Анализ динамики содержания низкомолекулярных и высокомолекулярных соединений в листьях древесных растений в урбаносреде
Автор: Бухарина Ирина Леонидовна, Шарифуллина Айгуль Мухаметнагимовна, Кузьмин Петр Анатольевич
Журнал: Известия Самарского научного центра Российской академии наук @izvestiya-ssc
Рубрика: Экология
Статья в выпуске: 3-4 т.15, 2013 года.
Бесплатный доступ
Изучена динамика содержания низкомолекулярных и высокомолекулярных соединений в листьях древесных растений, произрастающих в урбаносреде, и их роль в формировании адаптивных реакций древесных растений в условиях техногенной среды.
Танины, аскорбиновая кислота, активность пероксидазы, древесные насаждения, урбаносреда
Короткий адрес: https://sciup.org/148201966
IDR: 148201966
Текст научной статьи Анализ динамики содержания низкомолекулярных и высокомолекулярных соединений в листьях древесных растений в урбаносреде
Бурное развитие городское среды и промышленности приводит к быстрому истощению жизненного потенциала древесных растений. В урба-носреде в формировании адаптивных реакций растений участвуют различные метаболиты, это ряд ферментов, а также низкомолекулярные метаболиты – танины, аскорбиновая кислота. В последние годы танины и аскорбиновая кислота рассматриваются учеными как важные элементы антиоксидантной системы защиты у древесных растений в условиях техногенного стресса. Исходя из этого, мы поставили перед собой цель изучить особенности динамики содержания данных метаболитов (танинов, аскорбиновой кислоты, фермента пероксидазы) в листьях, как элементов антиоксидантной системы защиты, в период активной вегетации древесных растений, произрастающих в насаждениях с разной степенью техногенной нагрузки (на примере г. Набережные Челны).
Набережные Челны входит в состав Республики Татарстан, которая расположена на территории Среднего Поволжья, вместе слияния двух крупнейших рек Волги и Камы, в зоне достаточного увлажнения. Климат умеренно-континентальный, отличается тёплым летом и умеренно-холодной зимой. Годовое количество осадков в городе составляет в среднем 555 мм. Самый тёплый месяц года – июль (+18…+20 °C), самый холодный – январь (-13…-14 °C).
Набережные Челны – крупный промышленный центр с населением 530 тыс. человек. Основные отрасли промышленности в городе – машиностроение, электроэнергетика, строительная индустрия, пищевая и перерабатывающая промышленность. Ключевым (градообразующим) предприятием города является Камский автомобильный завод. Характеристика степени загрязнения атмосферного воздуха в местах произрастания древесных растений проведена нами на основе «Доклада об эколо-
МАТЕРИАЛ И МЕТОДЫ
Объект исследования – древесные растения: клен ясенелистный ( Acer negundo L.), клён остролистный ( Acer platanoides L. ) , липа мелколистная ( Tilia cordata Mill.), береза повислая ( Betula pendula Roth.), тополь бальзамический ( Populus balsamifera L.). Эти виды произрастают в городе в составе различных экологических категорий насаждений: магистральные посадки (крупные магистрали Авто 1, проспект Мира) и санитарно-защитные зоны (СЗЗ) промышленных предприятий ОАО «Камаз» завод «Литейный», «Кузнечный» и «Двигателей», являющихся основными стационарными источниками загрязнения города. В качестве зон условного контроля (ЗУК) выбраны территории Челнинского (лесостепная зона 9539 га, лесостепной район европейской части Российской Федерации) лесничества, а для интродуцированных видов – территория городского парка «Гренада».
Пробные площади закладывали регулярным способом (по 5 шт. в каждом районе, размером не менее 0,25 га). В пределах пробной площадки проведен отбор (по 10 растений каждого вида) и нумерация учетных древесных растений, дана оценка их жизненного состояния [7]. Учетные особи имели хорошее жизненное и средневозрастное генеративное онтогенетическое состояние (g 2 ) В районах закладки пробных площадей провели отбор почвенных проб методом конвертов [4].
В листьях древесных растений трижды в течение вегетации (июнь, июль, август) определяли: содержание танинов, используя перманганатометрический метод (метод Левенталя в модификации Курсанова); содержание аскорбиновой кислоты – по ГОСТ 24556-89; активность пероксидазы, ис- пользуя колорометрический метод (по А.М. Бояркину), основанный на определении скорости реакции окисления бензидина [8]. Содержание танинов в листьях определяли в течение двух вегетационных периодов (2011–2012 гг.), а аскорбиновой кислоты – в один вегетационный сезон (2012 г.) [2]. Анализы проводили в лаборатории «Экологии и физиологии растений» биологического факультета Елабужского института (филиала) ФГАОУ ВПО «Казанский (Приволжский) федеральный университет».
Математическую обработку материалов провели с применением статистического пакета «Statistica 5,5». Для интерпретации полученных материалов использовали методы описательной статистики и дисперсионный многофакторный анализ (по перекрестно-иерархической схеме, при последующей оценке различий методом множественного сравнения LSD-test).
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Вегетационный период древесных растений в 2011 г. характеризовался повышенной температурой по месяцам, при этом превышение среднемноголетних данных отмечалось в пределах 3–7○С, а количество выпавших осадков было на уровне среднемноголетней нормы.
Дисперсионный многофакторный анализ результатов исследований в 2011 г. выявил существенность влияния-5 видовых особенностей (уровень значимости Р<10 ), ко-5мплекса условий места пр-5о -израстания (Р=5,91·10 ), сроков вегетации (Р<-150 ), а также взаимодействия этих факторов (Р<10 ) на содержание танинов в листьях древесных растений (табл. 1).
Таблица 1. Динамика содержания танинов в листьях древесных растений, произрастающих в различных категориях насаждений г. Набережные Челны, %
Категория насаждений |
Месяц |
Вид древесного растения |
|||
Tilia cordata Mill. |
Populus balsa-mifera L. |
Acer platanoides L. |
Acer negundo L. |
||
2011 год |
|||||
Зона условного контроля (НСР 05 = 0,01) |
июнь |
0,61 |
0,72 |
0,88 |
0,72 |
июль |
0,95 |
1,10 |
1,16 |
1,17 |
|
август |
1,23 |
1,53 |
1,62 |
1,48 |
|
СЗЗ промышленных предприятий |
июнь |
0,59 |
0,73 |
0,86 |
0,69 |
июль |
1,11 |
1,20 |
1,06 |
1,05 |
|
август |
1,13 |
1,53 |
1,56 |
1,33 |
|
Магистральные посадки |
июнь |
0,58 |
0,75 |
0,84 |
0,66 |
июль |
0,90 |
1,33 |
1,03 |
1,15 |
|
август |
1,16 |
1,53 |
1,61 |
1,31 |
|
2012 год |
|||||
Зона условного контроля (НСР 05 = 0,01) |
июнь |
0,50 |
0,56 |
0,66 |
0,55 |
июль |
0,67 |
0,65 |
0,88 |
0,71 |
|
август |
1,10 |
0,86 |
1,13 |
0,96 |
|
СЗЗ промышленных предприятий |
июнь |
0,38 |
0,56 |
0,66 |
0,53 |
июль |
0,78 |
0,74 |
0,77 |
0,62 |
|
август |
0,96 |
0,88 |
0,96 |
0,92 |
|
Магистральные посадки |
июнь |
0,32 |
0,58 |
0,60 |
0,52 |
июль |
0,73 |
0,77 |
0,74 |
0,67 |
|
август |
0,89 |
0,91 |
0,96 |
0,89 |
Из изученных видов наибольшее количество танинов было отмечено в августе у тополя бальзамического и клена остролистного (1,53 и 1,60% соответственно). В июле у тополя бальзамического в насаждениях СЗЗ промышленных предприятий и в магистральных посадках содержание данного метаболита в листьях увеличивалось на 0,1 и 0,13% по сравнению с его содержанием в насаждениях ЗУК, при НСР 05 =0,01%. К августу содержание танинов в листьях тополя бальзамического выравнивалось по категориям насаждений и составляло 1,53%, что, на наш взгляд, было связано с активацией синтеза данного метаболита в листьях растений в условиях городской среды.
У представителей рода Клен реакция была противоположной. Клен остролистный и клен ясенелистный во все периоды наблюдений (июнь-август) в насаждениях СЗЗ промышленных предприятий и магистральных посадках имели достоверно меньшее содержание танинов в листьях по сравнению с насаждениями ЗУК: в июне, соответственно, на 0,02-0,04 и 0,03-0,06%; в июле – на 0,1-0,13 и 0,020,12; в августе – на 0,01-0,08 и 0,15-0,17%. Полученные результаты свидетельствуют об интенсивном расходовании данного метаболита и его возможном участии в процессах адаптации древесных растений в условиях техногенного стресса.
У липы мелколистной общая тенденция динамики данного метаболита была схожа с представителями рода Клен, однако, наблюдалось некоторое отличие. Оно проявлялось в том, что содержание танинов в листьях в июле у особей, произрастающих в насаждениях СЗЗ промышленных предприятий, возрастало на 0,16% по сравнению с ЗУК, а в августе - снижалось на 0,1%. Следует отметить, что зачаточные цветки липы закладываются в генеративно-ростовых почках и цветение происходит после окончания роста побегов, т.е. позднее, чем у других изучаемых видов.
Таким образом, в конце периода активной вегетации растений в каждой из изучаемых категорий насаждений наблюдался достоверный рост содержания конденсированных танинов в листьях у всех исследуемых нами видов древесных растений (Р<10-5).
В 2012 г. в период вегетации древесных растений сложились менее благоприятные метеорологи -ческие условия, чем в 2011 г. Превышение среднемноголетних температур воздуха составляло 6-10 ° С, а выпадение осадков было значительно ниже нормы.
Дисперсионный многофакторный анализ результатов исследований в 2012 г. выявил существенность влияния видовых особенностей (Р<10-5), комплекса условий места произрастания (Р<10-5), сроков вегетации (Р<10-5), а также взаимодействия этих факторов (Р=6,37^10 " 5), на содержание танинов в листьях древесных растений.
Максимальное количество танинов в листьях отмечалось также в августе у всех изучаемых видов древесных растений, но имелись отличия в характере распределения их по месяцам. У тополя бальзамического в магистральных насаждениях начиная с июня содержание танинов возрастало: на 0,02; в июле - 0,12; в августе - 0,05%, по сравнению с его содержанием в ЗУК (НСР 05 =0,01%). В насаждениях СЗЗ промышленных предприятий возрастание танинов отмечалось лишь в июле и в августе, соответственно на 0,09 и 0,02%. Данный рост говорит об интенсивном синтезе данного метаболита в листьях тополя бальзамического и о его участии в адаптации растения к условиям техногенной среды на протяжении всего периода активной вегетации. У липы мелколистной и представителей рода Клен, произрастающих в техногенных ландшафтах, происходило снижение количества танинов в листьях, в сравнении с данным метаболитом у растений в зоне условного контроля: у липы мелколистной - в июне на 0,12-0,18, в августе на 0,14-0,21%; у клена остролистного и клена ясенелистного - в июне на 0,02-0,06, в июле - 0,04-0,14%, в августе - 0,040,17% соответственно. Сходная тенденция характерна и для 2011 г. и подтверждает ранее полученные данные о том, что конденсированные танины являются активным участником адаптационных процессов у древесных растений в техногенной среде, имея при этом видовые особенности динамики за активный период вегетации растений [8].
Результаты анализа динамики содержания аскорбиновой кислоты в листьях древесных растений приведены в таблице 2. Дисперсионный многофакторный анализ результатов исследований показал, что на содержание изучаемого метаболита в листьях древесных растений достоверное влияние оказали видовые особенности (уровень значимости Р=5,68^10 " 5), комплекс условий места произрастания (Р<10-5), сроки вегетации (Р<10 " 5 5 ) а также взаимодействие этих факторов (Р<10-5). У всех изучаемых видов древесных растений, не зависимо от условий произрастания, количество данного метаболита снижалось в течение вегетации, что свидетельствует о снижении активности окислительно-восстановительных процессов у растений.
В начальный период вегетации у интродуцированных видов, произрастающих в насаждениях санитарно-защитных зон промышленных предприятий и магистральных посадках, отмечалось достоверное повышение содержания аскорбиновой кислоты в листьях в сравнении с показателями зоны условного контроля: у тополя бальзамического на 39,8-115,8; у клена ясенелистного на 109,5-114,3 мг% (НСР 05 =2,4 мг%). К концу периода вегетации у растений магистральных насаждений наблюдалось снижение содержания аскорбиновой кислоты в листьях: у тополя бальзамического на 27,8 и у клена ясенелистного на 73,9 мг%.
В насаждениях санитарных зон промышленных предприятий картина в конце вегетации выглядела иначе. Выявлено достоверное возрастание содержания аскорбиновой кислоты в листьях тополя бальзамического на 24,2 и у клена ясенелистного на 10,0 мг%.
У аборигенных видов (липа мелколистная, береза повислая и клен остролистный), произрастающих в насаждениях СЗЗ промышленных предприятий, содержание аскорбиновой кислоты в листьях по сравнению с контролем повышалось: в июне -на 110,5; 84,8 и 150,5; в августе - на 56,9; 67,5 и 90,6, соответственно. В магистральных насаждениях тенденция была иной: у липы мелколистной и березы повислой, содержание данного метаболита, по сравнению с ЗУК, резко снижалось в июне - на 155,4 и 230, в июле - на 80,2 и 103,7, в августе - на 40,9 и 110,3, соответственно; у клена остролистного, наоборот, происходило возрастание, причем в июне - на 178,5, в июле - на 28,4, в августе - на 2,6 мг%.
Сходная динамика получена ранее в результате научных исследований, проведенных в крупном промышленном центре Уральского региона г. Ижевск [3].
Таким образом, повышение степени техногенной нагрузки приводит к возрастанию содержания аскорбиновой кислоты в листьях у изучаемых видов древесных растений в насаждениях СЗЗ промышленных предприятий.
Таблица 2. Динамика содержания аскорбиновой кислоты в листьях древесных растений, произрастающих в различных категориях насаждений г. Набережные Челны, мг%
Месяц |
Вид древесного растения |
||||
Tilia cordata Mill. |
Populus balsa-mifera L. |
Betula pendula Roth. |
Acer platanoides L. |
Acer negundo L. |
|
Зона условного контроля (НСР 05 = 2,4) |
|||||
июнь |
329,6 |
310,4 |
372,8 |
176,3 |
273,4 |
июль |
186,3 |
150,3 |
222,5 |
120,7 |
206,1 |
август |
133,4 |
112,8 |
188,7 |
104,7 |
153,3 |
Санитарно-защитные зоны промышленных предприятий |
|||||
июнь |
440,1 |
350,2 |
457,6 |
326,8 |
387,7 |
июль |
175,0 |
152,4 |
218,6 |
154,5 |
174,1 |
август |
190,3 |
137,0 |
256,2 |
195,3 |
163,3 |
Магистральные посадки |
|||||
июнь |
174,2 |
426,6 |
142,8 |
354,8 |
382,9 |
июль |
106,1 |
182,7 |
118,8 |
149,1 |
129,3 |
август |
92,5 |
85,0 |
78,6 |
107,3 |
79,4 |
Однако у особей растений в магистральных насаждениях, в условиях наиболее интенсивной техногенной нагрузки, выявлены отличия в динамике содержания аскорбиновой кислоты в листьях. Схожие реакции отмечены лишь у аборигенного вида – клена остролистного, а у остальных изучаемых видов наблюдается достоверное снижение содержания концентрации данного метаболита. На наш взгляд, это свидетельствует о наличии иных физиологических процессов, компенсирующих нега- тивное воздействие техногенной нагрузки в урба-носреде.
Дисперсионный многофакторный анализ результатов исследований показал, что на активность пероксидазы в листьях древесных растений достоверное влияние оказали видовые особенности растений (Р<10-5), комплекс условий произрастания (Р<10-5) и период вегетации (Р<10-5), а также взаимодействие данных факторов (Р<10-5) (табл. 3).
Таблица 3. Динамика активности пероксидазы в листьях древесных растений, произрастающих в различных категориях насаждений г. Набережные Челны, ед. акт.
Месяц |
Вид древесного растения |
||||
Tilia cordata Mill. |
Populus balsami-fera L. |
Betula pendula Roth. |
Acer platanoides L. |
Acer negundo L. |
|
Зона условного контроля (НСР 05 = 0,03) |
|||||
июнь |
1,54 |
1,45 |
1,36 |
2,26 |
2,24 |
июль |
4,21 |
4,07 |
4,00 |
4,29 |
4,15 |
август |
2,38 |
2,49 |
2,81 |
3,14 |
3,18 |
Санитарно-защитные зоны промышленных предприятий |
|||||
июнь |
2,46 |
1,82 |
1,15 |
1,92 |
1,87 |
июль |
3,22 |
3,27 |
2,94 |
3,95 |
3,87 |
август |
1,90 |
2,40 |
1,97 |
2,17 |
2,48 |
Магистральные насаждения |
|||||
июнь |
1,56 |
1,76 |
1,55 |
1,47 |
2,44 |
июль |
3,31 |
2,86 |
3,17 |
3,39 |
4,69 |
август |
1,99 |
2,01 |
1,65 |
2,19 |
3,07 |
Данные биохимических исследований показали, что у аборигенных и интродуцированных видов древесных растений максимальный уровень активности пероксидазы был отмечен в июле. У аборигенных видов березы повислой и клена остролистного динамика была сходной. В техногенных условиях активность пероксидазы в листьях снижалась за весь период активной вегетации: в июне на 0,210,37 ед. акт.; в июле на 0,28–1,06 и в августе на 0,70,84, по сравнению с ЗУК, при НСР05=0,03 ед. акт. У липы мелколистной картина была иной. У особей растений в насаждениях санитарно-защитных зон промышленных предприятий в июне отмечалось достоверное возрастание активности пероксидазы на 0,92 ед. акт. или на 60%, затем наблюдалось снижение, как в насаждениях санитарных зон, так и в магистральных насаждениях: в июле на 0,90-0,99 и в августе на 0,39-0,48, в сравнении с данным показателем у растений в зоне условного контроля.
У интродуцированных видов древесных растений динамика активности пероксидазы в листьях имела специфические особенности. У тополя бальзамического, произрастающего в магистральных насаждениях и санитарных зонах промышленных предприятий, в июне активность пероксидазы была достоверно выше на 0,31-0,37 ед. акт. или 21-26%, соответственно, чем в ЗУК. Далее происходило снижение активности: в июле – на 0,80-1,21 и августе на 0,09-0,48 ед. акт., по сравнению с контролем.
У клена ясенелистного в насаждениях санитарно-защитных зон предприятий происходило снижение активности пероксидазы в листьях за весь период активной вегетации: в июне на 0,37 ед. акт.; в июле – 0,28; в августе – 0,70, в сравнении с активностью пероксидазы у растений зоны условного контроля. В магистральных насаждениях у клена ясенелистного активность пероксидазы в листьях сначала возрастала: в июне на 0,20 ед. акт. или 9%; в июле – 0,54 ед. акт. или 24%, а в августе наблюдалось снижение активности на 0,11 ед. акт. или 4%, по сравнению с контролем.
Таким образом, реакция аборигенных и интродуцированных видов древесных растений на условия техногенной среды специфична.
Динамика накопления танинов и аскорбиновой кислоты в листьях древесных растений имеет видовую специфику. Их содержание возрастает в течение всего периода активной вегетации и достигает максимального значения в августе. Повышение степени техногенной нагрузки приводит к возрастанию содержания аскорбиновой кислоты у изучаемых древесных растений в насаждениях санитарно-защитных зон промышленных предприятий. Конденсированные танины и аскорбиновая кислота, на наш взгляд, являются активными участниками адаптационных процессов у древесных растений в условиях техногенного стресса.
Список литературы Анализ динамики содержания низкомолекулярных и высокомолекулярных соединений в листьях древесных растений в урбаносреде
- Бухарина И.Л., Поварницина Т.М., Ведерников К.Е. Эколого-биологические особенности древесных растений в урбанизированной среде. Ижевск: Ижевская ГСХА, 2007. 216 с.
- Биохимия растений: учебно-метод. пособие/сост. И.Л. Бухарина, О.В. Любимова. Ижевск: Ижевская ГСХА, 2009.
- Бухарина И.Л. Особенности динамики содержания аскорбиновой кислоты и танинов в побегах древесных растений в условиях г. Ижевска//Раст. ресурсы. 2011. № 2. С. 109-117.
- ГОСТ 17.4.3.01.-83. Охрана природы. Почвы. Общие требования к отбору проб. М.: Изд-во стандартов, 1983. 4 с.
- Кулагин А.А. Реализация адаптивного потенциала древесных растений в экстремальных лесорастительных условиях: Автореф. дис.. д-ра биол. наук. Уфа-Тольятти, 2006. 32 с.
- Государственный доклад «О состоянии природных ресурсов и об охране окружающей среды Республики Татарстан в 2011 году» (29.06.2012 г.). URL: http://www. eco.tatarstan.ru/rus/info.php?id=424234 (дата обращения: 15.07.2012).
- Николаевский В.С. Экологическая оценка загрязнения среды и состояния экосистем методами фитоиндикации: учеб. пособие. М.: МГУЛ, 1999. 193 с.
- Чупахина Г.Н. Физиологические и биохимические методы анализа растений. Калининград, 2000. 59 с.
- Bukharina I.L., Kuzmin P.A. Dynamics of tannin contentin the leaves of woody plantsin different plantationcategories (on the example of the town of Naberezhnye Chelny)//Res. Bull. SWorld. Modern scientific research and their practical application. V. J21201. June 2012. P. 776.