, либо этот показатель приближен к среднестатистическому значению и лежит в пределах ошибки. Значение коэффициента корреляции составило -0,18, что говорит о слабой зависимости признаков. Корреляция не существенна на всех уровнях значимости.

Таблица 2

Изменение концентрации хлорофилла Ь п ри удаленности от автотранспортной магистрали_

Содержание хлорофилла b в мг Расстояние от дороги

0 м 50 м 100 м 150 м 200 м 250 м 300 м 350 м 400 м

11,5 ±1,08 23,02 ±1,36 11,42 ±1,33 5,71 ±1,16 14,09 ±2,84 19,42 ±2,20 4,81 ±0,58 13,42 ±1,64 11,82± 2,37

Содержание каротиноидов варьировалось от 1,89 ± 0,18 до 4,74 ± 0,96 мг. (табл. 3). Общая концентрация этой группы пигментов заметно меньше около проезжей части и возрастает при удалении от нее. Эти данные свидетельствуют, что каротиноиды, так же как и хлорофилл а, менее устойчивы к воздействию выхлопов автотранспорта. В этом случае корреляционная зависимость сильная, так как коэффициент корреляции составил 0,81.

Таблица 3

Изменение концентрации каротиноидов при удаленности от автотранспортной магистрали_

Содержание каротиноидов в мг Расстояние от дороги

0 м 50 м 100 м 150 м 200 м 250 м 300 м 350 м 400 м

1,89 ±0,18 2,67 ±0,16 3,94 ±0,11 3,43 ±0,32 4,30 ±0,43 4,26 ±0,37 4,63 ±0,12 5,19 ±0,15 4,74 ±0,96

Чувствительность пигментов березы повислой к действию выхлопов автотранспорта, в том числе тяжелых металлов, которые являются одними из главных компонентов выделяемой машиной смеси, оказалась достаточно высокой. Следует предположить, что тяжелые металлы в большом количестве проникают в листовую пластинку, вызывая нарушения молекулярного состава фотосинтезирующих пигментов. По ряду исследований было установлено, что они способны ингибировать действие ионов, ослабляя тем самым фотосинтетические функции у растений [6].

При наглядном сравнении содержания трех главных фотосинтетических пигментов заметно, что их соотношение не соответствует норме (рис. 2). В естественных условиях содержание хлорофилла а преобладает над двумя другими пигментами. Такое соотношение теоретически объяснимо, так как именно он берет на себя основную фотосинтетическую нагрузку, в то время как хлорофилл Ь и каротиноиды являются дополнительной защитой от переизбытка световой энергии. На полученной диаграмме видно, что концентрация хлорофилла Ь в большинстве случаев преобладает или равна хлорофиллу а. Особенно много этого пигмента у растений, расположенных рядом с автотранспортной дорогой. Содержание каротиноидов не сильно отличается от нормы, однако, как и указывалось выше, возрастает при уменьшении антропогенной нагрузки.

Белова Т. АГончарова Е. ЕПротасова М. В. Оценка пигментного состава березы повислой под влиянием антропогенной нагрузки

Рис. 2. Содержание фотосинтетических пигментов в зависимости от расстояния до транспортной магистрали

Основываясь на известных данных, можно предположить, что сильнее всего выхлопы транспортных средств влияют на хлорофилл а, а другие пигменты пытаются компенсировать его недостаток и берут его функции на себя. Такое резкое уменьшение главного фотосинтетического пигмента может быть связано с тем, что тяжелые металлы, входящие в состав выхлопных паров, нарушают его строение [2]. Важнейший для нормального построения и работы хлоропласта ион магния может замениться другим элементом в результате антагонизма. Это явление часто наблюдается при воздействии тяжелых металлов. Как только место магния занимает другой элемент периодической таблицы, хлорофилл перестает выполнять свою основную функцию -фотосинтез. Также стоит отметить, что именно наличие магния в структуре пигмента придавало ему зеленую окраску и, следовательно, молекулы, имеющие другой ион в своем составе, могли не отреагировать на нужную длину волны.

По мере удаления от дороги содержание основных пигментов растительной клетки приходит в норму. Уже на 400 метрах от автотранспорта концентрация хлорофилла а возрастает и даже превосходит хлорофилл Ь. Каротиноиды также увеличивают свое содержание. Тем не менее эти данные еще далеки от идеала, поэтому можно сделать вывод, что транспортные выхлопы оказывают свое воздействие даже на расстоянии в 400 метров.

От автотранспортного загрязнения страдает не только процесс фотосинтеза, но и процесс дыхания. На листовых пластинах деревьев, находящихся недалеко от дороги, оседает большое количество пыли. Она образует своеобразный чехол и не дает возможности нормально обмениваться с окружающей средой. Нарушаются тепловой обмен и транспирационные процессы. Эта же проблема препятствует нормальному проникновению света, поэтому можно предположить, что интенсивность фотосинтеза у таких растений ослаблена. Пыль и другие компоненты выходящей из транспорта газовой смеси часто приводят к опадению листовой пластинки. Несмотря

на то что растение регенерирует новые листья, деревья около дороги имели скудный листовой покров.

Таким образом, данные проведенного эксперимента показывают, что содержание хлорофиллов и каротиноидов при удалении от автотранспортной магистрали увеличивается. Это свидетельствует о том, что вдоль проезжей части более высокий уровень загрязнения, чем в глубине рощи. Тяжелые металлы, попадающие в атмосферу через автотранспорт, негативно влияют на синтез белков и ферментов, в особенности страдает биосинтез молекул хлорофилла. При высокой концентрации тяжелых металлов так же может наблюдаться антагонизм элементов, в результате чего важный для структуры хлоропласта магний может замениться каким-либо другим элементов, нарушая в дальнейшем основную его функцию. Помимо вышеперечисленного, возле дороги сосредоточено более высокое содержание CO2, который негативно влияет на процессы дыхания в клетке. В результате уменьшения дыхания растение выделяет меньше энергии, которая необходима для поддержания жизнедеятельности растительного организма, в том числе и на интенсивность фотосинтеза.

Библиографический список

1. Агроэкологический атлас России и сопредельных стран. - URL: http://www.agroatlas.ru/ru/content/related/Betula pendula/ (дата обращения: 11.02.2023).

2. Белова, Т. А. Изменение содержания хлорофиллов и каротиноидов в листьях древесных растений средней полосы России / Т. А. Белова, Л. А. Бабкина // AUDITORIUM. Электронный научный журнал Курского государственного университета. - 2017. - № 2(14). - С. 1-5. - URL: https://api-mag.kursksu.ru/api/v 1/get pdf/1083 (дата обращения: 11.02.2023).

3. Белянин, И. М. Оценка состояния окружающей среды с использованием березы повислой в качестве биоиндикатора / И. М. Белянин, Н. Н. Несмелова. // Молодой ученый. - 2021. - № 21 (363). - С. 548-553.

4. Вострикова, М. А. Характеристика основных выбросов автотранспорта и их влияние на растения / М. А. Вострикова, В. В. Шкода // Инновационная наука. - 2015. -№11-3. - С. 65-66.

5. Максимова, Е. В. Влияние антропогенных факторов химической природы на некоторые эколого-биохимические характеристики растений / Е. В. Максимова, А. А. Косицына, О. Н. Макурина // Вестник СамГУ. Естественнонаучная серия. - 2007. - №8(58). - С. 146.

6. Медведев, С. С. Физиология растений: учебник / С. С. Межведев. - Санкт-Петербург: БХВ-Петербург, 2012. - С. 39-46.

7. Соколова, Г. Г. Влияние техногенного загрязнения на пигментный состав листьев березы повислой (Betula pendula Roth) в условиях города Барнаула / Г. Г. Соколова // Проблемы ботаники Южной Сибири и Монголии. - 2020. - Том 19. -№1. - С. 223-228.