Содержание минеральных элементов, пигментов и низкомолекулярных антиоксидантов в листьях Tilia cordata Mill. в транспортной зоне урбанизированных экосистем

Для растений, особенно многолетних древесных, транспортная зона представляет собой экстремальное место обитания из-за постоянного изменения химического состава, физических, физико-химических свойств, а также трансформации микробиологических и биохимических показателей почвы [Еремченко и др., 2010]. Древесные растения придорожных газонов поглощают и нейтрализуют часть атмосферных загрязнений, задерживают опасные пылевые частицы и снижают пагубное воздействие экотоксикантов на городские экосистемы [Сергейчик, 1994]. Городские растения испытывают негативное влияние тяжелых металлов, антигололедных средств, органических загрязнителей, в результате чего происходит нарушение многих физиологических процессов, что отражается на морфофизиологических, анатомических и биохимических показателях [Ильин, 1991].

Древесные растения транспортной зоны постоянно приспосабливаются к меняющимся условиям окружающей среды и служат чрезвычайно интересным объектом в плане изучения механизмов адаптации высших растений к условиям техногенной среды [Бухарина, 2008]. Наиболее широко в научной литературе представлены результаты модельных исследований влияния тяжелых металлов на морфолого-анатомические и физиологобиохимические показатели растений. Биохимические изменения и механизмы устойчивости растений непосредственно в условиях транспортной зоны городов изучены в меньшей степени. В связи с этим чрезвычайно важным является исследование физиолого-биохимических реакций растений на действие комплекса факторов в городских экосистемах.

Цель настоящей работы – установить изменения минерального состава, состояния пигментов и низкомолекулярных антиоксидантов в листьях древесных растений в условиях транспортной зоны городских территорий.

Объекты и методы исследования

В качестве объектов использованы листья липы мелколистной (Tilia cordata Mill.), широко используемой для озеленения транспортной, жилой и пешеходной зон крупных индустриальных центров, отобранные в июле 2015–2016 г г. в разных районах г. Тобольска (Тюменская обл.). Были изучены образцы растений в транспортной зоне – у трех главных и трех второстепенных дорог. Главные дороги отличаются более высокой интенсивностью транспортного движения, по сравнению с второстепенными. Вдоль каждой из шести улиц закладывали по три опытных участка с удалением друг от друга не менее 300 м. Всего было заложено 18 опытных участков. В пределах каждого участка на газонах с пяти деревьев отбирали образцы листьев. В качестве контроля использовали образцы листьев в пешеходной зоне городских парков и скверов (15 опытных участков). На каждом участке листья отбирались в середине июля, в сухую ясную погоду в количестве 50 шт.

Образцы листьев фиксировали в сушильном шкафу при температуре 105 ° С в течение 15 мин., затем сушили при 60 ° С в течение 12 ч.

Определению валового содержания макро-, микроэлементов и токсичных элементов в растительном материале предшествовало мокрое озоление образцов в СВЧ-системе пробопод-готовки; присутствие металлов обнаруживали методом оптической эмиссионной спектрометрии с индуктивно связанной плазмой на приборе Perkin Elmer 7000 DV на базе лаборатории экотоксикологии Тобольской комплексной научной станции УрО РАН.

Содержание пигментов и низкомолекулярных антиоксидантов определяли в свежих листьях липы мелколистной. Содержание хлорофилла а и b определяли спектрофотометрическим методом [Hewitt, Dickes, 1961], глутатиона и аскорбиновой кислоты – методом обращенно-фазной высокоэффективной жидкостной хроматографии на приборе «Ultimate 3000 Dionex» [Руководство по методам…, 2004], общую редуцирующую активность – титриметрическим методом с йодатом калия в присутствии йодистого калия и крахмала [Починок, 1976].

Результаты обрабатывали статистически в программах «Stadia», «Statistica» и «Past3» с использованием описательной статистики (средние величины, стандартное отклонение) и однофакторного дисперсионного анализа (критерий Фишера, показатель наименьшей существенной разности НСР05) на 95% уровне вероятности и регрессионного анализа.

Результаты и их обсуждение

Как показали наши исследования, доля золы в листьях липы мелколистной достоверно увеличивается в транспортной зоне города. Максимальной зольностью обладали листья лип, произрастающих вблизи главных дорог (табл. 1). Доля золы в растениях позволяет охарактеризовать интенсивность накопления минеральных элементов растениями. В условиях урбанизированных экосистем существенный вклад в поступление минеральных веществ в растения вносит атмосферный перенос из различных антропогенных источников [Якушкина, 1990].

В условиях урбанизированных экосистем может существенным образом меняться интенсивность миграции минеральных элементов, в отли- чие от природных экосистем. Наблюдается химическая деформация геохимических циклов миграции веществ [Добровольский, 1998].

Таблица 1

Доля золы в листьях липы мелколистной в транспортной и жилой зонах

Участок отбора проб	Доля золы, %
Главные дороги	9.8±0.3
Второстепенные дороги	9.1±0.1
Контроль (пешеходная зона)	8.1±0.1
НСР 05	0.6

Как видно из табл. 2, в листьях липы мелколистной в транспортной зоне, особенно вдоль главных дорог, существенно увеличивается содержание подавляющего большинства макро-, микроэлементов и свинца по сравнению с этими показателями в пешеходной зоне города. Из токсичных элементов нами исследованы наиболее распространенные в транспортной зоне элементы свинец и кадмий, проявляющие высокую фитотоксичность и обладающие 1 классом экологической опасности [Во-рончихина, Ларионова, 2002]. Нормальная концентрация свинца в растениях составляет 0.2 мг/кг, токсичное действие на растения проявляется при содержании элемента более 1.0 мг/кг. В черте города в листве березы, например, содержание свинца достигает 3.2–4.9 мг/кг. Содержание кадмия в исследованных образцах липы мелколистной было ниже 0.1 мг/кг. В составе фитомассы кадмий может присутствовать в концентрациях от 0.08–0.28 мг/кг [Ворончихина, Ларионова, 2002]. В транспортной зоне города действует широкий комплекс факторов избыточного поступления и накопления минеральных элементов в компонентах урбанизированных экосистем. В табл. 3 обобщены ведущие источники минерального загрязнения транспортных экосистем города.

Таблица 2

Содержание макро-, микро- и токсичных элементов в листьях липы мелколистной в транспортной и жилой зонах, мг/кг

Элемент Участки отбора проб НСР05 Главные дороги Второстепенные дороги Контроль (пешеходная зона) Макроэлементы Al 180±83 141±11 42.1±3.1 15,6 Ca 11718±1004 11545±566 6380±342 750,0 Fe 401±180 321±25 158±44 75,0 Mg 1986±518 2519±292 1461±307 245,0 Na 161±60 240±26 48.0±2.9 18,9 Микроэлементы B 35.2±3.3 34.1±9.6 54.7±11.7 5,6 Cu 11.4±4.0 7.8±0.5 7.0±0.3 0,6 Mn 73.0±5.3 75.1±6.6 9.0±0.7 2,5 Ni 4.8±3.7 3.3±1.4 1.8±0.3 0,7 Zn 37.8±4.3 20.9±1.9 18.8±1.6 2,7 Токсичные элементы Cd н.о. н.о. н.о. -- Pb 3.4±0.6 3.4±0.1 1.1±0.4 0,8 н.о. – содержание не обнаружено (ниже предела обнаружения, т.е. менее 0,1 мг/кг); ± - стандартное отклонение.

Таблица 3

Источники поступления химических элементов в транспортной зоне городов [по Fritsche, Becker, 1992]

Источники и процессы	Элементы
Выхлопные газы	Pb, Ni
Износ проезжей части	Si, Ca, Mg, Al
Износ колес	Cd, Zn, Pb, Cr, Cu, Ni
Износ тормозных колодок	Cr, Cu, Ni, Pb, Zn
Горюче-смазочный материал	Pb, Ni, Zn, Cu, V, Cr
Коррозия автомобилей	Cu, Pb, Zn, Al
Антигололедные средства	Na, Ca, Mg

В древесные растения минеральные элементы могут поступать как через корни из почвы, так и через листовые пластинки из атмосферы урбанизированных территорий [Илькун, 1978].

Одним из условий нормального развития живых организмов является сбалансированность их химического состава. При повышении содержания токсичных и, даже, питательных минеральных элементов происходят изменения физиологических процессов. Одним из важнейших процессов, определяющих рост и продуктивность растений, является фотосинтез. Фотосинтетический аппарат растений проявляет высокую чувствительность к повышению концентрации токсичных элементов в почве и атмосфере [Титов и др., 2007]. При нарушении минерального питания наблюдается сниже- ние содержания хлорофиллов в листьях растений. Как видно из данных, приведенных в табл. 4, содержание хлорофилла а и b в листьях липы мелколистной вблизи главных дорог было достоверно ниже по сравнению с содержанием этого показателя на участках у второстепенных дорог и в пешеходной зоне города.

Таблица 4

Содержание хлорофиллов в листьях липы мелколистной в транспортной и жилой зонах, %

Содержание пигментов	Главные дороги	Второстепенные дороги	Контроль (пешеходная зона)	НСР 05
Хлорофилл a	0.20±0.05	0.26±0.03	0.280±0.003	0.06
Хлорофилл b	0.09±0.02	0.12±0.01	0.140±0.004	0.04
Соотношение хлорофиллов a:b	2.22	3.00	2.000

Результаты настоящих исследований показали, что снижение содержания хлорофиллов в листьях липы по сравнению с этим показателем в листьях липы в пешеходной зоне составило:

у второстепенных дорог – 7,1% для хлорофилла а, 14,3% – для хлорофилла b;

у главных дорог – 28,6% для хлорофилла а, 35,7% – для хлорофилла b.

Основной причиной снижения содержания хлорофилла в растениях является подавление его биосинтеза. Тяжелые металлы негативно влияют на активность ферментов синтеза хлорофилла. При воздействии токсичных элементов подавляется образование активного хлорофиллидредук-тазного комплекса и синтез аминолевулиновой кислоты, снижается активность протохлорофил-лидов и протохлороффиллидоксидоредуктазы. Кроме того, ряд металлов, например кадмий, медь, никель, свинец, цинк, могут вытеснять ионы магния из молекулы хлорофилла. Медь в высоких концентрациях ингибирует связывание хлорофилла с белками светособирающих комплексов [Bhattacharjee, Mukherjee, 2003]. Еще одной из причин снижения содержания хлорофилла выступает нарушение ультраструктуры хлоропластов под действием токсичных элементов [Piovár et al., 2017].

В наших исследованиях показано достоверное снижение содержания хлорофиллов в листьях липы мелколистной в зоне главных дорог на фоне достоверно повышенной концентрации Cu, Ni и Zn (см. табл. 3 и 4).

Деградация общего хлорофилла и соотношение хлорофиллов а и b существенно варьирует от возраста растений, концентрации металлов и работы антиоксидантной системы растений [MacFarlane, 2002]. Согласно данным литературы, хлорофилл b более чувствителен к воздействию солей тяжелых металлов, чем хлорофилл а [Bhattacharjee, Mukherjee, 2003]. В нашей работе также показано более существенное снижение содержания хлорофилла b по сравнению с хлорофиллом а.

В листьях исследованных растений соотношение хлорофилла а к хлорофиллу б увеличивается на 11–50% в транспортной зоне по отношению к пешеходной зоне за счет более существенной деградации хлорофилла b.

Немаловажную роль в механизмах устойчивости растений к окислительному стрессу, вызванному химическим загрязнением, играют низкомолекулярные антиоксиданты. В группу низкомолекулярных антиоксидантов входят аскорбиновая кислота, токоферол, глутатион, убихинон, фенольные соединения и стресс-индуцированные аминокислоты [Чиркова, 2002].

Нами было изучено общее содержание аскорбиновой кислоты и глутатиона, а также общая редуцирующая активность в листьях липы мелколистной в разных участках городских экосистем. Как видно из табл. 5, содержание восстановленных форм низкомолекулярных антиоксидантов и общая редуцирующая активность достоверно снижаются у липы мелколистной в транспортной зоне города по отношению к пешеходной зоне.

Достоверных отличий в содержании низкомолекулярных антиоксидантов в листьях липы мелколистной вблизи проезжих дорог разного типа (главные, второстепенные) не установлено. Наши результаты показывают, что содержание аскорбата и глутатиона достоверно снижается в листьях липы мелколистной в транспортной зоне относительно пешеходной зоны (табл. 5). Общая редуцирующая активность также снижается в транспортной зоне. В ходе нейтрализации активных форм кислорода, восстановленные формы аскорбата, глутатиона и, вероятно, остальных низкомолекулярных антиоксидантов переходят в окисленное состояние за счет передачи электронов, полученных от НАДФН, на свободные радикалы. Кроме того, часть глутатиона участвует в поддержании аскорбата в восстановленном состоянии. Превращение самого глутатиона из окисленной формы осуществляется ферментом глутутионредуктазой с использованием

НАДФН [Толпыгина, 2012], что может нарушаться в условиях антропогенного воздействия. За счет низкомолекулярных антиоксидантов во многом обеспечивается устойчивость хлорофилла [Bhat- tacharjee, Mukherjee, 2003], что также приводит к снижению доли восстановленной формы аскорбата и глутатиона.

Таблица 5

Содержание низкомолекулярных антиоксидантов в листьях липы мелколистной в транспортной и жилой зонах, мг/100 г

Показатель	Главные дороги	Второстепенные дороги	Контроль (пешеходная зона)	НСР 05
Содержание аскорбиновой кислоты	0.31±0.04	0.25±0.05	0.44±0.09	0.07
Содержание глутатиона	0.92±0.11	0.76±0.17	1.36±0.26	0.15
Общая редуцирующая активность	0.48±0.09	0.42±0.10	0.58±0.14	0.07

Заключение

В транспортной зоне достоверно повышается содержание минеральных элементов в листьях придорожных древесных насаждений по отношению к пешеходной зоне. Содержание свинца достигает уровня с токсическим действием. В листьях липы мелколистной наблюдалось снижение содержания хлорофиллов а и б. Хлорофилл б является более чувствительным к антропогенному воздействию пигментом по сравнению с хлорофиллом а, что соответствует имеющимся в литературе данным. За счет участия в окислительном стрессе в условиях транспортной зоны в листьях липы мелколистной происходило снижение содержания аскорбиновой кислоты, глутатиона и общей редуцирующей активности.

Изученные нами физиолого-биохимические свойства листьев липы мелколистной проявляют высокую чувствительность к антропогенному воздействию в транспортной зоне урбанизированных экосистем и могут использоваться при индикации состояния урбанизированных территорий.

Статья подготовлена при финансовой поддержке ФАНО России в рамках темы ФНИ № 04082014-0018 «Анализ состояния фитоценозов Западной Сибири в современных антропогенных условиях».