научная статья по теме СТРУКТУРНО-ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ ПОКАЗАТЕЛИ ВЫСШИХ ВОДНЫХ РАСТЕНИЙ ИЗ МЕСТООБИТАНИЙ С РАЗНЫМ УРОВНЕМ АНТРОПОГЕННОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ Биология

Текст научной статьи на тему «СТРУКТУРНО-ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ ПОКАЗАТЕЛИ ВЫСШИХ ВОДНЫХ РАСТЕНИЙ ИЗ МЕСТООБИТАНИЙ С РАЗНЫМ УРОВНЕМ АНТРОПОГЕННОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ»

ВЫСШАЯ ВОДНАЯ РАСТИТЕЛЬНОСТЬ

УДК 556.18: 581.5

СТРУКТУРНО-ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ ПОКАЗАТЕЛИ ВЫСШИХ ВОДНЫХ РАСТЕНИЙ ИЗ МЕСТООБИТАНИЙ С РАЗНЫМ УРОВНЕМ АНТРОПОГЕННОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ © 2010 г. Н. В. Чукина, Г. Г. Борисова

Уральский государственный университет, 620083 г. Екатеринбург, ул. Ленина, 51, e-mail: nady_dicusar@mail.ru Поступила в редакцию 17.03.2008 г.

Изучены химический состав, параметры фотосинтетического аппарата, система антиоксидантной защиты у высших водных растений из местообитаний с разным уровнем антропогенного воздействия. Проведен анализ поглотительной способности растений по отношению к тяжелым металлам.

Ключевые слова: высшие водные растения, макрофиты, антропогенное воздействие, загрязнение водной среды, физиолого-биохимические адаптации.

ВВЕДЕНИЕ

Биосфера испытывает все возрастающее влияние антропогенной деятельности. В связи с этим актуальная экологическая проблема — изучение путей адаптации живых организмов к загрязнению среды обитания. Наиболее чувствительны к антропогенному воздействию компоненты природной среды — водные объекты. Водные макрофиты — важное звено пресноводных экосистем. Благодаря тесной связи с водной средой они быстро реагируют на изменение ее состава.

Качество воды большинства водных объектов Российской Федерации не отвечает нормативным требованиям [2, 13]. Особую актуальность представляет изучение механизмов устойчивости мак-рофитов к антропогенному загрязнению водных экосистем. Способность растений аккумулировать из водной среды биогенные вещества и токсичные элементы, в том числе тяжелые металлы (ТМ), показана многими исследователями [8, 20, 23]. В то же время мало сведений об изменении физиолого-биохимических показателей макрофитов при загрязнении водной среды [6, 11].

Цель работы — изучение структурно-функциональных показателей высших водных растений при разных уровнях антропогенного воздействия на водные экосистемы для выявления их адаптационных возможностей. Адаптации живых организмов включают полезные изменения на разных уровнях организации биологической системы. В исследованиях авторов внимание сконцентрировано на фи-зиолого-биохимических механизмах адаптации водных макрофитов, проявляющихся преимущественно на клеточном уровне организации.

МАТЕРИАЛ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Объектами исследований были следующие высшие водные растения: элодея канадская (Elo-dea canadensis Michx.), рдесты пронзеннолистный (Potamogetonperfoliatus L.), курчавый (P. crispus L.), альпийский (P. alpinus Balb.), шелковник волоси-столистный (Batrachium trichophyllum (Chaix.) Bosch.), ряска горбатая (Lemna gibba L.), роголистник погруженный (Ceratophyllum demersum L.), стрелолист обыкновенный (Sagittaria sagittifolia L.) и др.

Для решения поставленных задач выбраны водотоки Свердловской обл. с разной степенью загрязненности: реки Чусовая (приток р. Камы), Ис-еть и Пышма (притоки р. Тобола) и другие водные объекты в пределах данных речных бассейнов. Исследованная территория характеризуется высокой степенью урбанизированности, а следовательно, широким спектром поллютантов, загрязняющих поверхностные воды. Согласно данным государственного экологического мониторинга [3], на протяжении ряда лет экологическая обстановка на этой территории остается очень напряженной, а качество воды большинства водных объектов — неудовлетворительным. Наиболее распространенные загрязняющие вещества в водных объектах Свердловской обл. — соединения ТМ, органические вещества (по показателям БПК5 и ХПК), азот аммония и азот нитритов, нефтепродукты. Например, в р. Чусовая в 2006 г. кратность превышения предельно допустимых концентраций (ПДК) для водных объектов рыбохозяйственного назначения в среднем составила по меди 39.4, по марганцу 12.9, по железу общему 8.3, по цинку 3.5, по никелю 1.9, по БПК5 2.0, по ХПК 2.1, по азоту аммонийному 2.5,

Таблица 1. Содержание тяжелых металлов в поверхностных водах водных объектов

Водный объект Концентрации металлов в воде, мкг/л

N1 Си Fe 7п Мп

Озеро Икбулат 6.5 6.7 143.9 22.0 79.2

Реки:

Северушка 3.8 8.9 60.5 5.8 21.3

Решетка 1.9 7.6 162.6 10.5 16.0

Сысерть 3.3 4.8 340.3 10.0 122.0

Исеть 4.4 8.2 212.3 40.0 100.0

Ревда 988.0 11.3 163.1 9.3 21.6

Чусовая 8.1 22.1 911.6 5.7 55.4

Пышма 146.4 42.2 220.2 19.4 240.5

ПДК (для водных объектов ры-бохозяйственного назначения) 10.0 1.0 100.0 10.0 10.0

по азоту нитритов 7.5, по фосфатам 4.3, по фенолам 13.0 [3].

Растительный материал отбирали в июле — августе 2004—2007 гг. в период цветения водных макро-фитов. Одновременно взяты пробы воды путем смешивания разных образцов до глубины 0.5 м.

Для изучения структурно-функциональных показателей макрофитов использовали их ассимиляционные органы. Усредненную пробу листьев каждого вида отбирали с >10 растений. Количество фрондов ряски определяли задачами исследования.

Количественные показатели мезофилла (площадь проекции и поверхности клеток и хлоропла-стов, их объем и количество) определяли в 30-кратной повторности согласно методике [9]. Содержание хлорофиллов а, Ь и каротиноидов определяли спектрофотометрически в одном экстракте при длинах волн 440, 649 и 665 нм соответственно. Для экстрагирования пигментов использовали 80%-ный водный раствор ацетона.

Зольность и количество минеральных веществ определяли после сжигания навески растительного материала в муфельной печи в течение 8 ч при температуре 550°С. Содержание общего азота и фосфора измеряли колориметрически после мокрого озо-ления растительного материала смесью кислот Н2804 и НСЮ4. Общий азот определяли с помощью реактива Несслера, фосфора — с молибдатом аммония в кислой среде.

Содержание тяжелых металлов в водных макрофитах и нефильтрованной воде определяли методом атомно-абсорбционной спектроскопии, оценивая таким образом валовую концентрацию металла в среде. Коэффициент биологического накопления рассчитывали как отношение содержания металла в биомассе растения (в расчете на единицу сухой массы) к валовой концентрации этого металла в воде того же объема.

Содержание растворимого белка в растениях определяли по Шактерле [21], суммы растворимых сахаров и крахмала — антроновым методом [19], интенсивность процессов перекисного окисления ли-пидов (ПОЛ) и активность антиоксидантных ферментов — в усредненных пробах листьев (фрондов ряски), гомогенизированных на холоде в 0.1 М К/Ыа-фосфатном буфере (рН 7.4). Гомогенат использовали для определения ПОЛ, активности су-пероксиддисмутазы (СОД) и пероксидазы. Для определения интенсивности ПОЛ использовали метод, основанный на спектрофотометрическом измерении в бутанольном экстракте продуктов, реагирующих с тиобарбитуровой кислотой (ТБК-реа-гирующих продуктов) [22]. Активность СОД определяли методом, основанным на измерении ингибирования фотохимического восстановления нитросинего тетразолия [16]; активность гваякол-специфичной пероксидазы — по увеличению оптической плотности реакционной среды в 1 мин при 470 нм в результате окисления гваякола [17]; активность каталазы и полифенолоксидазы — титро-метрическим методом [10] и рассчитывали по изменению количества субстрата в 1 мин, содержание пролина — по общепринятой методике [15]; аскорбиновую кислоту и глутатион — из одной усредненной навески растительного материала трило-нометрическим методом путем параллельного титрования 2,6-дихлорфенолиндофенолом и йодатом калия.

Определение физиологических и биохимических показателей проводили в трех аналитических повторностях. Для оценки достоверности различий использовали непараметрический критерий Ман-на—Уитни. Достоверность результатов оценивали при уровне значимости р < 0.05. Средние арифметические значения показателей и их стандартные ошибки представлены в табл. 2 и 4 и на рис. 1, значения, усредненные для растений одного вида из

Таблица 2. Параметры клеток мезофилла ассимиляционных органов макрофитов из водных объектов с различной антропогенной нагрузкой

Вид растения Река Площадь проекции клетки, мкм2 Объем клетки, тыс. мкм3 Площадь поверхности клетки, тыс. мкм2

Lemna gibba Исеть 1879.7 ±128.6 48.6 ± 4.8 7.5 ± 0.5

Сысерть 1147.8 ± 269.6 25.1 ± 2.3 4.6 ± 0.3

Potamogeton crispus Исеть 993.3 ± 75.8 19.3 ± 2.3 4.0 ± 0.4

Сысерть 843.1 ± 39.2 16.9 ± 1.2 3.4 ± 0.1

P. alpinus Исеть 574.0 ± 28.6 9.1 ± 0.7 2.3 ± 0.1

Сысерть 480.0 ± 24.4 7.4 ± 0.6 1.9 ± 0.1

Ceratophyllum demersum Исеть 7485.1 ± 541.6 458.5 ± 47.2 29.9 ± 2.2

Сысерть 5501.4 ± 350.1 249.0 ± 28.4 22.0 ± 1.4

разных местообитаний, и их стандартные ошибки — на рис. 2 и 3.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

За "условно чистые" принимали оз. Икбулат, реки Сысерть и Решетка, так как они подвергаются наименьшей антропогенной нагрузке. В водоемах и водотоках, не испытывающих сильных антропогенных воздействий, концентрации металлов в несколько раз превышают ПДК (табл. 1), что отражает геохимические особенности региона.

Сравнительный анализ параметров мезострук-туры фотосинтетического аппарата показал, что фронды Ьетпа giЬЬa и листья Сега1орку11ит demersum имели максимальные размеры клеток мезофилла (табл. 2).

Растения из более загрязненных местообитаний (р. Исеть) различались крупными клетками мезофилла. Объем и площадь поверхности клеток мезофилла растений увеличивались в среднем в 1.5 раза при более значительной антропогенной нагрузке на

водоток. Анализ данных по количеству клеток и хлоропластов на единицу площади, а также по числу хлоропластов в клетке и их размерам не выявил отчетливо выраженных изменений этих параметров в зависимости от степени загрязнения водной среды.

При повышении уровня загрязнения водной среды в листьях макрофитов (фрондах ряски) возрастало количество фотосинтетических пигментов. Содержание хлорофиллов a и b в среднем для изученной группы видов увеличивалось в 1.5, а кароти-ноидов — в 1.8 раза. Так, содержание хлорофилла a и каротиноидов в листьях Elodea canadensis из водоема с относительно невысокой антропогенной нагрузкой (оз. Икбулат) было существенно ниже по сравнению с растениями из водных объектов с более высокой степенью загрязнения (рис. 1).

При сопоставлении видов по накоплению металлов установл

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком