ЛЕСОВЕДЕНИЕ, 2015, № 1, с. 36-43
_ ОРИГИНАЛЬНЫЕ _
СТАТЬИ
УДК 581.192.6+632.122.2
ВЛИЯНИЕ АЭРОЗОЛЬНЫХ ПОЛИЦИКЛИЧЕСКИХ АРОМАТИЧЕСКИХ УГЛЕВОДОРОДОВ НА ХВОЙНЫЕ ДЕРЕВЬЯ
В МОДЕЛЬНЫХ ОПЫТАХ
© 2015 г. Т. А. Михайлова1, Е. Н. Тараненко1, А. В. Рудиковский1,
А. Г. Горшков2
Сибирский институт физиологии и биохимии растений СО РАН 664033 Иркутск, ул. Лермонтова, 132 2Лимнологический институт СО РАН 664033 Иркутск, ул. Улан-Баторская, 3 E-mail: mikh@sifibr.irk.ru Поступила в редакцию 30.05. 2014 г.
В модельных экспериментах показано негативное влияние техногенных полициклических ароматических углеводородов (ПАУ), поступающих аэральным путем, на 8-10-летние деревья сосны обыкновенной (Pinus sylvestris L.). После 2 месяцев обработки деревьев смесью ПАУ из веществ, имеющих наибольшую водорастворимость и преобладающих в газовой фазе техногенных выбросов (нафталин, аценафтилен, аценафтен, флуорен, фенантрен, пирен), в хвое обнаружено снижение содержания фотосинтетических пигментов и изменение параметров флуоресценции хлорофилла. Параллельное исследование аккумулирования ПАУ хвоей деревьев показало преимущественное накопление этих соединений во внутренних тканях хвои (82%) и меньшее (18%) -в ее поверхностном восковом слое.
Сосна обыкновенная (Pinus sylvestris L.), полициклические ароматические углеводороды (ПАУ), фитотоксичность, фотосинтетические пигменты, флуоресценция хлорофилла.
В последнее десятилетие значительно возрос интерес к исследованию воздействия стойких органических загрязнителей (СОЗ) на биоту. При этом особая роль отводится полициклическим ароматическим углеводородам (ПАУ) как одним из наиболее токсичных поллютантов для живых организмов. Источники техногенных ПАУ - это все основные отрасли промышленности, в том числе коксохимическая, металлургическая, нефтехимическая, а также теплоэнергетика и автотранспорт [14, 17]. Высокая токсичность ПАУ для теплокровных организмов давно известна [19], в то время как сведений о негативном влиянии СОЗ, в частности ПАУ, на растения гораздо меньше, и в основном они касаются бенз(а)пирена [26, 29]. В нашей стране этому соединению еще в 19701980-е годы уделялось повышенное внимание, поскольку оно использовалось в качестве вещества-индикатора присутствия ПАУ в атмосфере [14]. Влияние бенз(а)пирена на растительный организм исследовалось в основном на клеточном уровне, было показано изменение активности ряда
ферментов [6], ингибирование митотических процессов и морфологические изменения клеток [8], появление нарушений в ультраструктуре рибосом, митохондрий и ядра [1]. Работы последних лет указывают на то, что негативным эффектом на растительные организмы обладают и другие представители ПАУ. Так, обнаружено снижение общего содержания зеленых пигментов, магния и рибулозо-1,5-бифосфаткарбоксилазы в хвое 2-летних саженцев сосны густо цветной (Pinus densiflora) после обработки высокими концентрациями фенантрена и флуорантена [31]. В экспериментальных исследованиях in vitro установлено, что добавление в среду культивирования смеси фенантрена, пирена и бенз(а)пирена приводит к подавлению роста злаковых растений и снижению их выживаемости [35]. Опытным путем было показано снижение накопления биомассы корней у некоторых культурных растений (редис, латук) при внесении в почву антрацена [39].
Получил развитие и такой аспект исследований, как выявление видов травянистых и дре-
весных растений для мониторинга загрязнения атмосферы органическими поллютантами [33, 37, 38]. Результаты таких исследований имеют большую значимость для определения токсикантов, наиболее опасных для природной среды и человека. В ряде стран списки таких токсикантов уже имеют официальный статус, в них ПАУ и их производные составляют приблизительно половину известных канцерогенных соединений [17, 34]. При осуществлении экологического мониторинга окружающей среды большинство исследователей принимают во внимание список из 16 приоритетных наиболее распространенных и токсичных ПАУ [28].
Наши исследования также связаны с мониторингом загрязнения природных сред ПАУ, поскольку эта тематика весьма актуальна для Байкальского региона. Здесь располагаются многочисленные промышленные предприятия, в выбросах которых ПАУ составляют значительную часть [10]. Однако основное внимание мы уделяем исследованию влияния ПАУ на древесные растения и мониторингу загрязнения лесов. Так, показана возможность использования хвои сосны обыкновенной (Pinus sylvestris L.) как естественной матрицы, аккумулирующей ПАУ всего приоритетного списка [3]. Определены уровни аккумуляции ПАУ в хвое на территориях разной степени техногенного загрязнения, в том числе выбросами алюминиевых заводов, ТЭЦ и автотранспорта [4, 5]. Выявлены тесные прямые корреляции не только между загрязнением атмосферного воздуха ПАУ и накоплением этих веществ в хвое сосны, но и между содержанием ПАУ в хвое деревьев и степенью их угнетения, на основании чего можно говорить о наличии фитотоксического эффекта, вызываемого ПАУ [4].
Вместе с тем достоверные доказательства негативного влияния ПАУ на растения должны основываться на результатах их прямого воздействия без сочетания с другими поллютантами, что возможно только в условиях эксперимента с применением искусственной обработки растений этими соединениями. Проведение исследований такого рода сопряжено с целым рядом сложностей, основные из которых - высокая гидрофобность многих ПАУ, затрудняющая получение водных растворов требуемой концентрации для обработки растений, и неприемлемость использования растворов на основе органических растворителей [18]. В связи с этим наши первоначальные данные о негативном влиянии ПАУ получены в экспериментах с применением суспензионной культуры растительных клеток [11].
На следующем этапе предпринята попытка исследовать влияние техногенных ПАУ на целое растение. Судя по литературным данным, воздействие ПАУ на растительный организм путем обработки почвы не дает однозначного результата, поскольку транспорт поглощенных корнями ПАУ к надземным частям растения с транспира-ционным током весьма затруднен из-за их малой водорастворимости [22, 32, 40]. Считается, что на загрязненных территориях накапливаемые в надземных частях растений ПАУ поступают туда аэральным путем [22, 24, 27, 32].
Цель данной работы - смоделировать искусственную аэральную обработку деревьев ПАУ, присутствующими в техногенных эмиссиях, исследовать особенности аккумулирования этих соединений хвоей и оценить их негативное влияние на растения по изменению фотосинтетических параметров.
ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ
Выбор в качестве объекта исследования хвойных деревьев, в частности, сосны обыкновенной, обусловлен ее высокой чувствительностью к воздействию поллютантов, большой значимостью как основной лесообразующей породы в Байкальском регионе, широким распространением на территориях разной степени загрязнения техногенными выбросами. Поскольку в растительном организме наиболее уязвимым процессом при воздействии атмосферных поллютантов является фотосинтез [13, 16], наши исследования были направлены, в первую очередь, на выяснение изменений параметров, отражающих состояние фотосинтетического аппарата деревьев сосны в условиях искусственной обработки их ПАУ.
На экспериментальном участке Лимнологического института СО РАН весной высаживали деревья сосны обыкновенной 8-10-летнего возраста, а через год, в следующий вегетационный период, накрывали их пленочными камерами и обрабатывали смесью ПАУ в течение 2 месяцев. Пленочные камеры представляли собой деревянный каркас, обтянутый полиэтиленовой пленкой, объем каждой камеры составлял 1 м3. Смесь испытуемых веществ разбрызгивалась в воздушном пространстве камер специальным распылителем. Для обработки деревьев были выбраны соединения, имеющие наибольшую водорастворимость и существующие преимущественно в газовой фазе техногенных выбросов (особенно в летнее время), соответственно, довольно легко проникающие в листья (хвою) растений в процессе газообмена. Из всего приоритетного ряда ПАУ этим
критериям отвечают нафталин, аценафтилен, аце-нафтен, флуорен, фенантрен, пирен, которые использовались в опытах. Смесь ПАУ растворяли в 1%-ном водном растворе метанола, что существенно увеличивало растворимость соединений, но не оказывало негативного влияния на растения. Это связано с тем, что в низких (до 10% объема) концентрациях метанол неопасен для растений, так как быстро метаболизируется в двуокись углерода, глицерат, серин или метионин [25, 30]. Деревья в пленочных камерах, не подвергавшиеся обработке, составили контрольную группу. Численность опытных и контрольных деревьев была одинаковой и составляла по 7 экз.
Обработка опытных деревьев производилась ежедневно однократно в утренние часы. Для предотвращения перегревания в жаркие солнечные дни камеры затенялись белыми полотняными пологами, а на ночь открывались. Уровень создаваемой в камерах концентрации ПАУ рассчитывался с учетом объема камеры, количества вводимого раствора испытуемых веществ и их концентрации в растворе. Расчетные концентрации веществ в камерах составляли: нафталина - 40 мкг м-3, аценафтена - 20 мкг м-3, флуорена - 30 мкг м-3, фенантрена - 30 мкг м-3, флуорантена - 30 мкг м-3, пирена - 30 мкг м-3. Такие концентрации соответствовали уровням ПАУ, обнаруживаемым в воздухе рабочей зоны корпусов электролиза алюминиевых заводов [17]. После завершения эксперимента в конце вегетационного периода проводили количественное определение содержания ПАУ в хвое методом хромато-масс-спектрометрии с предварительной экстракцией ПАУ n-гексаном в ультразвуковом поле [2]. При этом накопление ПАУ на поверхностном восковом слое и во внутренних тканях хвои определяли по отдельности, чтобы получить данные о степени проникновения этих веществ в ассимиляционные органы. С этой целью экстракция ПАУ осуществлялась в два этапа: на первом этапе производилось извлечение ПАУ с поверхности неизмельченного растительного материала, в результате чего выделялась фракция полиароматических углеводородов, абсорбированных восковым слоем; второй этап включал в себя высушивание при к
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.