CC BY
14
УДК 581.1
DOI: 10.24412/1816-1863-2023-2-55-60
ВЛИЯНИЕ АВТОТРАНСПОРТНОГО ЗАГРЯЗНЕНИЯ ВОЗДУХА НА ФИЗИОЛОГО-БИОХИМИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ ЛИСТА TILIA CORDATA MILL. И BETULA PENDULA ROTH
Е. А. Ерофеева, д-р биол. наук, профессор, Нижегородский государственный университет им. Н. И. Лобачевского, ele77785674@yandex.ru, г. Нижний Новгород, Россия, Д. Б. Гелашвили, д-р биол. наук, профессор, Нижегородский государственный университет им. Н. И. Лобачевского, gelashvili.david@gmail.com, г. Нижний Новгород, Россия,
М. Д. Кузнецов, аспирант, Нижегородский государственный университет
им. Н. И. Лобачевского, maxim2895@mail.ru, г. Нижний Новгород, Россия,
О. С. Лисицына, аспирант, Нижегородский государственный университет
им. Н. И. Лобачевского, foxbox13@yandex.ru, г. Нижний Новгород, Россия,
А. А. Нижегородцев, канд. биол. наук, доцент, Нижегородский государственный
университет им. Н. И. Лобачевского, ecotoxnn@yandex.ru, г. Нижний Новгород, Россия,
A. Б. Савинов, канд. биол. наук, доцент, Нижегородский государственный университет им. Н. И. Лобачевского, sabcor@mail.ru, г. Нижний Новгород, Россия,
B. П. Юнина, старший преподаватель, ecocenter@bio.unn.ru, г. Нижний Новгород, Россия, М. В. Сидоренко, канд. биол. наук, доцент, Нижегородский государственный университет им. Н. И. Лобачевского, eco_smv@mail.ru, г. Нижний Новгород, Россия
О»
О
О -i X х
CD
Г)
О
б
а>
ы
О ^
0 Г)
1
о
Г)
Г) -I
тз
о
-I
а>
О-
Г> -I 03
О
О ТЗ О Ш
Г)
О
Физиолого-биохимические показатели листа липы мелколистной (Tilia cordata Mill.) и березы повислой (Betula pendula Roth) часто используются для целей биоиндикации. Однако реакции этих видов на разные уровни автотранспортного загрязнения остаются до сих пор недостаточно изученными. Данная проблема была рассмотрена в настоящем исследовании. Листья липы и березы были собраны на четырех придорожных участках автодорог Нижнего Новгорода с градиентом автотранспортного загрязнения и на контрольных участках. Показано, что липа способна поддерживать нормальный уровень хлорофиллов и каротиноидов в условиях химического загрязнения, а у березы на участке 2 отмечалось увеличение уровня всех пигментов, что можно рассматривать как гормезис. Перекисный гомеостаз в листе липы нарушался у деревьев на двух наиболее загрязненных участках. В то же время в листе березы интенсивность липопероксида-ции не отличалась от контроля или была даже ниже контрольных значений, что указывает на горметическую стимуляцию. У липы содержание общего белка в листьях деревьев на участке 3 было статистически значимо выше контрольного уровня, что указывает на герметический ответ. У березы, напротив, отмечалось снижение общего содержания белков у деревьев на двух наиболее загрязненных участках. У липы сырая биомасса листа снижалась по сравнению с контролем на участках 1 и 2 и не отличалась от контроля при более значительном загрязнении. У березы, напротив, биомасса листьев у деревьев наиболее загрязненных участков была выше, чем в контроле. Это является компенсаторным ответом березы, увеличивающим суммарную фотосинтетическую поверхность в ответ на значительное усыхание кроны. Была получена сильная положительная корреляция биомассы листьев березы и % усыхания кроны (по Спирмену: r = 0,90, p < 0,05). Усыхание кроны у липы и березы после выхода из зимнего покоя было выше контроля на всех загрязненных участках и имело положительную корреляцию с выбросом поллютантов (береза: r = 0,90, p < 0,05; липа: r = 0,43, p < 0,05). При этом у березы на двух наиболее загрязненных участках отмечалось более значительное усыхание кроны по сравнению с липой (почти в два раза, p < 0,05), что указывает на более высокую устойчивость липы к загрязнению. Полученные данные демонстрируют так называемый «адаптационный компромисс» у березы и липы, при котором поддержание физиолого-биохимических показателей листа в условиях хронического загрязнения сопровождается нарушением подготовки к зимнему покою и усыханием кроны.
Physiological and biochemical parameters of linden (Tilia cordata Mill.) and birch (Betulapendula Roth) leaf are often used for bioindication. However, the reactions of these species to different levels of traffic-related air pollution are still insufficiently studied. This issue has been considered in this study. Linden and birch leaves were collected on 4 roadside plots in Nizhny Novgorod with a gradient of road pollution and on 2 control plots. It has been shown that linden is able to maintain a normal level of chlorophylls and carotenoids with air pollution, and birch showed an increase in levels of all pigments on plot 2, which can be considered as hormesis. The peroxide homeostasis in the linden was disturbed on the two most polluted plots. At the same time, in the birch leaf, the intensity of lipid peroxidation did not differ
X О со
n
-I 03
Q
55
о
m
I-
U
w
CO
О X
О ^
и a
О ^
О
о
U
CD
IS
О ^
I-
u
и о
X
и о
с
о
со
ш vo
О ^
и ш
т
о (Г)
from the control or even was lower than the control values, which indicates hormetic stimulation. In linden, the total protein content in the leaves of trees on plot 3 was higher compared to the control, which indicates a hormetic response. Birch, on the contrary, showed a decrease in the total protein content on the most polluted plots. In linden, leaf biomass was decreased compared to the control in plots 1 and 2 and did not differ from the control with more intense air pollution. In birch, on the contrary, the biomass of leaves in the trees of the most polluted plots was increased relative to the control. This is a compensatory reaction of birch, which increases the total photosynthetically active surface in response to a significant shrinkage of the crown. A strong positive correlation was found between the biomass of birch leaves and the % of crown shrinkage (according to Spearman: r = 0.90, p < 0.05). At the same time, in the two most polluted areas, birch showed a more significant drying of the crown compared to linden (almost 2 times, p < 0.05), which indicates a higher resistance of linden to air pollution. This study demonstrates the so-called "adaptive trade-off" in birch and linden, in which the maintenance of physiological and biochemical parameters of the leaf with chronic air pollution is accompanied by a disruption of preparation for winter dormancy and chilling in trees and, as a consequence, the drying of their crowns.
Ключевые слова: T. cordata Mill., B. pendula Roth, автотранспортное загрязнение, рост, липо-пероксидация, общий белок, хлорофиллы, каротиноиды, гормезис.
Keywords: T. cordata Mill., B. pendula Roth, traffic-related air pollution, growth, lipid peroxidation, total protein, chlorophylls, carotenoids, hormesis.
56
Введение
Поллютанты выхлопов автотранспортных средств вносят существенный вклад в загрязнение атмосферного воздуха мегаполисов [1, 2]. Различные физиолого-био-химические показатели листьев растений (содержание фотосинтетических пигментов, интенсивность липопероксидации, содержание общего белка, биомасса листьев) используются или рекомендуются для оценки качества среды уровня химического загрязнения [3]. В то же время известно, что химические поллютанты могут вызывать у растений гормезис, который представляет собой двухфазный адаптационный ответ, когда низкие дозы стрессора являются стимулирующими, а высокие — ингибирующими для живой системы [3, 4]. Кроме того, в стрессовых условиях могут наблюдаться адаптационные компромиссы (trade-offs), когда наряду со стимуляцией защиты от стрессора наблюдается нарушение роста и некоторых других показателей, которые являются менее актуальных для выживания в стрессовых условиях среды [5]. Это может приводить к асинхронному изменению индикаторов состояния растения при воздействии пол-лютантов.
Береза повислая (Betula pendula Roth) и липа мелколистная (Tilia cordata Mill.) широко используются для озеленения городов, а также в качестве видов-биоиндикаторов. В связи с этим в данном исследовании был проведен сравнительный анализ изменения физиолого-биохими-ческих показателей листа этих видов, а
также усыхания кроны в градиенте автотранспортного загрязнения воздуха на урбанизированной территории (на примере Нижнего Новгорода).
Материалы и методы
Листья березы и липы были собраны в июле 2021 года с деревьев, произрастающих на четырех придорожных участках (2—6 м от автодороги) в верхней части Нижнего Новгорода. Контролем для липы служил участок на территории лесопарка «Щелоковский хутор» (верхняя часть города), а контрольный участок для березы был расположен в 20 км от Нижнего Новгорода. Контрольные участки были расположены в отдалении от источников загрязнения. С помощью программы Автомагистраль на загрязненных участках определяли максимальный разовый выброс (г/сек) для оксидов серы, азота и углерода, а также углеводородов, формальдегида и бенз(а)пирена выхлопов автотранспорта (табл. 1) [6].
На каждом из изученных участков было оценено состояние 10 деревьев липы (п = 10) и березы (п = 10). С каждого дерева собирали по 30 листьев для оценки биохимических показателей (показатели определяли в суммарной навеске 1 г из фрагментов 30 листьев) и 15 листьев для определения сырой биомассы листа (по средней массе листа для каждого дерева), так как статистической единицей являлось дерево. Содержание фотосинтетических пигментов (хлорофиллов и каротинои-дов) оценивали, используя общепринятую методику с экстрагированием пигментов
Таблица 1
Максимально-разовый выброс (г/сек) автотранспортом загрязняющих веществ
в Нижнем Новгороде
Изученные показатели Контроль Загрязненные участки
1 2 3 4
Поток автотранспорта (авто/ч) 0 882 1092 2324 3702
Монооксид углерода 0 1,14 1,42 3,02 4,81
Диоксиды азота/серы 0/0 0,265/0,007 0,328/0,009 0,697/0,019 1,111/0,030
Углеводороды 0 0,176 0,218 0,465 0,740
Формальдегид 0 0,0009 0,0011 0,0023 0,0037
Бенз(а)пирен 0 8,8 х 10-8 1,1 х 10-7 2,3 х 10-7 3,7 х 10-7
80 % ацетоном [7]. Суммарное содержание белков в листе определяли по методике Bradford [8]. В качестве показателя интенсивности перекисного окисления ли-пидов использовали содержание в л истьях малонового д иальдегида (МДА) [9]. Сырую биомассу листьев определяли, взвешивая листья на лабораторных весах (с точностью до 1 мг) в день сбора. Усыхание кроны деревьев оценивали в мае после распускания почек, когда еще не начался рост побегов.
Для сравнения выборочных средних использовали критерий Стьюдента с поправкой Бонферрони (Биостатистика 4.03), что было основано на проверке нормальности выборочных распределений тестом Шапиро-Уилка (Statistica 10). Кроме того, проводили корреляционный анализ по Спирмену и двухфакторный дисперсионный анализ.
Результаты и их обсуждение
Было установлено, что липа способна поддерживать нормальное функционирование фотосинтетического аппарата даже при значительном загрязнении воздуха, поскольку содержание хлорофиллов и ка-ротиноидов в листе статистически не отличалось от контроля (табл. 2). Однако у березы на участке № 2 отмечалось увеличение уровня всех пигментов, что можно рассматривать как герметический ответ [3]. В частности, увеличение уровня пигментов у березы свидетельствует о повышенных затратах энергии на адаптацию к загрязнению, в связи с чем наблюдается стимуляции фотосинтеза как поставщика энергетических и пластических ресурсов растений.
Перекисный гомеостаз в листе липы нарушался у д еревьев на д вух наиболее загрязненных участках № 3 и № 4 (табл. 2). Содержание продуктов липопероксидации (МДА) было статистически значимо выше у д еревьев загрязненных участков по сравнению с контролем. В то же время в л исте березы интенсивность липопероксидации не отличалась от контроля или была даже ниже контрольных значений, что указывает на высокую эффективность антиокси-дантной системы березы и является гор-метической стимуляцией.
У липы содержание общего белка в листьях деревьев на участке 3 было статистически значимо выше контрольного уровня, что может быть связано с активацией биосинтеза защитных белков при стрессе, вызванном поллютантами выхлопов (антиоксидантные ферменты, стрессовые белки и др.). Однако при наибольшем уровне загрязнения (участок № 4) общее содержание белков не отличалось от контроля. По-видимому, из-за того, что снижение скорости биосинтеза белков, не участвующих в адаптационных процессах, было равно увеличению скорости синтеза стрессовых белков растений. У березы, напротив, отмечалось снижение общего содержания белков у деревьев на двух наиболее загрязненных участках.
У липы сырая биомасса листа снижалась по сравнению с контролем на участках 1 и 2 и не отличалась от контроля при более значительном загрязнении (табл. 1). У березы, напротив, биомасса листьев у деревьев наиболее загрязненных участков была выше, чем в контроле. Возможно, это было связано с тем, что при высоких уровнях газообразных поллютантов про-
о>
О
О -1 X х
CD
Г)
О
б
CD ы
О ^
0 Г)
1
о
Г)
Г) -I
тз
о
-I
CD
О-
Г> -I 03
О
О ТЗ О Ш
Г)
О
X
о
ы ш
Г) -I
оз О
57
о
т
I-
и
со О X
О ^
и а О СР
О
а
т
I-
и ^
Ш
IX
о
СР
I-
и
и о
X
и о с
о
со ф
Ю ч;
О ^
и ш
т
Таблица 2
Физиолого-биохимические показатели листа и усыхание кроны липы мелколистной и березы повислой в градиенте автотранспортного загрязнения атмосферного воздуха
Изученные показатели Контроль Загрязненные участки
1 2 3 4
Хлорофилл а, мг/г сырой ткани листа 1 , 532 1 , 0 53 1 , 561 1 , 1 74 1,639 1 ,336 1 , 4 75 1 , 1 70 1 , 6 15 1 , 0 53
Хлорофилл Ь, мг/г сырой ткани листа 0,4 11 0, 255 0 ,428 0 ,309 0,431 0,346 0 ,400 0 , 3 10 0 ,454 0 , 287
Каротиноиды, мг/г сырой ткани листа 0 , 3 39 0 , 248 0 , 366 0 ,260 0,365 0 ,28 1 0 , 3 24 0 , 251 0 , 3 36 0 , 233
МДА, отн. ед. 0, 1 56 0 , 241 0,137 0, 136 0,155 0,17 1 0,393 0,209 0,274 0,176
Общий белок, мг/г сырой ткани листа 0, 3 8 1 , 4 3 0 ,47 1 , 1 0 0,51 1 , 1 3 0, 65 0, 77 0,41 0 ,72
Сырая биомасса листа, г 0 , 72 0 , 22 0, 51 0, 27 0 , 52 0, 26 0, 72 0,35 0,72 0 ,30
Усыхание кроны, % 0 ,40 0 , 1 8 1 0,0 6 8,33 9 , 17 5 , 04 5, 16 1 8,44 1 4,5 1 2 4,2 6
Примечание: Над чертой представлены средние значения изученных показателей (и = 10) для липы, под чертой — для березы. Жирным шрифтом выделены статистически значимые различия (р < 0,05) по отношению к данному показателю у деревьев на контрольном участке.
О
58
исходит значительное усыхание кроны деревьев после периода зимнего покоя (табл. 2). Это вызывает весной развитие побегов из спящих почек, которые имеют более крупные листья, что компенсирует уменьшение суммарной фотосинтетичес-ки активной поверхности листьев дерева, необходимой для обеспечения дерева ассимилянтами фотосинтеза. Эту гипотезу подтверждает сильная положительная корреляция биомассы листьев березы и % усыхания кроны (по Спирмену: г = 0,90, р < 0,05).
На фоне сложного изменения физиолога-биохимических показателей листа березы и липы, усыхание кроны у этих видов было статистически выше практически на всех загрязненных участках по сравнению с контролем и было положительно скоррелировано с выбросом пол-лютантов (береза: г = 0,90, р < 0,05; липа: г = 0,43, р < 0,05). При этом у березы на двух наиболее загрязненных участках отмечалось более значительное усыхание кроны по сравнению с липой (почти в два раза, р < 0,05).
Двухфакторный дисперсионный анализ подтвердил влияние факторов «вид
древесного растения» (значения И от 37 до 104 для разных показателей листа при р < 0,001) и «интенсивность автотранспортного загрязнения» на изученные показатели д еревьев (значения И от 4 до 10 для разных показателей листа при р < 0,010).
Заключение
В условиях значительного автотранс-портного загрязнения воздуха не было выявлено синхронного ухудшения изученных физиолого-биохимических показателей листа у березы и липы. Этот факт указывает на способность данных видов поддерживать относительно нормальное функционирование листового аппарата даже при продолжительном хроническом воздействии поллютантов. По-видимому, это обусловлено тем, что ассимилянты фотосинтеза, протекающего преимущественно в мезофилле листьев, являются критически важными для выживания в стрессовых условиях, когда растение тратит значительные ресурсы на защиту от химических поллютантов. В то же время деревья не успевают подготовиться к периоду зимнего покоя, поскольку значи-
тельные ресурсы тратятся на детоксика-цию поллютантов. В итоге на загрязненных участках отмечается усыхание кроны после периода зимнего покоя, что указывает на снижение устойчивости д еревьев к низким температурам. Полученные данные указывают на наличие адаптационного компромисса у растений, связанного с перераспределением ресурсов между защитой от поллютантов и подготовкой к зимнему покою. Поскольку при наиболее высоком уровне загрязнения у липы отмечалось существенно меньшее усыхание кроны по сравнению с березой, можно утверждать, что данный вид более устойчив к автотранспортному загрязнению. Одной из возможных причин более высокой ус-
тойчивости липы к газообразным поллю-тантам может быть более высокое содержание хлорофиллов и каротиноидов в листе по сравнению с березой (р < 0,05), в том числе у деревьев всех изученных придорожных участков. Эта видоспеци-фическая особенность связана с высокой теневыносливостью липы мелколистной и, по-видимому, позволяет липе более эффективно обеспечивать энергией процессы детоксикации поллютантов. Кроме того, каротиноиды являются эффективными антиоксидантами и могут сдерживать окислительный стресс и предотвращать повреждение биомолекул (липидов, белков и др.) при хроническом воздействии поллютантов.
Библиографический список
1. Rossi R., Ceccato R., Gastaldi M. Effect of road traffic on air pollution. Experimental evidence from COVID-19 lockdown // Sustainability. - 2020. - Т. 12 (21). - С. 1-13.
2. Rajé F., Tight M., Pope F. D. Traffic pollution: A search for solutions for a city like Nairobi // Cities. — 2018. - Т. 82. - С. 100-107.
3. Erofeeva E. A. Hormesis and paradoxical effects of drooping birch (Betula pendula Roth) parameters under motor traffic pollution // Dose Response. - 2015. - Т. 13 (2). - С. 1-12.
4. Agathokleous E., Calabrese E. J. 2022. Hormesis: a general biological principle // Chem. Res. Toxicol. -2022. - Т. 35. - С. 547-549.
5. Monson R. K., Trowbridge A. M., Lindroth R. L., Lerdau M. T. Coordinated resource allocation to plant growth-defense tradeoffs // New Phytol. - 2022. - Т. 233. - С. 1051-1066.
6. Рузский А. В., Донченко В. В., Кунин Ю. И., Петрухин В. А. Виженский В. А., Вайсблюм М. Е. Расчетная инструкция (методика) по инвентаризации выбросов загрязняющих веществ от автотранспортных средств на территории городов. - М.: НИИАТ, 2008. - 152 с.
7. Lichtenthaler H. K. Chlorophyll and carotenoids: pigments of photosynthetic biomembranes // Methods Enzymol. - 1987. - Т. 148. - С. 331-382.
8. Bradford M. A rapid and sensitive method for quantification of microgram quantities of protein utilizing the principle of protein-dye binding // Anal. Biochem. - 1976. - Т. 72. - С. 248-254.
9. Heath R. L., Packer L. Photoperoxidation in isolated chloroplasts 1. Kinetics and stoichiometry of fatty acid peroxidatoin // Arch. Biochem. Biophys. — 1968. - Т. 125. - С. 189-198.
o>
О
О -i X x
CD Г) TS Q
б
CD ы
О ^
0 Г)
1
о
Г)
Г) -I
тз
о
-I
CD
О-
Г> -I 03
О
О ТЗ О Ш
Г)
О
X
о
ы ш
Г) -I оз О
THE EFFECT OF TRAFFIC-RELATED AIR POLLUTION ON THE PHYSIOLOGICAL AND BIOCHEMICAL PARAMETERS OF TILIA CORDATA MILL. AND BETULA PENDULA ROTH. LEAF
E. A. Erofeeva, Dr. Habil. (Biology), Professor, N. Novgorod State University, ele77785674@yandex.ru, N. Novgorod, Russia,
D. B. Gelashvily, Dr. Habil. (Biology), Full Professor, N. Novgorod State University, gelashvili.david@gmail.com, N. Novgorod, Russia,
M. D. Kuznetsov, post-graduate student, N. Novgorod State University, maxim2895@mail.ru, N. Novgorod, Russia,
O. S. Lisitsyna, post-graduate student, N. Novgorod State University, foxbox13@yandex.ru, N. Novgorod, Russia,
A. A. Nizhegorodtsev, Ph. D. (Biology), Associate Professor, N. Novgorod State University, ecotoxnn@yandex.ru, N. Novgorod, Russia,
A. B. Savinov, Ph. D. (Biology), Associate Professor, N. Novgorod State University, sabcor@mail.ru, N. Novgorod, Russia,
59
V. P. Yunina, Senior Teacher, N. Novgorod State University, ecocenter_nngu@mail.ru, 2 N. Novgorod, Russia,
(u M. V. Sidorenko, Ph. D. (Biology), Associate Professor, N. Novgorod State University, eco_smv@mail.ru, N. Novgorod, Russia
o
X
2 References
o
u 1. Rossi R., Ceccato R., Gastaldi M. Effect of road traffic on air pollution. Experimental evidence from
O COVID-19 lockdown. Sustainability. 2020. Vol. 12 (21). P. 1-13.
^ 2. Rajé F., Tight M., Pope F. D. Traffic pollution: A search for solutions for a city like Nairobi. Cities. 2018. Vol. 82. P. 100-107.
s 3. Erofeeva E. A. Hormesis and paradoxical effects of drooping birch (Betulapendula Roth) parameters un-
ja der motor traffic pollution. Dose Response. 2015. Vol. 13 (2). P. 1—12.
u 4. Agathokleous E., Calabrese E. J. 2022. Hormesis: a general biological principle. Chem. Res. Toxicol. 2022.
Vol. 35. P. 547—549.
5. Monson R. K., Trowbridge A. M., Lindroth R. L., Lerdau M. T. Coordinated resource allocation to plant § growth-defense tradeoffs. New Phytol. 2022 Vol. 233. P. 1051—1066.
6. Ruzskiy A. V., Donchenko V. V., Kunin U. I., Petrukhin V. A., Vizhenskiy V. A., and Vaisblum M. E. u Raschetnaya metodikapo inventarizacii vibrosov zagryaznyayuschih veschestv ot avtotransportnih sredstv na
territorii gorodov [Calculation method of inventory of pollutant emissions from motor transport in the ter-
<D
u
x
u o c
o ritory of cities]. M.: NIIAT, 2008. 152 p. [in Russian].
7. Lichtenthaler H. K. Chlorophyll and carotenoids: pigments of photosynthetic biomembranes. Methods Enzymol. 1987. Vol. 148. P. 331-382. O 8. Bradford M. A rapid and sensitive method for quantification of microgram quantities of protein utilizing
CD the principle of protein-dye binding. Anal. Biochem. 1976. Vol. 72. P. 248—254.
vo
w
o ^
u CD
T X l_
O ^
o ^
(D
9. Heath R. L., Packer L. Photoperoxidation in isolated chloroplasts 1. Kinetics and stoichiometry of fatty acid peroxidation. Arch. Biochem. Biophys. 1968. Vol. 125. P. 189—198.
60
