Реакция пигментной системы сосны обыкновенной (Pinus sylvestris l). на загрязнение окружающей среды

Введение. Загрязнение окружающей среды – одна из самых актуальных проблем современности. В связи с ростом городов, интенсивным развитием промышленности и автотранспорта в атмосферу поступает большое количество токсических компонентов, что приводит к снижению устойчивости и продуктивности природно-антропогенных экосистем.

В городах растительность испытывает наибольшую техногенную нагрузку, здесь наблюдается суммарное воздействие большого числа негативных факторов: выбросы промышленных предприятий и теплоэнергетики, все возрастающие поступления отработанных газов автотранспорта.

Уссурийск является вторым по величине городом Приморского края. Основными источниками загрязнения воздуха на территории г. Уссурийска являются предприятия пищевой индустрии (ОАО «Приморская соя», ОАО «Приморский сахар»), Уссурийский локомотиворемонтный завод, вагонно-рефрижераторное депо, авторемонтный, комбайноремонтный заводы и др.

Высокий уровень загрязнения воздушного бассейна города отмечается в зимний период. Это связано с работой 44 котельных, использованием 30 % населения частного сектора твердого топлива, что существенно снижает экологическую устойчивость зелёной зоны. Согласно данным станции мониторинга г. Уссурийска (16.10.2009):

• -    концентрация бензапирена в 5,1 раза выше нормы;

• -    в 2007 г. среднегодовые концентрации диоксида азота превысили допустимую норму в 2,3 раза, а в 2008 – уже в 3,7;

• -    среднегодовая концентрация пыли в 2005–2006 гг. была на предельном уровне санитарной нормы;

• -    по статистическим данным (форма 2ТП воздух), средняя концентрация примеси свинца в воздухе составляет 0,0028 мг/м³, максимальная – 0,0045 мг/м³;

• -    концентрация SO 2 составляет 0,05мг/м³ (допустимая норма 0,01–0,03 мг/м³) [1].

В настоящее время назрела проблема оценки состояния окружающей среды города Уссурийска с целью разработки действенных мер по ее улучшению. Одним из наиболее информативных методов оценки является биоиндикация.

Наиболее удобными биоиндикаторами атмосферного загрязнения среды являются хвойные деревья, так как они отличаются высокой чувствительностью к повышенным концентрациям токсических веществ в окружающей среде, а также возможностью проведения исследований в течение года.

Как известно, ассимиляционный аппарат растений наиболее чувствителен к влиянию различных неблагоприятных изменений окружающей среды, включая антропогенное воздействие [2]. Содержание хлорофиллов a и b является критерием оценки взаимосвязи растения со средой и фотосинтетической продуктивностью [3].

С целью выяснения влияния аэротехногенных выбросов на фотосинтетический аппарат хвойных нами было изучено содержание пластидных пигментов в хвое сосны обыкновенной ( Pinus sylvestris L.), произрастающей в условиях г. Уссурийска с различной степенью загрязнения.

Объекты и методы исследования. В качестве объекта исследования была выбрана сосна обыкновенная – Pinus sylvestris L., довольно широко применяемая в ландшафтных насаждениях г. Уссурийска.

Исследования проводились в центре города (зона сильного загрязнения), в местах активного транспортного движения, в непосредственной близости от основной транспортной магистрали города – ул. Некрасова. В зону среднего загрязнения входили насаждения вблизи завода ОАО «Приморский сахар». Зона слабого загрязнения включала пригород г. Уссурийска (с. Дубовый ключ). Контролем служила зона, расположенная в экологически чистом районе, в 30 км от города (дендрарий Горнотаёжной станции ДВО РАН).

Содержание пигментов в хвое второго года определяли спектрофотометрически (СФ-56, «ЛОМО», Россия) согласно методике [4]. Сбор материала (хвоя) проводился в течение всего года. Основой расчета концентрации пигментов хлоропластов служили формулы Веттштейна для 100%-го ацетона:

С а = 9,78 х D 662 – 0,99 х D 644 ;

С b = 21,42 х D 644 – 4,65 х D 662 ;

С a+b =5,13 х D 662 + 20,43 х D 644 ;

Скар = 4,69 х D440,5 – 0,268 (Са+b) , где С – концентрация хлорофиллов а, b и каротиноидов, мг/л; D – оптическая плотность в центрах поглощения пигментов – 440,5; 644 и 662 нм.

Содержание пигментов в хвое вычислялось по формуле

А=(С х V) / (P x 1000), где А – содержание пигмента, мг на 1 г сырой навески; С – концентрация пигмента (после расчета по формулам), мг/л; V – объем вытяжки пигмента, мл; Р – навеска хвои, г.

Результаты исследования и их обсуждение. Результаты наших исследований свидетельствуют о наличии ответной реакции пигментной системы ассимиляционного аппарата сосны обыкновенной на загрязнение поллютантами различного генезиса. С увеличением атмосферного загрязнения на пробных участках у сосны обыкновенной наблюдалось уменьшение содержания общего фонда хлорофиллов и каротиноидов по сравнению с контролем (табл.).

Содержание фотосинтетических пигментов в хвое сосны обыкновенной с различным уровнем атмосферного загрязнения

Уровень загрязнения	Содержание, м г/г сырого веса				Отношение
	Хлорофилл a	Хлорофилл b	Каротиноиды	Сумма пигментов	хл.a+хл.b/ кар.	хл.a/ хл.b
Сильный	0,66±0,04	0,24±0,02	0,23±0,01	1,13±0,08	3,91	2,75
Средний	0,71±0,06	0,28±0,07	0,26±0,02	1,25±0,15	3,81	2,54
Слабый	0,76±0,04	0,31±0,05	0,27±0,04	1,34±0,014	3,96	2,45
Контроль	0,92±0,03	0,44±0,02	0,28±0,01	1,64±0,09	4,86	2,09

Согласно полученным данным, в районе сильного и среднего атмосферного загрязнения у исследуемого вида в 1,3–1,5 раза снижалось общее содержание хлорофиллов и каротиноидов за счет светособирающего комплекса, в который входят хлорофилл а и хлорофилл b . Аналогичная ситуация прослеживается с содержанием каротиноидов, оно в 1–1,2 раза ниже в сравнении с контролем. Поллютанты способствуют ослаблению процессов накопления хл. b в большей степени, чем хлорофилла а , увеличивают соотношение а / b, что подтверждается в ряде других работ [5, 6]. Так, соотношение хл.a/хл.b, по мере усиления антропогенной нагрузки, возрастает с 2,09 до 2,75 при норме 2,0–2,3, а соотношение хл.a+хл.b/каротиноиды убывает с 4,86 до 3,81. Падение величины отношения суммы зеленых пигментов к сумме желтых является симптомом неудовлетворительного состояния растения.

О закономерностях сезонных изменений суммарного количества хлорофиллов а и b можно судить по данным, представленным на рисунке 1.

□ контроль

□ среднезагрязненный район

□ слабозагрязненный район

□ сильнозагрязненный район

Рис. 1. Сезонная динамика суммарного содержания хлорофиллов а и b в хвое сосны обыкновенной, произрастающей в различных по загрязненности районах

В течение вегетационного периода максимальное содержание зеленых пигментов, как в контроле, так и у деревьев, произрастающих в условиях загрязнения, приходится на июнь-июль. При этом содержание хлорофиллов по мере ухудшения состояния среды претерпевает изменения. Так, серьезное усиление ан- тропогенной нагрузки, как это происходит в зоне сильного загрязнения (центр города), приводит к снижению содержания фотосинтетических пигментов в 1,3–1,5 раза летом и в 1,0–1,4 раза в зимние месяцы в сравнении с контролем. Это можно объяснить частичным разрушением пигментной системы хвойных.

В отличие от зеленых пигментов, количество каротиноидов в осенне-зимний период имеет тенденцию к росту. Как следует из представленных материалов, количество желтых пигментов с октября по февраль возрастает с 0,27 до 0,32 мг/г сырого веса (контроль), в зоне среднего загрязнения содержание каротиноидов падает до уровня 0,24–0,27 мг/г, а в городской черте этот показатель соответствует 0,26–0,30 мг/г (рис. 2). Это обусловлено тем, что в зимнее время каротиноиды выполняют защитную функцию – сохраняют хлорофиллы от избытка солнечной радиации.

■ среднезагрязненный район ■ сильнозагрязненный район

Рис. 2. Сезонная динамика содержания каротиноидов в хвое сосны обыкновенной, произрастающей в различных по загрязненности районах

Проведенные нами исследования показывают, что в условиях городской среды в хвое сосны наблюдается низкий уровень содержания фотосинтетических пигментов (хлорофиллов и каротиноидов) по сравнению с фоновыми условиями (рис.3). Так, сумма пигментов в контроле варьировала с 1,08 до 2,00 мг/г сырого веса, в городе с 0,89 до 1,52 мг/г. Необходимо отметить, что в зимнее время, когда усиливается антропогенная нагрузка от работы многочисленных котельных, содержание зеленых и желтых пигментов уменьшается в большей степени, чем в летний период (рис.3).

□ контроль                       □ слабозагрязненный район

□ среднезагрязненный район       □ сильнозагрязненный район

Рис. 3. Сезонная динамика суммарного содержания хлорофиллов и каротиноидов в хвое сосны обыкновенной, произрастающей в различных по загрязненности районах

Таким образом, пигментный аппарат сосны обыкновенной проявляет повышенную чувствительность на поллютанты городской среды, что выражается в снижении общего количества пластидных пигментов.

Выводы. Установлено, что загрязнение газообразными поллютантами оказывает влияние на пигментную систему сосны обыкновенной. Снижение накопления хлорофиллов и каротиноидов и их деструкция приводят к изменению активности фотосинтетического аппарата, что в конечном итоге отражается на росте и продуктивности деревьев. Таким образом, результаты исследований подтверждают возможность оценки состояния городской среды по количественным показателям работы фотосинтетического аппарата. А пигментный комплекс сосны обыкновенной может служить своеобразным маркером уровня антропогенной загрязненности территории.