CC BY
104
УДК 665.1: 664.3.014 О А. Есякова
ОЦЕНКА ЗАГРЯЗНЕНИЯ ВОЗДУШНОЙ СРЕДЫ г. КРАСНОЯРСКА ПО СОСТАВУ АССИМИЛЯЦИОННОГО АППАРАТА ЕЛИ СИБИРСКОЙ*
Приведен анализ компонентного состава ассимиляционного аппарата ели сибирской (Picea obovata Ledeb.) лесных и городских участков. Показана возможность его использования как индикатора аэрогенного загрязнения городской среды. Исследовано влияние его интенсивности на терпеноидный, фенольный и минеральный состав и влажность хвои. Установлено, что по изменению компонентного состава эфирного масла ассимиляционного аппарата насаждения ели в зависимости от воздействия поллютан-тов разделяются на четыре типа.
Ключевые слова: загрязнение воздушной среды, ассимиляционный аппарат, ель сибирская, компонентный состав хвои, биоиндикация.
O.A. Yesyakova
ESTIMATION OF THE AIR ENVIRONMENT POLLUTION IN KRASNOYARSK BY THE SIBERIAN SPRUCE ASSIMILATION APPARATUS COMPOSITION
The analysis of Siberian spruce assimilation apparatus composition of wood and urban sites is given in the article. The opportunity of Siberian spruce use as an indicator of air environment pollution is shown. The influence of pollution intensity on terpenoid, phenol and mineral structure and needles humidity is researched. It is established that on the basis of assimilation apparatus essential oil composition change, Siberian spruce plantings are divided into four types depending on pollutants influence.
Key words: air environment pollution, assimilation apparatus, Siberian spruce, needle composition, bioindication.
Введение. По уровню загрязнения воздушной среды г. Красноярск считается одним из сравнительно загрязненных городов России. Основными загрязнителями городской атмосферы являются тепловые станции, промышленные предприятия и автотранспорт, влияние которых ежегодно усиливается, что негативно сказывается на экологической обстановке в городе.
Объекты и методы исследований. Объектом исследований выбрана 15-20-летняя ель сибирская (P^cea obovata 1_ес1еЬ.), как неотъемлемая часть ландшафтных насаждений и одна из наиболее чувствительных к загрязнителям древесных пород. Визуальному обследованию и анализу подвергался ассимиляционный аппарат ели, являющийся круглогодичным индикатором аэрогенного состояния города. В качестве показателей воздействия промышленных поллютантов на растительный организм были взяты влажность, минеральный, морфометрический и химический состав хвои ели разного возраста жизни, которые анализировали по стандартным методикам. В опытах из хвои гидродистилляционным методом отгоняли эфирное масло. Его выход определяли волюмометрически с учетом растворения в кубовом конденсате. Компонентный состав образцов анализировали методом ГЖХ, идентификацию компонентов - с использованием ХМС.
При проведении исследований на территории г. Красноярска изучалось свыше 80 мест участков ели сибирской (рис.). Особое внимание уделяли насаждениям, подверженным серьезному воздействию выбросов крупных промышленных предприятий, сильно нагруженных автомагистралей и их комплексному влиянию. В качестве фоновых взяты 20-25-летние фитоценозы в лесных массивах в 40-60 км от краевого центра в стороне от господствующих ветров.
Результаты и их обсуждение. Важным фактором, определяющим развитие растений, является влажность. В связи с этим влажность хвои исследуемых участков является одним из серьезных показателей состояния деревьев, по которому сравнительно объективно можно судить об аэрогенном состоянии территории. Влажность хвои ели наиболее характерных городских и лесных насаждений представлена в табл. 1.
* Работа выполнена при поддержке гранта ККФН.
Таблица 1
Влажность хвои ели, % от абс. сух. массы
Участок Значение, х ± т Коэффициент варьирования, v, %
ДК им. 1 Мая 48,4 ± 1,4 5,0
ТЭЦ -1 ,2 2, +1 ,4 3, 4 8,8
Химкомбинат "Енисей" 46,6 ± 2,1 7,8
КрАМЗ 4 4, 3 ± 2, 4 9,4
Парк Гвардейский 48,2 ± 1,5 5,4
Краевая больница №1 47,8 ± 1,4 5,1
Центральный парк 49,1 ± 1,2 4,2
ул. Республики 48,3 ± 1,5 5,4
Политехнический техникум 48,8 ± 1,5 5,3
Кировский исполком 47,4 ± 1,3 4,7
Академгородок ,9 0, +1 ,9 0, 5 3,1
д. Слизнево 53,8 ± 0,6 1,9
с Ке ч у —1 54,3 ± 0,5 1,6
Среднее 4 8, 6 ± 0, 9 6,4
Влажность ассимиляционного аппарата городских и фоновых участков не отличается существенным образом ^ 6,4 %). Тем не менее она намного значительнее внутрипопуляционной изменчивости (1,6-1,9 %). Наибольшие различия свойственны для посадок вблизи ТЭЦ-1, химкомбината «Енисей» и КрАМЗа, чьи выбросы весьма негативно отражаются на развитии ассимиляционных органов ели. Ухудшение их состояния вблизи промышленных предприятий объясняется концентрированием в атмосфере компонентов кислотного характера, в первую очередь, сернистого газа [1-2]. Особую опасность для функционирования ассимиляционного аппарата представляют фтористые соединения [3], в больших количествах содержащихся в выбросах КрАМЗа и КрАЗа. О справедливости такого представления говорит максимальное значение его коэффициента варьирования среди сравниваемых объектов. Некоторое снижение негативного воздействия вблизи химкомбината «Енисей» можно объяснить сокращением интенсивности автотранспортного движения на данной территории.
В меньшей мере между собой отличается влажность хвои других сравниваемых городских (47,4-49,1 %) и фоновых (53,8-54,3 %) участков. Учитывая этот факт, в сочетании с уменьшением значения коэффициентов варьирования можно предполагать о разном характере воздействия загрязнителей в этих насаждениях. Заметное сокращение числа подвергнутой хлорозу и некрозу хвои отмеченных городских участков подтверждает такое представление [4-5]. Возможно, что в промышленных зонах в связи с высокой концентрацией компоненты выбросов предприятий вовлекаются в процессы метаболизма и изменяют их ход вплоть до некроза. Основной причиной отклонения значений примагистральных и парковых насаждений, по-видимому, является осаждение на хвое и побегах пыли, что, не изменяя характера метаболизма, уменьшает интенсивность процессов. Пыль сравнительно равномерно засоряет устьица, тем самым снижая транспирацию и усредняя влажность хвои [6-7]. В связи с этим становится ясным и различие показателей влажности хвои «промышленных» (44,8 % и v 8,65 %), примагистральных (48,1 % и v 5,10 %), парковых (49,4 % и v 4,22 %) и лесных (54,1 % и v 1,78 %) участков. Несколько выпадающие из этого ряда их значения для Гвардейского парка объясняются территориальной близостью к нему КрАМЗа и КрАЗа с их фтористыми выбросами.
Изменение минерального состава растений влияет на функционирование и устойчивость насаждений. Природные и антропогенные изменения нарушают в целом метаболизм растительных организмов [8]. Концентрация тяжелых металлов в ассимиляционном аппарате - один из наиболее часто используемых факторов для оценки состояния фитоценозов, определения уровня загрязнения среды [9-10]. Результаты определения содержания тяжелых металлов в хвое ели сибирской, произрастающей на участках с разным уровнем техногенной нагрузки, представлены в табл. 2.
Таблица 2
Содержание тяжелых металлов в хвое ели сибирской, мг/кг сухого вещества
Место отбора Mn Fe Zn
Ст. Кемчуг 1014 ± 84,0 32 ± 2,5 4,32 ± 0,35 37,07 ± 1,59
Центральный парк 812 ± 67,7 40 ± 6,3 11,18 ± 2,70 36,30 ± 2,76
Химкомбинат «Енисей» 588 ± 43,2 84 ± 14,7 48,60 ± 3,89 19,17 ± 1,40
91
Карта-схема г. Красноярска с указанием мест произрастания ели сибирской
Вестник^КрасТАУ- 2009. №4
Результаты анализа показывают, что в природных условиях хвоя обогащается Mn, поскольку этот элемент является малоподвижным [11]. В фоновых условиях в хвое регистрируется также наибольшее содержание Zn. Это объясняется тем, что он входит в состав более 200 ферментов, относящихся к шести классам ферментного каталога, и выполняет важные биохимические функции в растениях, связанные с метаболизмом белков, углеводов, липидов, нуклеиновых кислот [12]. Некоторое снижение вклада Zn в хвое на территории промышленных предприятий обусловлено выщелачиванием из хвои этого элемента кислыми осадками. С ухудшением экологического состояния среды наблюдается и уменьшение концентрации Mn, что можно связать с проявлением антагонизма в парах ^^п и Fe-Mn [13]. Концентрация ^ увеличивается по мере загрязненности территории вследствие содержания этого металла в выбросах промышленных производств. Содержание Fe возрастает с усилением техногенной нагрузки, так как в промышленных зонах концентрация данного металла в атмосферном воздухе гораздо выше по сравнению с фоновыми условиями, а растения, в свою очередь, имеют свойство накапливать железо в ассимиляционном аппарате.
Для оценки состояния растений в городской среде часто используются вторичные метаболиты [14-15]. Известно, что их содержание и состав в связи с меньшей изменчивостью более информативны о воздействии поллю-тантов на растительный организм, чем продукты основного обмена. Так, успешно используются для этой цели фенольные соединения, содержание которых повышается в тканях хвои деревьев, произрастающих в зоне промышленных предприятий. Видимо эти компоненты защищают ассимиляционный аппарат от промышленных эмиссий.
Полученные данные по накоплению фенолов в хвое 1-3-го годов жизни представлены в табл. 3.
Таблица 3
Содержание фенолов в хвое ели сибирской, % от абс. сух. массы
Возраст хвои, год ст. Минино Центральный парк ТЭЦ-1
1-й 0, 7 2 + 0, 4 2 1,22 + 0,52 1,44 + 0,33
2-й 1,52 + 0,37 1,74 + 0,40 6 ,4 0, +1 9 ,2 2,
3-й 6 7 + 0, 3 4 1,99 + 0,46 0 ,5 0, +1 3 ,5 2,
Установлено, что вклад фенолов в тканях возрастает в ходе онтогенеза. Разница в их содержании в однолетней хвое ели, произрастающей около ТЭЦ-1, и в фоновой зоне (ст. Минино) составляет 0,72, двухлетней - 0,77, трехлетней - 0,86 % от абс. сух. массы. Отмечаемые изменения, по-видимому, связаны с тем, что вызываемое пол-лютантами нарушение проницаемости мембран ведет к серьезным внутриклеточным превращениям, в том числе окислению фенолов, в результате чего образуются меланины, о наличии которых можно судить по потемнению нек-розированных клеток. При этом промышленное загрязнение способствует не только высвобождению и преобразованию уже имеющихся фенольных соединений, но и стимулирует фенольный метаболизм.
Надежной считается оценка загрязнения аэрогенной среды по отклонению от нормы содержания и других продуктов метаболизма [1; 16]. Удобными для этого считаются характеризующиеся достаточной временной стабильностью терпеноидные соединения ассимиляционного аппарата - эфирные масла.
Качественный состав эфирного масла хвои всех лет жизни практически одинаков, количественный -существенно изменяется в зависимости от загрязнения атмосферы насаждений, поскольку повышение концентрации реакционных примесей способствует ускорению протекания окислительных и других превращений терпеноидов. Если при отсутствии или низком их содержании эти процессы происходят через длительный промежуток времени, то при повышенном сдвигаются на более близкий период. В незагрязненной среде максимум монотерпеновых углеводородов отмечается в масле хвои 3-4-го годов. Усиление загрязнения сдвигает его положение в сторону 1 -го года жизни. Отсюда представляется, что отношение вклада монотерпенов к другим компонентам эфирного масла характеризует меру загрязненности среды (табл. 4).
По данному признаку насаждения достаточно отчетливо разделяются на 4 типа. К первому из них относятся фитоценозы с максимумом монотерпеновых углеводородов в эфирном масле хвои 3-го года. Их накопление происходит в течение всего ее существования с минимумом образования в текущем году. Во втором типе максимум монотерпенов смещается к хвое 2-го года. При этом разница их вклада в масле хвои 2-3-го годов существенно меньше, чем такового хвои 1-2-го годов. Основной причиной происходящих изменений, по-видимому, является инициирование примесями воздуха окислительных процессов.
Таблица 4
Изменчивость компонентного состава эфирного масла хвои ели сибирской в зависимости от загрязнения среды
Возраст хвои, год Вклад монотерпенов, % Вклад тяжелых фракций, % Отношение монотерпенов к сумме остальных компонентов, %
Значение %
Незагрязненные, ст. Кемчуг
1 58,5 41,5 1,41 75,4
2 63,5 36,5 1,74 93,0
3 65,1 34,9 1,87 100,0
Малозагрязненные, Академгородок
1 51,4 48,6 1,06 75,7
2 58,3 41,7 1,40 100,0
3 56,2 43,8 1,28 91,4
Среднезагрязненные, Центральный парк
1 49,0 51,0 0,96 91,4
2 51,3 48,7 1,05 100,0
3 44,4 55,6 0,80 76,1
Сильнозагрязненные, химкомбинат "Енисей"
1 50,4 49,6 1,02 100,0
2 44,5 55,5 0,80 78,4
3 40,1 59,9 0,70 65,6
Усиление загрязнения и, следовательно, ускорение оксидации терпеновых соединений сдвигает максимум накопления монотерпеновых углеводородов к текущему периоду. В соответствии с этим в третьем типе фитоценозов, хотя наибольший вклад последних наблюдается в масле хвои 2-го года, его значение намного ближе к вкладу этих углеводородов в масле хвои 1-го года, чем 3-го. Дальнейшее развитие процессов обуславливает смещение максимального содержания монотерпеновых углеводородов к эфирному маслу хвои 1-го года жизни (4-й тип насаждений).
Заключение. Анализ полученных данных свидетельствует, что влажность хвои, как и содержание тяжелых металлов, может служить сравнительно объективным индикатором загрязнения атмосферы в районе произрастания ели. Более надежным при оценке аэрогенного состояния является изменчивость содержания в ассимиляционном аппарате вторичных метаболитов, прежде всего, летучих терпеноидов и фенольных соединений. Их вклад, как защитных веществ, до определенных пределов возрастает при ухудшении экологического положения. По вкладу фракций эфирного масла хвои, дополнительно характеризующих загазованность территории, насаждения ели разделяются на четыре типа.
Литература
1. Неверова, О.А. Химический состав хвои ели сибирской в условиях техногенного загрязнения г. Кемерово / О.А. Неверова // Сибир. экол. журн. - 2002. - № 1. - С. 59-65.
2. Барахтенова, Л.А. Влияние сернистого газа на фотосинтез растений / Л.А. Барахтенова, В.С. Николаевский. - Новосибирск: Наука, 1988. - 86 с.
3. Рожков, А.С. Действие фторсодержащих эмиссий на хвойные деревья / А.С. Рожков, Т.А. Михайлова. - Новосибирск: Наука,1989. - 156 с.
4. Мальхотра, С.С. Биохимическое и физиологическое действие приоритетных загрязняющих веществ / С.С. Мальхотра, А.А. Хан // Загрязнение воздуха и жизнь растений. - Л., 1988. - С. 141-190.
5. Горышина, Т.К. Растение в городе / Т.К. Горышина. - Л.: Изд-во ЛГУ, 1991. - 152 с.
6. Красинский, Н.П. Озеленение промплощадок дымоустойчивым ассортиментом / Н.П. Красинский. -М.: Наука, 1987. - 153 с.
7. Ершов, М.Ф. О фотосинтезе чистых и запыленных листьев липы мелколистной и вяза мелколистного / М.Ф. Ершов // Докл. АН СССР. - 1957. - Т.112. - № 6. - С. 78-82.
8. Лукина, Н.В. Питательный режим лесов северной тайги: природные и техногенные аспекты / Н.В. Лукина, В.В. Никонов. - Апатиты: Изд-во КФЦ рАн, 1998. - 316 с.
9. Ильин, В.Б. Тяжелые металлы в системе почва-растения / В.Б. Ильин. - Новосибирск: Наука, 1981. - 151 с.
10. Lobersli, E.N. Metal uptake in plants from a birch forest area near a copper smelter in Norway / E.N. Lobersli, E. Steinnes // Water, Air and Soil Pollution. - 1988. - Vol. 37. - P. 25-39.
11. Барбер, С.А. Биологическая доступность питательных веществ в почве. Механистический подход / С.А. Барбер. - М.: Агропромиздат, 1986. - 251 с.
12. Торшин, С.П. Микроэлементный состав флоры заповедников Центрального Черноземного региона России / С.П. Торшин [и др.] // Экология. - 1997. - № 1. - С. 9-13.
13. Сухарева, Т.А. Химический состав и морфометрические характеристики хвои ели сибирский на Кольском полуострове в процессе деградационной сукцессии лесов / Т.А. Сухарева, Н.В. Лукина // Лесоведение. - 2004. - № 2. - С. 36-43.
14. Фуксман, И.Л. Содержание серы, тяжелых металлов и фенольных соединений в хвое pinus sylvestris l. в условиях техногенного загрязнения и фенольных соединений при поражении деревьев грибными болезнями / И.Л. Фуксман [и др.] // Растительные ресурсы. - 2001. - Т. 37. - Вып. 2. - С. 13-22.
15. Запрометов, М.М. Фенольные соединения: распространение, метаболизм и функции в растениях / М.М. Запрометов. - М.: Наука, 1993. - 272 с.
16. Есякова, О.А. Индикация загрязнения атмосферы г. Красноярска по морфометрическим и химическим показателям хвои ели сибирской / О.А. Есякова, Р.А. Степень // Химия растительного сырья. - 2008. -№ 1. - С. 143-148.
'--------♦-----------
УДК 581.524.3976/977 (571.17) Ю.А. Манаков, Л.П. Баранник, А.Н. Куприянов
ОЦЕНКА ВЫРАЩИВАНИЯ ДРЕВЕСНЫХ ПОРОД НА ОТВАЛАХ УГОЛЬНЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ КУЗБАССА
Подведены итоги более чем полувековому эксперименту выращивания древесных пород на отвалах угольных предприятий Кузбасса. Для оценки перспективности выращивания использована интегральная оценка П.П. Лапина, широко используемая в интродукционных исследованиях. Наибольший ин-тродукционный балл перспективности выращивания на отвалах набрали облепиха (95 баллов), береза повислая (94 балла), сосна обыкновенная (93 балла). В группу перспективных растений попало 10 видов: кедр (сосна сибирская), лох серебристый, рябина сибирская, бузина обыкновенная, карагана древовидная, жимолость татарская, осина, тополь бальзамический, тополь лавролистный, черемуха обыкновенная.
Ключевые слова: оценка выращивания, древесная порода, перспективные растения, кедр, рябина, осина, тополь, черемуха.
Yu.A. Manakov, L.P. Barannik, A.N. Kupriyanov
THE ESTIMATION OF TREE SPECIES CULTIVATION ON THE DUMPS OF KUZBASS COAL ENTERPRISES
The results of more than semicentenial experiment of tree species cultivation on the dump surface of coal enterprises in Kuzbass are supplyed. For the cultivation perspectivity estimation the Lapin's integrated estimation widely applied for introduction research is used. The greatest introduction point of cultivation perspectivity on the dumps Hippophae rhamnoides L. (95 points), Betula pendula Roth (94 points), Pinus sylvestris L. (93 points) have. 10 species such as cedar(Siberian pine), silverberry, mountain ash, elder, Siberian pea shrub, huney suckle, aspen, balsam poplar, laurel poplar, bird cherry are in the group of perspective plants.
Key wods: сul1^vai^on estimation, wood species, perspective plants, cedar, mountain ash, aspen, poplar, bird cherry.
К деревьям и кустарникам, выращиваемым на отвалах, предъявляются более высокие требования, чем к растениям, используемым в зеленом строительстве. Растения должны быть не только устойчивыми к погодным условиям, но и к специфичным условиям отвалов. Они должны успешно противостоять неблагоприятным свойствам горных пород, формирующих техногенный элювий, обладать способностью к симбиозу с микроорганизмами, развивать широкозахватную корневую систему, предотвращающую дефляцию грунтов и при этом обладать хозяйственно ценными качествами и декоративностью.
Первые опыты по выращиванию древесных растений на отвалах Кузбасса были заложены более 50 лет назад. В интродукционном эксперименте использовано более 34-х древесных пород [1-8].
Целью данных исследований явилась оценка успешности выращивания древесных пород на отвалах угольных предприятий Кузбасса.
Объекты и методы исследований. Объектами исследований явились посадки древесных пород на отвалах Кузбасского угольного бассейна, произведенные Л.П. Баранником и Ю.А. Манаковым на отвалах Байдаевского, Моховского, Бачатского, Черниговского, Кедровского угольных разрезов.
Породы отвалов представлены глинами и суглинками, песчаниками, алевролитами и аргиллитами. Техногенный элювий вскрышных горных пород крайне неоднороден и состоит из гетерогенной смеси песчаников, алевроли-
