ЭКОЛОГИЯ, 2014, № 1, с. 22-29
УДК 581.522.4:582.998.2
ВЛИЯНИЕ ГОРОДСКОГО ТЕХНОГЕННОГО ЗАГРЯЗНЕНИЯ НА МОРФОЛОГИЧЕСКИЕ, БИОХИМИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ И СЕМЕННУЮ ПРОДУКТИВНОСТЬ РОМАШКИ АПТЕЧНОЙ © 2014 г. И. А. Прокопьев, Г. В. Филиппова, А. А. Шеин, Д. В. Габышев
Институт биологических проблем криолитозоны СО РАН 677980Якутск, просп. Ленина, 41
e-mail: a_prokopiev@mail.ru Поступила в редакцию 30.01.2013 г.
Показано, что с ростом степени техногенного загрязнения пылью повышалось содержание тяжелых металлов в почве и фитомассе растений по сравнению с контролем. Установлено, что у Matricaria chamomila при действии техногенного загрязнения наиболее чувствительны морфометрические и репродуктивные характеристики. Ответные реакции растений выражались в усилении вариабельности морфологических признаков, мобилизации компенсаторных биохимических механизмов защиты и формировании более жизнеспособного семенного потомства.
Ключевые слова: техногенное загрязнение, стресс, адаптация, морфологические показатели, семенная продуктивность, всхожесть, антиоксиданты.
Б01: 10.7868/80367059713060097
Проблемы деградации природной среды под влиянием техногенного загрязнения далеки от решения. В связи с этим в настоящие время все более актуальными становятся проблемы, связанные с адаптацией биологических систем к действию токсических факторов (Безель и др., 1994).
Город Якутск — один из крупнейших (280 тыс. жителей) городов, существующих в условиях резко континентального климата и многолетней мерзлоты. Эколого-геохимический мониторинг показал (Макаров, 1993), что, несмотря на относительно невысокую концентрацию промышленности, территория города отличается высокой плотностью техногенного давления на экосистемы. Один из основных источников техногенного загрязнения почвы и воздуха города — автотранспорт, на долю которого приходится большая часть загрязнения (Сивцева и др., 2011).
В условиях города и других обжитых территорий одним из загрязнителей воздуха является пыль, которая переносится на большие расстояния при распылении почв, выбросах промышленных предприятий, а также от движущегося автотранспорта. В последнем случае это частички почвы и различных солей, продукты сгорания топлива, снашивания шин и размельчения асфальтового покрытия (Федорова, Никольская, 2001). Пыль, оседая на поверхности растений, за-
купоривает устьица, что ухудшает газообмен листьев, затрудняет приток солнечной энергии к фотосинтезирующим клеткам и нарушает водный режим (Ильин, 1991). Ранее нами (Прокопьев и др., 2011, 2012) было показано, что в г. Якутске пыль, накапливающаяся вблизи наиболее загруженных автомагистралей, содержит тяжелые металлы в повышенных концентрациях, которые могут в значительных количествах накапливаться в системе почва—растение (Шашу-рин, Журавская, 2007; Ларина, Обухов, 1995). Вместе с тем длительное воздействие загрязнителей на растения способно вызвать не только токсические эффекты, но и активировать ответные приспособительные реакции. При этом проблема, связанная с изучением влияния техногенного загрязнения на формирование ответных адаптивных реакций растительных организмов, произрастающих в экстремальных климатических условиях среды, недостаточно исследована (Прокопьев и др., 2011; 2012; Шашурин, Журавская, 2007).
Цель настоящей работы — исследование влияние городского техногенного загрязнения на морфологические, биохимические характеристики и семенную продуктивность ромашки аптечной сорта "Подмосковная", произраставшей в условиях Центральной Якутии (г. Якутск).
МАТЕРИАЛ И МЕТОДЫ
Одним из перспективных подходов к оценке степени загрязнения является метод биотестирования (Мелехова, Егорова, 2007), суть которого заключается в определении антропогенных нагрузок на реакцию стандартизованных организмов (тест-объектов) in situ. Сложность применения этого метода состоит в том, что почвенный покров вблизи источников выбросов неоднородный, и поэтому изменение реакции биотестов на почвах с разными уровнями загрязнения может быть вызвано почвенной разнородностью. В связи с этим для более точной оценки влияния загрязнения на растительные организмы нами были созданы идентичные по своим характеристикам начальные почвенные условия во всех вариантах эксперимента.
В качестве тест-объекта использовали однолетнее растение — ромашку аптечную (Matricaria chamomila L.), тетраплоид (4n = 36), сорт "Подмосковная" . К особенностям сорта относятся менее облиственные стебли, удлиненная цветоножка, крупные соцветия и достаточно высокая семенная продуктивность (Тоцкая, Конон, 2010). В начале июня четырехнедельные сеянцы M. chamomila высаживали по 20 шт. в деревянные ящики размером 60 х 50 х 20 см с шириной междурядий 10 см. Почву готовили путем смешивания в соотношении 1 : 2 питательного грунта, соответствующего требованиям ГОСТ Р 53381-2009, и речного песка. В каждый ящик вносили по 40 дм3 готовой почвы. Экспериментальные участки располагались на территории г. Якутска на пересечении просп. Ленина — ул. Каландаришвили и ул. Петровского — ул. Лермонтова. Ящики устанавливали в хорошо освещенных местах на расстоянии 5 м от проезжей части дороги. Выбор участков обусловлен тем, что они находились в зоне сильного (1200—1700 автомобилей в час) воздействия автотранспорта (Шадрина, Степанова, 2008). Контролем служила территория Якутского ботанического сада (филиал ФГБУН ИБПК СО РАН), удаленная от возможных техногенных загрязнителей. Отбор проб почвы и растений, а также измерение морфометрических показателей и семенной продуктивности проводили в конце августа.
Оценка степени поверхностного пылевого загрязнения участков, на которых проводилось исследование, выполнена стандартным методом (Ревич и др., 1990). Сухое озоление образцов почвы и растений проводили в муфельной печи в течение 5 ч при температуре 500° C (Федорова, Никольская, 2001). Валовое содержание ряда тяжелых металлов в образцах почвы и золы растений определяли в аналитической лаборатории Института алмаза и благородных металлов СО РАН
(г. Якутск) методом атомно-эмиссионного спектрального анализа с использованием спектрографа PGS-2 фирмы "Carl Zeiss" (Германия) c приставкой МАЭС — многоканальный анализатор эмиссионных спектров "ВМК-Оптоэлектрони-ка" (Россия). Полученные данные обрабатывали с применением программного обеспечения АТОМ 3.0. Расчет коэффициента биологического поглощения (КБП) элементов проводили согласно формуле, предложенной А.И. Перельманом (1975): КБП = Ci (в золе растений)/С(- (в почве), где Ci - содержание i-го элемента.
Влияние загрязнения на растения оценивали на основании изменения следующих морфометрических показателей: высота растения, число соцветий, длина и ширина листьев, а также их число. Массу 1000 семян измеряли по методике, предложенной С.С. Лищук (1991). Потенциальную и реальную семенную продуктивность рассчитывали согласно методике Р.Е. Левиной (1981). Потенциальную семенную продуктивность определяли как количество семяпочек, продуцируемое особью, реальную — как количество выполненных семян на ту же единицу учета. Жизнеспособность семян оценивали по показателю лабораторной всхожести в соответствии с требованиями ГОСТ 12038-84.
Все спектрофотометрические измерения были проведены на приборе Cary 3E фирмы "Varian, inc." (США). Для определения биохимических параметров использовали среднюю пробу листьев, одновременно отобранную со всех особей M. chamomila, произраставших на территории исследуемого участка. Суммарное содержание низкомолекулярных антиоксидантов (НМАО) определяли по методике А.И. Ермакова (1987), основанной на окислении антиоксидантов хлоридом железа (III). При этом хлорид железа (III) восстанавливался до хлорида железа (II), количество которого измеряли по изменению интенсивности окраски при добавлении о-фенантролина (s = = 52.8 мМ-1 см-1) при длине волны 510 нм. Содержание флавоноидных соединений определяли по накоплению окрашенного комплекса с лимоннокислым борным реактивом (s = 4.4 мМ-1 см-1) при длине волны 420 нм (Рогожин, 1999), а интенсивность процессов перекисного окисления липидов (ПОЛ) - по накоплению окрашенного комплекса малонового диальдегида (МДА) с тио-барбитуровой кислотой (s = 155 мМ-1 см-1) при длине волны 532 нм (Владимиров, Арчаков, 1972). Содержание хлорофиллов a, b и каротиноидов измеряли в 80%-ном ацетоне с максимумами поглощения 663, 647 и 470 нм (Lichtenthaler, 1987).
Все биохимические измерения средней пробы листьев были выполнены в четырех аналитических повторностях, а результаты представлены в
Таблица 1. Уровень загрязнения участков, на которых проводилось исследование, и валовое содержание тяжелых металлов в почве и золе Matricaria chamomila в зависимости от степени поверхностного запыления
Участок
Параметр Бот. сад (контроль) просп. Ленина— ул. Каландаришвили ул. Петровского-ул. Лермонтова
Запыление, мг/м2 сут 16.5 ± 3.7 439.9 ± 3.9* 824.0 ± 11.9*
Уровень загрязнения (запыление, мг/м2 сут) Отсутствует (<100) Средний (250-450) Высокий (450-850)
Содержание свинца, мкг/г
Почва 25.0 ± 0.5 26.3 ± 0.5* 27.1 ± 1.0*
Растение 10.5 ± 0.5 12.5 ± 0.5* 14.0 ± 1.0*
КБП 0.4 0.5 0.5
Содержание никеля, мкг/г
Почва 6.5 ± 0.2 7.2 ± 0.3 8.0 ± 1.0*
Растение 11.5 ± 1.5 17.0 ± 1.0* 22.0 ± 1.0*
КБП 1.8 2.3 2.2
Содержание меди, мкг/г
Почва 5.5 ± 0.3 6.1 ± 0.3 7.1 ± 0.5*
Растение 33.5 ± 1.5 38.0 ± 2.0* 43.0 ± 2.0*
КБП 6.1 6.2 6.1
Содержание цинка, мкг/г
Почва 21.5 ± 0.5 23.5 ± 0.5* 25.0 ± 1.0*
Растение 226.0 ± 2.0 247.0 ± 2.5* 260.0 ± 4.0*
КБП 10.5 10.5 10.4
Содержание марганца, мкг/г
Почва 155.0 ± 5.0 165.0 ± 15.0 205.0 ± 15.0*
Растение 600.0 ± 10.0 850 ± 20.0* 1010.0 ± 150.0*
КБП 3.9 5.1 4.9
* Различия статистически значимы по сравнению с контролем приp < 0.05.
виде средней арифметической величины и ее стандартной ошибки (М± т). Сравнение средних значений выборок проводили методом однофак-торного дисперсионного анализа (ANO\A), значимость отличий от контроля определяли с помощью критерия Даннета для множественных сравнений при уровнер < 0.05. Уровень внутрипопуляционной изменчивости признаков оценивали
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.