Активность пероксидазы как показатель детоксикационного потенциала древесных растений в зоне выбросов автотранспорта

Увеличение количества автомобильного транспорта в г. Кемерово обеспечило в целом транспортному комплексу третье место по загрязнению атмосферного воздуха. В составе выбросов в атмосферу от транспортных средств содержатся более 200 соединений загрязняющих веществ, основными из которых, согласно [6], являются оксид углерода, оксиды азота, диоксид серы, углеводороды, в том числе бенз(а)пирен, свинец и его соединения и другие вещества [5]. Наибольшая доля загрязнения воздуха и почв от автотранспортных потоков приходится на автомагистрали и перекрестки города. Известно, что растения являются своеобразными «фитофильтрами», очищающими атмосферный воздух от газообразных токсикантов. Они способны усваивать газообразные токсиканты, в том числе и органические ксенобиотики, накапливать их, выделять в неизменном виде, включать непосредственно в обмен или обезвреживать их в результате деградации до стандартных

Колмогорова Елена Юрьевна, кандидат биологических наук, научный сотрудник

Быков Анатолий Александрович, кандидат физико-математических наук, научный сотрудник клеточных метаболитов и углекислого газа. При этом, как правило, такой способностью обладают растения с высокой устойчивостью к загрязнителям.

Достаточно много исследований посвящено изучению активности окислительных ферментов растений, в частности пероксидазы в условиях загрязнения атмосферного воздуха неорганическими и органическими загрязнителями. Выявлено повышение активности пероксидазы растений в условиях загрязнения окружающей среды кислыми газами [9, 12]. При действии кислых газов в растениях на свету могут образовываться перекиси, которые, по-видимому, обусловливают субстратную активацию пероксидазы. Кроме того, имеются многочисленные сведения об участии пероксидазы в процессах окисления органических ксенобиотиков (ПАУ, в том числе бенз(а)пирена), в частности в реакциях их гидроксилирования [3]. Таким образом, существуют растения с мощным детоксикационным потенциалом в отношении ксенобиотиков, для которых характерны высокая активность некоторых оксидаз (монооксигеназ, пероксидазы, фенолокси-дазы) и удовлетворительные показатели жизненного состояния в зоне повышенного техногенного загрязнения. Эта способность растений может быть использована в целях ремедиации городских экосистем.

Целью работы являлась оценка детоксикационного потенциала древесных растений в зоне локальных очагов загрязнения выбросами автотранспорта.

Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:

• 1)    проведено моделирование среднегодового загрязнения атмосферного воздуха на исследуемых перекрестках города на основе данных инвентаризации выбросов в сумме от стационарных и передвижных источников, с учетом климатических параметров, влияющих па распространение примесей в атмосфере – направления и скорости ветра, состояния устойчивости атмосферы;

• 2)    определены активность пероксидазы листьев древесных растений, произрастающих в зоне действия выбросов автотранспорта и их жизненное состояние;

• 3)    сопоставлены показатели жизнедеятельности растений с уровнями среднегодового загрязнения на изучаемых перекрестах города.

Работа выполнена в рамках интеграционного проекта №84 СО РАН.

Объекты и методы исследований. Исследования проведены в вегетационный период 2007 г. Объектом исследований являлась рябина сибирская в возрасте 30-40 лет, произрастающая вблизи двух перекрестков города, характеризующихся интенсивным движением автотранспорта – перекресток «пр. Кузнецкий - Сибиряков Гвардейцев» и перекресток «пр. Октябрьский – ул. Терешковой». В качестве сравнительных (условно контрольных) служили деревья, произрастающие во внутриквартальных посадках Ленинского района города.

Для определения активности пероксидазы из 10 модельных деревьев на каждой опытной площадке выбирали 3 дерева схожего удовлетворительного жизненного состояния. Листья собирали в утренние часы без видимых признаков повреждений из нижней части кроны с южной стороны. Активность пероксидазы определяли 3 раза за вегетацию – в июне, июле и августе методом А.Н. Бояркина [11] в трехкратной повторности. Жизненное состояние растений (ЖС) определяли в середине июля визуальным методом по степени нарушения ассимиляционного аппарата и крон [10].

Выборка составляла 10 деревьев с каждого исследуемого участка. Математическая обработка результатов проведена с использованием статистического пакета Statistica 5,5 для IBM- совместимых компьютеров. Для оценки информативности используемых показателей состояния растений проводили корреляционный анализ с показателями среднегодового загрязнения атмосферного воздуха на исследуемых перекрестках, поскольку известно, что хроническое воздействие низких концентраций загрязняющих веществ может приводить к их аккумуляции и негативно воздействовать на физиолого-биохимические процессы растений и здоровье человека.

Моделирование среднегодового загрязнения атмосферного воздуха на исследуемых перекрестках города осуществлено на основе данных инвентаризации выбросов в сумме от всех стационарных и передвижных источников, входящих в состав сводного тома ПДВ г.Кемерова за 2002 г. [1]. Расчеты среднегодовых концентраций были проведены в расчетных точках перекрестков по трем различным моделям (рис. 1): известной модели Гауссовского факела (Гауссова модель); модели расчета среднегодовых концентраций, приведенной в [7] (методика 1995) и разработанной ГГО им. А.И. Воейкова долгопериодной модели [8], являющейся дополнением к ОНД-86 (методика 2005). Распределение ветра по направлению получено из среднегодовой многолетней розы ветров методом интерполяции, рекомендованным в [8]. Распределение ветра по скоростям и классам устойчивости для Гауссовсой модели было ранее получено по данным стандартных метеонаблюдений [2]. Параметры распределений скорости ветра и показателя устойчивости λ, необходимые для модели [8], приближенно оценены по известным климатическим характеристикам г. Кемерова [4]. Все три модели входят в состав программного комплекса ЭРА (подробнее см. . Приведенное на рис. 1 сопоставление показывает, что все модели достаточно синхронно описывают среднегодовое загрязнение г. Кемерова по загрязняющим веществам, выбрасываемым автотранспортом. В таблице 1 использованы результаты методики [7].

Рис. 1. Сопоставление среднегодового загрязнения г. Кемерова выбросами автотранспорта по трем различным моделям

Результаты и их обсуждение. Анализ загрязняющих веществ, представленных в таблице 1, показывает, что на исследуемых перекрестках среднегодовые концентрации большинства загрязняющих веществ не превышают ПДКс. Исключение составляют лишь диоксид азота и бенз(а)пирен, среднегодовые концентрации которых превышают ПДКс в 5,66 и 3,37 раза в первом случае (на перекрестках «пр. Кузнецкий – ул. Сибиряков Гвардей- цев» и «пр. Октябрьский – ул. Терешковой» соответственно) и в 1,02 раза во втором случае на перекрестке «пр. Кузнецкий – ул. Сибиряков Гвардейцев». Следует отметить, что среднегодовое содержание большинства загрязняющих веществ выше на перекресте «пр. Кузнецкий – ул. Сибиряков Гвардейцев» в с равнении с перекрестком «пр. Октябрьский – ул. Терешковой».

Таблица 1. Среднегодовые концентрации загрязняющих веществ перекрестков г. Кемерово, наиболее загруженных автотранспортом (в долях ПДК)

Перекрестки	Pb	NO 2	SO 2	CO	бенз(а)пи рен	сажа	формаль-дегид	бензин
Пр.Кузнецкий – ул. Сибиряков Гвардейцев	0,56	5,66	0,89	0,88	1,02	0,16	0,43	0,23
Пр.Октябрьский - ул. Терешковой	0,48	3,37	0,69	0,65	0,69	0,12	0,42	0,17
ПДКс, мг/м куб.	0,0003	0,04	0,05	3,0	0,000001	0,05	0,003	1,5

Примечание: для каждого вещества взята концентрация, осредненная по всем расчетным точ- кам на перекрестке

Данные физиологических исследований показали, что у рябины сибирской, как контрольного, так и опытного вариантов максимальная активность пероксидазы отмечается в июле – в период максимальной физиологической активности листьев (рис. 2). У растений, произрастающих вблизи изучаемых перекрестков города, активность фермента существенно возрастает в сравнении с контролем во все сроки наблюдений, причем в большей степени вблизи перекрестка «пр. Кузнецкий – ул. Сибиряков Гвардейцев» (за исключением августа) (рис. 2). Так, в июне активность пероксидазы у рябины возросла на 147% и 102%, в июле на 141% и 88% и в августе – на 45% и 112% соответственно на перекре- стках «пр. Кузнецкий – ул. Сибиряков Гвардейцев» и «пр. Октябрьский – ул. Терешковой». Анализ характеристик жизненного состояния рябины сибиркой показывает, что вблизи изучаемых перекрестков отмечается хотя и достоверное, но незначительное снижение балла ЖС. Это происходит в основном за счет снижения процента живых ветвей в кроне и в меньшей степени за счет ухудшения других показателей – степени облиственности, количества листьев без некрозов и процента живой площади листа (табл. 2). Тем не менее, как показывают данные таблицы 2, рябина сибирская характеризуется вполне удовлетворительными показателями ЖС – 37-38 баллов (в контроле – 39,4 б).

Рис. 2. Активность пероксидазы в листьях рябины сибирской, произрастающей вблизи перекрестков г. Кемерово: 1 – контроль; 2 – перекресток «пр. Кузнецкий – ул. Сибиряков Гвардейцев»; 3 – перекресток «пр. Октябрьский – ул. Терешковой»

Таблица 2. Характеристика жизненного состояния рябины сибирской, произрастающей вблизи изучаемых перекрестков г. Кемерово

Постоянные площадки наблюдения	% живых ветвей в кроне	Степень облист-венно-сти, %	% живых (без некрозов) листьев в кроне	Средний % живой площади листа,	Жизненное состояние, балл
Контроль	98±0,4	100±0,0	98±0,5	98±0,7	39,4±0,5
Ул. Терешковой – пр. Октябрьский	90±0,6*	95±1,1*	100±0,0	95±1,0*	38,0±0,4*
Ул. Сибиряков Гвардейцев – пр. Кузнецкий	85±0,5*	95±1,2*	95±0,7*	95±1,2*	37,0±0,9*

Примечание: * отмечены достоверные отличия при p < 0,05

Выявлена корреляционная связь между активностью пероксидазы в листьях рябины и среднегодовыми концентрациями в воздухе изучаемых перекрестков города соединений свинца (r=0,67, p<0,05, n=27), диоксида азота (r=0,62, p<0,05, n=27) и бенз(а)пирена (r=0,61, p<0,05, n=27). Данные корреляционного анализа позволяют предполагать, что повышение активности пероксидазы (на 88-147%) является ответной реакцией на загрязнение атмосферного воздуха перекрестков соединениями свинца, диоксидом азота и бенз(а)пиреном, которая обеспечивает сопротивляемость организма и способствует обезвреживанию вредных соединений.

Выводы: существующий уровень среднегодового загрязнения изучаемых перекрестков г. Кемерово выбросами автотранспорта не является критическим для произрастания растений, о чем свидетельствует удовлетворительный показатель жизненного состояния рябины сибирской, а повышение активности пероксидазы (на 88-147%) указывает на высокий детоксикационный потенциал данной древесной породы в отношении выбросов автотранспорта. Результаты полученной работы позволяют рекомендовать рябину сибирскую к более широкому использованию в озеленении перекрестков и магистралей городов, характеризующихся повышенным уровнем загрязнения выбросами автотранспорта с целью оптимизации окружающей среды.