Особенности содержания основных пигментов фотосинтеза в листьях тополя бальзамического (Populus balsamifera L.) в течение вегетационного периода на территории города Уфы

В настоящее время антропогенные факторы и техногенез определяют состояние органического мира и перспективы его развития [1-6] и оказывают негативное влияние на живые организмы, которое сравнимо по своим масштабам и значению с такими важнейшими факторами, как температура, свет, вода.В критических экологических ситуациях оказываются лесная растительность и лесообразующие виды, произрастающие в условиях техногенного загрязнения. Исследования особенностей содержания основных пигментов фотосинтеза в листьях растений позволяют определить степень воздействия на организм негативных факторов, а также направленность и стратегию адаптивных изменений [7].

Цель работы: изучение особенностей адаптивных реакций древесных растений в условиях нефтехимического загрязнения г. Уфы.

Методика исследования. В ходе исследования были рассмотрены изменения содержания основных пигментов фотосинтеза в листьях тополя бальзамического ( Populus balsamifera L.) в условиях нефтехимического загрязнения в течение вегетационного периода (2010-2012 гг.). Эти древесные растения были выбраны в качестве объектов исследований ввиду их широкого использования для создания санитарно-защитных

насаждений. Исследовались древесные насаждения, располагающиеся на разном удалении от основного источника нефтехимического загрязнения (группа Уфимских НПЗ в северной части города). Относительным контролем были выбраны насаждения на территории Юматовского лесничества Уфимского лесхоз-техникума, пос. Уптино. Расположение пробных площадей показано на рис. 1.

Для определения содержания пигментов в листьях образцы растительного материала отбирали из средней части кроны не менее чем с 20 деревьев, произрастающих в средних рядах лесонасаждений. Отбор листьев производили в течение дня 6 раз (в 8.00, 12.00, 15.00, 18.00, 21.00, 24.00 часов). Листья измельчали, после чего навески массой 0,1 г, взвешенные на весах Zaklady mechaniki precyzyjnej (Poland), помещали в пробирки и заливали 10 мл 96%-го этилового спирта. Затем пробирки со спиртом и измельченным растительным материалом помещали в темное помещение во избежание разрушения пигментов фотосинтеза на свету. По прошествии 12 часов проводили измерения содержания пигментов фотосинтеза – хлорофиллов А и В, а также каротиноидов методом спектрофотометрии с использованием спектрофотометра КФК-5М (Россия). Для определения содержания пигментов в листьях тополя бальзамического использовали формулы Виттштейна. В последующем многолетние данные о содержании пигментов фотосинтеза в листьях усредняли, таким образом, на рисунках представлены средние значения за все годы исследований.

Рис. 1. Карта-схема расположения пробных площадей на территории г. Уфы:

1 – группа Уфимских НПЗ – зона II повышенного загрязнения, 2 – Республиканский выставочный центр, Октябрьский р-н г. Уфы и 3 – парк имени «Лесоводов Башкирии», Октябрьский р-н г. Уфы – зона I умеренного загрязнения, 4 – Юматовское лесничество Уфимского лесхоз-техникума, д. Уптино – зона «относительного» контроля)

Результаты и их обсуждение. В течение вегетационного периода рассматривали содержание хлорофиллов А и В, каротиноидов и общее содержание пигментов в листьях растений в течение суток, а также изменение соотношения хлорофиллов и каротиноидов. В начале вегетационного периода отмечается влияние загрязнения на количество хлорофиллов в листьях. В зоне I превышение контрольных значений составляет 0,05-0,39 мг/г и снижение на 0,07-0,1 мг/г. В зоне II отклонения возрастают: в большинстве случаев значения выше контроля (на 0,07-0,37 мг/г), также отмечено однократное снижение на 0,29 мг/г. Из полученных результатов также видно, что степень загрязнения окружающей среды влияет на количество каротиноидов. Отмечается стабильное снижение данного показателя относительно контроля. В зоне I отклонения выражены сильнее: превышение контроля отмечено один раз (на 0,06 мг/г), в остальные замеры оказались ниже контроля на 0,04-0,21 мг/г. В зоне II все значения ниже контрольных на 0,010,19 мг/г.

Таким образом, влияние загрязнения и степени загрязнения сказывается на содержании общего количества пигментов. Загрязнение приводит как к увеличению, так и снижению общего содержания пигментов по сравнению с контрольными значениями. Установлено, что степень загрязнения влияет на общее содержание пигментов в листьях и усиление загрязнения приводит к увеличению отклонений значений относительно контроля (рис. 2).

Рис. 2. Содержание общего количества пигментов в листьях тополя бальзамического в начале вегетационного периода на территории Уфимского промышленного центра

Исследовали влияние загрязнения на соотношение пигментов в листьях (рис. 3). В загрязненных зонах увеличивается доля хлорофиллов в общем количестве пигментов. При этом показано, что в зоне II доля хлорофиллов в этом соотношении несколько выше. Влияние загрязнения на содержание пигментов отмечается и в середине вегетации. В зоне I в большинстве случаев отмечается повышение значений относительно контроля (на 0,01-0,16 мг/г), а незначительное снижение (на 0,02 мг/г) было определено один раз в 12.00 часов. В зоне II напротив, чаще наблюдается снижение количества хлорофиллов (меньше контроля на 0,02-0,08 мг/г) и один раз (8.00 ч) определено значительное превышение контроля на 0,21 мг/г. Отмечено значительное влияние загрязнения и степени загрязнения на содержание каротиноидов. В обеих зонах наблюдается заметное снижение значений относительно контроля. Увеличение загрязнения приводит к большему снижению каротиноидов. В зоне I значения ниже контроля на 0,04-0,13 мг/г, а в зоне II на 0,04-0,16 мг/г.

Рис. 4. Содержание общего количества пигментов в листьях тополя бальзамического в середине вегетационного периода на территории Уфимского промышленного центра

Влияние загрязнения и степени загрязнения сказывается на содержании общего количества пигментов (рис. 4). В зоне I отмечаются отклонения выше (на 0,03-0,06 мг/г) и ниже (на

0,03-0,15 мг/г) контрольных значений. Рост загрязнения приводит к увеличению отклонений. В зоне II в большинстве случаев общее количество пигментов снижено (0,06-0,21 мг/г). Отмечено влияние загрязнения на соотношение пигментов в листьях (рис. 5). В загрязненных зонах доля каротиноидов в общем количестве пигментов снижается. Наблюдается влияние степени загрязнения на это соотношение: в более загрязненной зоне доля каротиноидов несколько ниже.

Рис. 3. Соотношение хлорофиллов и каротиноидов в листьях тополя бальзамического в начале вегетационного периода на территории Уфимского промышленного центра

Рис. 4. Содержание общего количества пигментов в листьях тополя бальзамического в середине вегетационного периода на территории Уфимского промышленного центра

Рис. 5. Соотношение хлорофиллов и каротиноидов в листьях тополя бальзамического в середине вегетационного периода на территории Уфимского промышленного центра

В конце вегетационного периода также наблюдается влияние загрязнения на количество пигментов. В зоне I в утренние и дневные часы наблюдается значительное превышение контрольных значений (на 0,2-0,51 мг/г). К вечеру эти отклонения невелики и содержание хлорофиллов становится близким к норме (выше на 0,04 мг/г и ниже на 0,02 мг/г). В зоне II отмечены значения как ниже контроля (на 0,11-0,37 мг/г), так и выше контроля (на 0,03-0,19 мг/г). Были получены результаты, показывающие влияние загрязнения и степени загрязнения на количество каротиноидов в листьях. В зоне I в большинстве случаев содержание каротиноидов по сравнению с контролем увеличено (0,01-0,17 мг/г) и один раз отмечается значение ниже контроля на 0,03 мг/г. В зоне II, напротив, содержание каротиноидов снижено относительно контроля (на 0,02-0,11 мг/г). Исключением является одно значение, полученное в 12.00 часов (выше на 0,03 мг/г).

Рис. 6. Содержание общего количества пигментов в листьях тополя бальзамического в конце вегетационного периода на территории Уфимского промышленного центра

Таким образом, в конце вегетационного периода можно отметить влияние загрязнения и степени загрязнения на общее количество пигментов. Показано, что зона I характеризуется повышением значений относительно контроля (на 0,06-0,17 мг/г). В зоне II диапазон отклонений шире. Общее содержание пигментов в листьях превышает контроль (0,09-0,17 мг/г), либо ниже контроля (0,07-0,43 мг/г). Влияние загрязнения на соотношение пигментов в листьях оказалось невелико (рис.7). Зона I характеризуется небольшим увеличением доли хлорофиллов в общем количестве пигментов. В зоне повышенного загрязнения соотношение хлорофиллов и каротиноидов в общем количестве пигментов близко к контрольным значениям.

Рис. 7. Соотношение хлорофиллов и каротиноидов в листьях тополя бальзамического в конце вегетационного периода на территории Уфимского промышленного центра

В табл. 1 приведены обобщенные результаты, полученные в течение вегетационного периода. Показаны тенденции изменения содержания пигментов фотосинтеза, указывающие на особенности функционирования хлорофилл-белкового комплекса растений в условиях загрязнения окружающей среды.

Таблица 1. Тенденции сезонных изменений содержания пигментов фотосинтеза в листьях тополя бальзамического на территории Уфимского промышленного центра

Степень загрязнения		Изменение количества пигментов относительно контрольных значений, мг/г
		июнь	июль	август
количество хлорофиллов	Зона I	больше на 0,05-0,39 меньше на 0,07-0,10	больше на 0,01-0,16 меньше на 0,02	больше на 0,04-0,51 меньше на 0,02
	Зона II	больше на 0,07-0,37 меньше на 0,29	больше на 0,21 меньше на 0,02-0,08	больше на 0,03-0,19 меньше на 0,11-0,37
количество каротиноидов	Зона I	больше на 0,06 меньше на 0,04-0,21	меньше на 0,04-0,13	больше на 0,01-0,17 меньше на 0,03
	Зона II	меньше на 0,01-0,19	меньше на 0,04-0,16	больше на 0,03 меньше на 0,02-0,11
общее количество пигментов	Зона I	больше на 0,23-0,45 меньше на 0,02-0,31	больше на 0,03-0,06 меньше на 0,03-0,15	больше на 0,06-0,51
	Зона II	больше на 0,01-0,30 меньше на 0,48	больше на 0,09 меньше на 0,06-0,21	больше на 0,09-0,17 меньше на 0,07-0,43

Выводы: исследования, проведенные в течение вегетационного периода, показали заметное влияние загрязнения и степени загрязнения на количество пигментов в листьях. В течение вегетации в зоне I в большинстве случаев отмечается увеличение количества хлорофиллов в листьях по сравнению с контрольными значениями. Также в начале и середине вегетации проявляется заметное снижение количества каротиноидов. В конце вегетационного периода диапазон отклонений увеличивается, а содержание каротиноидов чаще превышает контроль.

Начало и середина вегетационного периода характеризуется как увеличением, так и снижением общего количество пигментов. В конце вегетации отмечено значительное увеличение общего количества пигментов в листьях относительно контрольных значений.

В зоне II в начале вегетационного периода наблюдается увеличение количества хлорофиллов и снижение каротиноидов относительно контроля. В середине вегетации общее содержание пигментов по сравнению с контрольными значениями заметно снижается. Конец вегетации характеризуется как снижением, так и увеличением количества хлорофиллов относительно контроля. Содержание каротиноидов в большинстве случаев оказалось ниже контрольных значений.

Влияние степени загрязнения на общее количество пигментов проявляется увеличения отклонений по сравнению с контрольными значениями. В течение вегетационного периода возрастает тенденция к увеличению общего содержания пигментов в зоне с меньшим загрязнением.