Влияние токсикантов на растения в придорожной зоне автотрассы «Тюмень - Петропавловск»

Для ссылок:

Семенова, В.А. Влияние токсикантов на растения в придорожной зоне автотрассы «Тюмень –

Петропавловск» / В.А. Семенова, А.И. Николаев. – DOI 10.24419/LHI.2304-3083.2020.2.13. – Текст : электронный // Лесохоз. информ. : электронный сетевой журнал. – 2020. – № 2. – С. 144–152. URL:

С овременное состояние окружающей природной среды в промышленно развитых регионах и городах России отличается высоким техногенным загрязнением, которое зачастую превышает допустимые гигиенические нормы. Актуальность исследований обусловлена опасным возрастанием концентрации техногенных выбросов, в том числе связанных с увеличением числа автотранспортных средств, при экологическом несовершенстве двигателей внутреннего сгорания и топлива [1].

Выбросы веществ автотранспортными средствами вызывают химическое загрязнение почвы и воздушной среды. В придорожных зонах наблюдаются высокие концентрации тяжелых металлов (ТМ), особенно свинца, сажи, нефтепродуктов, а также увеличение кислотности почв за счет сорбции влагой кислых газов — оксидов азота и серы [2].

Цель работы – проанализировать качественные показатели роста древесных и травянистых растений в связи с воздействием антропогенных загрязнителей в придорожной зоне, прилегающей к автотрассе Е125 в границах Казанского района Тюменской обл.

Материалы и методы исследования

Влияние токсикантов исследовали в придорожной зоне в приспевающих и спелых древостоях сосны обыкновенной ( Pinus sylvestris ) и березы повислой ( Betula pendula ), а также на травянистых растениях – подорожнике большом ( Plantago major ) и одуванчике полевом ( Taraxacum officinale ).

У древесных растений определяли количество листьев и хвои на 10-сантиметровом побеге, их длину и ширину, а также количество зубчиков у листьев, длину и ширину верхушечной почки. Дополнительно были проанализированы показатели изменения дендрохронологических признаков по годичным кольцам древесных растений в сопоставлении с морфометрическими и биохимическими показателями, для чего были отобраны керны в количестве 50 шт. каждой породы по каждому из вариантов анализа и в контроле. Керны взяты из спелых и приспевающих деревьев (по классам возраста) в равных долях.

У травянистых растений определяли число листьев в розетке, зубчиков на листьях, цветоносов; измеряли длину и ширину листьев.

Для исследования биохимических показателей были отобраны и заморожены образцы побегов, листьев и хвои – по 50 шт. каждого вида. В лабораторных условиях проанализирована концентрация пигментов фотосинтеза в листьях [3], определено содержание диеновых конъюгатов и оснований Шиффа [4], выявлены фенольные соединения в листьях [5]. В качестве контроля отобраны аналогичные образцы в отдалении от автотрассы (не менее 2 км).

Результаты исследований

Анализ морфометрических показателей у древесных растений позволил установить, что в результате воздействия антропогенных загрязнителей у березы наблюдалось уменьшение количества листьев на побегах и увеличение числа зубчиков на листе, а у сосны – увеличение числа хвоинок по сравнению с контролем (при достоверном различии р < 0,05). Вероятно, хвойные растения, имея меньшую площадь листовой поверхности, реагируют на загрязнение, усиливая фотосинтетическую активность за счет плотности расположения хвои. У травянистых растений отмечено следующее: у одуванчика количество и листьев, и зубчиков было меньше, чем в контроле (р > 0,05); у подорожника выявлено уменьшение длины листа и длины цветоноса (р > 0,05). Таким образом, у травянистых растений зафиксировано более существенное снижение морфометрических показателей (табл. 1). Вероятно, различие в ответных реакциях древесных и травянистых растений, отражающихся на значениях морфометрических показателей, связано с разной чувствительностью и адаптацией.

Из проанализированных показателей у сосны отмечается уменьшение по сравнению

Таблица 1. Морфометрические и биохимические показатели образцов, отобранных в придорожной зоне вдоль автотрассы

Вариант отбора образцов Число, шт. Средняя, см Диеновые конъюгаты, усл. ед. Основания Шиффа, усл. ед листьев/ хвои на побеге зубчиков на листе длина листа/хвои ширина листа/хвои длина цветоноса длина верхушечной почки Береза Зона вдоль автотрассы 5,9±0,2 44,5±1,0 6,8±0,2 3,9±0,1 - 0,8±1,2 72,9±1,1 1,2±0,2 Контроль 7,0±0,2 40,3±1,2 7,4±0,3 3,8±0,2 - 1,3±0,2 67,4±1,5 1,5±0,3 Сосна Зона вдоль автотрассы 99,1±1,7 - 5,9±0,2 - - 0,6±0,1 72,2±0,2 0,3±0,2 Контроль 89,1±1,1 - 5,8±0,2 - - 0,7±0,0 55,9±1,3 0,1±0,2 Одуванчик Зона вдоль автотрассы 5,7±0,6 44,0±1,5 19,6±0,2 2,3±0,3 - - 52,5±1,2 2,1±0,9 Контроль 31,7±1,2 61,8±0,7 17,6±0,2 2,1±0,3 - - 38,8±1,2 2,7±0,4 Подорожник Зона вдоль автотрассы 6,4±0,1 - 15,2±0,3 7,6±0,4 26,9±0,9 - 30,0±1,6 0,6±0,4 Контроль 5,5±0,1 - 18,1±0,4 7,6±0,3 28,9±1,1 - 25,4±1,9 1,3±0,0 с контролем только длины верхушечной почки, у березы – уменьшение количества и длины листьев. По остальным показателям влияние загрязнителей было незначительным и проявлялось в стимулирующем эффекте малых доз токсиканта (эффект сверхмалых доз) [6].

Наряду с морфометрическими показателями, были исследованы биохимические показатели клеток растений. Одним из показателей, отражающих степень повреждения клеток, является перекисное окисление липидов (ПОЛ). Уровень возникающих в клетках нарушений регистрировали по содержанию первичных продуктов перекисного окисления – диеновых конъюгатов, а также вторичных продуктов ПОЛ – оснований Шиффа (см. табл. 1). У всех растений выявлено достоверное увеличение (р < 0,05) содержания первичных продуктов ПОЛ, что свидетельствует о высоком уровне повреждений в клетках как древесных, так и травянистых растений, произрастающих в придорожной зоне.

Содержание оснований Шиффа, являющихся вторичными продуктами ПОЛ, не отличается от уровня контроля у березы, сосны и одуванчика, что свидетельствует об их способности восстанавливать возникающие в клетках диеновые коньюгаты. У подорожника содержание оснований Шиффа ниже уровня контроля (р < 0,05).

Вероятно, первоначальные повреждения при окислительном стрессе проявляются прежде всего в увеличении концентрации диеновых конъюгантов. Содержание первичных продуктов ПОЛ (диеновых конъюгатов) у растений увеличивалось по отношению к контролю, что указывает на повреждающее действие токсиканта.

Можно утверждать, что сбалансированность между перекисным окислением, с одной стороны, и антиоксидантной активностью, с другой, является необходимым условием поддержания нормальной жизнедеятельности клетки растений. Учитывая необходимость сохранения перекисно-антиоксидантного равновесия в стационарном режиме, можно предположить, что его смещение является одним из первых неспецифических звеньев в развитии стресс-ре-акции и может служить, согласно В.А. Барабою [7], тем биологически важным изменением внутренней среды клетки, которое запускает другие механизмы защиты. Продукты ПОЛ могут являться как индукторами, так и первичными медиаторами стресса как особого состояния клетки, которое может привести к повышению ее резистентности [8].

Широко распространенным показателем для индикации нарушений роста и развития растений, вызванных действием загрязняющих воздух веществ, является содержание хлорофилла. Известно, что содержание пигментов характеризует потенциал фотосинтетической способности растений, являясь средством регулирования количества поглощенной световой энергии. Содержание хлорофиллов и каротиноидов в норме стабильно, но быстро реагирует на экстремальные факторы среды, что подтверждается проведенными анализами (табл. 2). Анализируя результаты, следует отметить наличие ответной реакции пигментной системы как древесных, так и травянистых растений на загрязнения токсикантами различного генезиса. Из литературных источников известно, что подавление или стимуляция фотосинтеза является одной из показательных характеристик ответной реакции организма на действие токсиканта, а также на нарушение тонкой структуры хлоропластов. Подобные изменения в плазменной мембране могут быть причиной сдвигов в фотосинтезе и синтезе пигментов [9].

Анализ образцов, взятых в зоне вдоль автотрассы, на содержание пигментов фотосинтеза показал, что у березы количество основного пигмента фотосинтеза – хлорофилла А – не меняется (р > 0,05), а хлорофилла В и каротиноидов – увеличивается (р < 0,05). У сосны количество всех пигментов фотосинтеза в клетках снижается (р < 0,05). У травянистых растений количество всех пигментов фотосинтеза ниже, чем в контроле (р < 0,05).

Можно сделать вывод, что клетки березы, произрастающей вдоль автодороги, в развитии не лимитированы содержанием пигментов. У сосны, напротив, на загрязненном участке концентрация всех пигментов в 2,3 раза ниже контрольных показателей (р > 0,05). Одуванчик, имеющий изначально большую концентрацию пигментов, является более устойчивым к к воздействию токсикантов.

Следует обратить внимание на содержание каротиноидов в клетках растений. У всех растений, собранных в придорожной зоне, кроме березы, концентрация каротиноидов снижена по сравнению с контролем (р < 0,05). Известно, что каротиноиды могут выполнять антиоксидантные функции, защищая клетки от повреждений, и снижение их количества напрямую связано с расходованием на восстановительные процессы в клетках, что объясняет их стабильное

Таблица 2. С одержание пигментов фотосинтеза в образцах

Вариант анализа Концентрация, мг/100 г Сумма пигментов, мг/100 г хлорофилла А хлорофилла В каротиноидов Береза Зона вдоль автотрассы 16,9±1,5 34,2±1,2 31,6±1,0 82,7±3,6 Контроль 14,1±1,7 29,4±1,7 28,8±1,1 72,3±4,4 Сосна Зона вдоль автотрассы 21,6±0,6 41,4±1,7 33,0±0,9 96,0±3,2 Контроль 52,0±1,5 98,6±1,8 73,3±1,3 223,9±4,5 Одуванчик Зона вдоль автотрассы 184,3±1,0 282,3±0,1 156,5±1,9 623,1±2,9 Контроль 248,5±1,8 328,8±1,2 226,2±1,8 803,5±4,8 Подорожник Зона вдоль автотрассы 17,7±1,4 35,4±1,2 30,6±0,3 83,7±2,9 Контроль 36,6±1,1 70,6±1,4 55,3±0,1 162,5±2,6 количество у березы, на которую токсиканты влияют в меньшей степени.

У древесных растений и подорожника анализ содержания фенолов (табл. 3) показал отсутствие различий между контролем и образцами, отобранными в придорожной зоне (р > 0,05). Изменение количества фенольных соединений установлено только в листьях одуванчика, где оно увеличилось (р < 0,05) по сравнению с контролем.

Полученные результаты можно объяснить основной функцией фенолов в клетках, которая заключается в защите от негативного влияния факторов внешней среды. Являясь сильными акцепторами, фенольные соединения проявляют антиоксидантное действие: связывают ионы

Таблица 3. Содержание фенольных соединений в образцах

Образец

Фенольные соединения, мг/10 г

Сосна

Береза Одуванчик Подорожник зона вдоль автотрассы

контроль

7,8±0,5

17,7±1,0 14,0±0,5

9,9±0,5

9,4±1,0 16,0±0,4 10,9±0,5 10,9±1,6

Годичные приросты, см

0,8

0,7

0,75

Сосна контроль

Береза контроль

Береза, зона вдоль трассы

Сосна, зона вдоль трассы

Показатели хода роста деревьев за 15-летний период: µ – средний годовой прирост; min, max – минимальные и максимальные годовые приросты; x(AnBn) – отношение приростов по фенологическим сезонам «ранней» и «поздней» древесины при нормальных условиях (н.у.) роста деревьев, когда A>B хода тяжелых металлов в устойчивые комплексы, лишая их каталитического действия; служат акцепторами образующихся при аутоксидации свободных радикалов, поэтому способны гасить свободно радикальные цепи; хинонные формы фенолов, особенно энергично взаимодействуя с белками, могут вызывать их дубление. У одуванчика, вероятно, более активно работают системы антиоксидантной защиты, с чем связано повышенное содержание фенолов [10].

Дендрохронологический анализ древесных образцов [11] показал явное различие в приростах деревьев, подверженных загрязнению и произрастающих без техногенного воздействия автодорог (рисунок). Диаграммы хода роста березы и сосны за последние 15 лет (до осени 2018 г.) свидетельствуют о снижении общего прироста при изменении факторов внешней среды.

Диаграмма хода роста показывает, что происходит снижение не только среднего годового значения радиального прироста деревьев, произрастающих в загрязненной придорожной зоне, но и минимальных и максимальных значений сезонных приростов по всем исследованным древесным породам. При этом амплитуда колебаний х(АnВn) радиальных приростов между фенологическими сезонами «ранней» А и «поздней» В (при нормальных условиях роста деревьев, когда А > В) увеличилась, что отражает более острую реакцию на изменение условий внешней среды (табл. 4). Амплитуда значений прироста березы изменилась на 2%, сосны – на 12%, что подтверждает выводы, сделанные нами в процессе исследования, о большей чувствительности сосны к токсикантам.

С целью установления санитарного состояния насаждений было отобрано по 50 деревьев каждой породы [12]. В ходе анализа выявлено, что число деревьев с пороками (наличие изменений формы ствола, трещин, пороков строения древесины, грибных поражений, биологических повреждений, болезней листвы – более 30% кроны) на загрязненной территории больше, чем в контроле на 14% по березе и на 32% по сосне (табл. 5).

Таблица 4. Изменение амплитуды сезонных радиальных приростов

Показатель	Сосна		Береза
	зона вдоль автотрассы	контроль	зона вдоль автотрассы	контроль
Средний годовой прирост, µ, %	36,6	24,7	15,1	13,3
Минимальный годовой прирост, min, %	5,3	7,7	1,1	5,6
Максимальный годовой прирост, max, %	60,0	42,4	25,0	22,4

Таблица 5. Количество деревьев с пороками, шт./%

Вариант анализа	Зона вдоль автотрассы	Контроль
Береза	16/32	9 /18
Сосна	22/44	6 /12

Выводы

У всех растений, произрастающих в придорожной зоне, выявлено достоверное увеличение содержания первичных продуктов ПОЛ от 8 до 35%, что свидетельствует о высоком уровне повреждений в клетках растений. При этом у березы содержание пигментов фотосинтеза увеличено на 13%, а у сосны, подорожника и одуванчика снижено на 23–57%. Содержание фенольных соединений находится в пределах контрольных значений, кроме увеличения на 28% у одуванчика.

В результате сопоставления результатов проведенных исследований установлена необязательная детерминированность степени негативного влияния токсикантов придорожной зоны с морфометрическими и биохимическими показателями растений. Так, при увеличении большинства морфометрических и биохимических показателей у березы и сосны наблюдается снижение прироста. Это сказывается на увеличении числа деревьев с различными пороками (у березы – на 14%, у сосны – на 32%). Это объясняется процессами адаптации древесных растений к повышенным концентрациям токсикантов, что проявляется во внешних ложноположительных признаках (увеличение количества хвоинок сосны и числа зубчиков на листьях березы >10%, идентичность остальных признаков контрольному значению). В ответ на лимитирующие рост и развитие растений факторы внешней среды расход питательных веществ на адаптацию приводит у древесных растений к резкому снижению роста. Амплитуда колебаний сезонных приростов увеличилась (у сосны – на 12%, у березы – на 2%).

Выявлена сопоставимость реакций травянистых и древесных растений на наличие токсикантов. У березы они идентичны показателям одуванчика, а у сосны – подорожника. Дальнейшие исследования в этом направлении обеспечат возможность по морфометрическим и биохимическим характеристикам травянистых растений идентифицировать действительное состояние определенных древесных растений. Это позволит упростить оценку состояния придорожных лесных насаждений.