Определение биометрических показателей и химического состава древесной зелени, шишек и семян для биоиндикации состояния качества городской среды

BIOLOGICAL SCIENCES

ОПРЕДЕЛЕНИЕ БИОМЕТРИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ И ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА ДРЕВЕСНОЙ ЗЕЛЕНИ, ШИШЕК И СЕМЯН ДЛЯ БИОИНДИКАЦИИ СОСТОЯНИЯ КАЧЕСТВА

ГОРОДСКОЙ СРЕДЫ

Ковылина О.П.

доцент, кандидат биологических наук

Лис Е.В.

магистр

«Сибирский государственный университет науки и технологий им. М.Ф. Решетнева»,

г. Красноярск, Россия

DETERMINATION OF BIOMETRIC INDICES AND CHEMICAL COMPOSITION OF WOOD GREEN PLANTS, CONES AND SEEDS FOR BIOINDICATION OF AN URBAN ENVIRONMENTAL CONDITION

Kovylina O.P.

docent, candidate of biological sciences,

Lis E. V.

magistr

«Siberian State University of Science and Technology M.F. Reshetnev», Krasnoyarsk, Russia АННОТАЦИЯ

В статье представлены результаты исследований химического состава древесной зелени, шишек и семян хвойных пород, произрастающих в озеленительных насаждениях г. Красноярска. Полученные данные возможно использовать в мониторинге и оценки качества окружающей среды в крупных промышленных городах, где в озеленении используются хвойные породы, такие как ель сибирская и лиственница сибирская.

ABSTRACT

The article presents the results of researches of chemical compositions of wood green plants, cones and seeds of coniferous trees that grow in green plantations in Krasnoyarsk. The obtained data can be used in monitoring and assessment of environmental condition in large industrial cities, where coniferous trees such as Siberian spruce and Siberian larch are used in green plantations.

Ключевые слова: химический состав, хвойные породы, древесная зелень, шишки, семена Keywords: chemical composition, coniferous trees, wood green plants, cones, seeds

Введение. Ускорение научно-технического прогресса резко усилило антропогенную нагрузку на окружающую среду. Серьезное загрязнение атмосферы, гидросферы и литосферы чуждыми ей продуктами и масштабы воздействия существенно сказывается на сложившемся равновесии в биосфере. Последствия глобального воздействия могут выразиться в изменении генофонда, газо- и теплообмена между воздушной и водной сферами, а также другими негативными отклонениями [11]. В большей мере им подвержены городские и промышленные территории. Происходящие нарушения становятся настолько угрожающими обществу, что они находятся под постоянным контролем природоохранных организаций во всем мире.

Исследование заключается в изучении биометрических показателей, химического состава древесной зелени лиственницы сибирской и ели сибир-

ской, произрастающих в г. Красноярске. Полученные данные позволяют провести мониторинг состояния окружающей среды методами биоиндикации. В настоящее время основными источниками загрязнения атмосферы считаются: тепловые станции, промышленные предприятия и автотранспорт [10]. Первые из них в России относятся к наиболее многотоннажным эмиссантам, выбрасывающим в атмосферу огромную массу взвешенных частиц, оксидов азота, серы и углерода, а также множество других веществ. В весьма большом количестве выбрасываются отработанные продукты промышленных производств, прежде всего, металлургических заводов. Значительны выбросы биохимических, цементных, целлюлозно-бумажных и других предприятий. В связи с огромным ростом количества автотранспорта велик вклад в загрязнение воздушной среды крупных административных центров и автотранспортных средств. С функционированием двух

последних источников связано появление в атмосфере наиболее опасных для живых организмов и нередко неконтролируемых веществ: бенз(а)пи-рена, фенолов, формальдегида, микроорганизмов и т.п. [1, 2, 3, 10].

Под воздействием техногенных факторов происходит изменения биометрических показателей древесных пород, химического состав разных органов растений, как вегетативной [4], так и генеративной сферы [6, 7]. Накопление тяжелых металлов, химических элементов несвойственных растению в конечном итоге приведет к мутационным процессам, что негативно может сказаться на росте и развитии древесных растений.

В составе биологически активных веществ хвойных растений эфирные масла занимают особое место. Их наличие придает особый хвойных аромат, оказывает антисептическое, бактерицидное действие. Хвойные эфирные масла оказывают благотворное влияние на организм человека. Изменение качественного и количественного состава эфирных масел хвойных растений может негативное сказаться на состояние хвойных лесов в целом.

Пигментные вещества играют важную роль в растениях, поскольку участвуют в процессе фотосинтеза. Изменение их содержания может негативно сказаться на биохимических процессах в растении, что приведет к изменению всего растения в целом.

Минеральные компоненты участвуют во многих обменных процессах организма, в связи с чем изменение их состава сказывается на росте и разви-

тии растений, что, прежде всего, отражается на состоянии ассимиляционного аппарата. Загрязнение воздушной среды, заключающееся в привнесении несвойственных для них минеральных компонентов, ухудшают функционирование и устойчивость насаждений [8, 9].

Исходя из вышеизложенного, актуальность изучения техногенного влияния на искусственные фитоценозы хвойных пород не вызывает сомнений, поскольку данный метод индикации внесет существенный вклад в мониторинг окружающей среды.

Материалы и методы исследований. Объекты исследования расположены на территории г. Красноярска и Емельяновского района. Объекты исследования представляют собой искусственные фитоценозы лиственницы сибирской и ели сибирской. Деревья относятся ко II классу возраста. Деревья испытывают антропогенную нагрузку как техногенного, так и рекреационного характера. Обработка полученных данных проводилась с использованием статистической обработки и математического анализа [5].

Образцы для исследований отбирались в вегетационный период 2014-2015 гг. Крона дерева условно разделялась на четыре сектора по сторонам света. В каждом секторе отбиралась вегетативная и генеративная часть. У вегетативной части отбиралась отдельно хвоя и приросты за последние три года. Образцы древесной зелени отбирались в середине каждого месяца (июнь-сентябрь). Образцы шишек и семян отбирали на момент полной зрелости в середине сентября (рисунок 1).

а) б)

Рис. 1. Искусственные фитоценозы лиственницы сибирской (а) и ели сибирской (б) II класса

возраста на о. Татышев

Воздействие загрязненного воздуха, почвы и гидросистемы существенно отражается на внешнем

виде, структуре и химическом составе органов растений. Оно обуславливает сокращение фотосинте-

тической поверхности: фитонасыщенности, уменьшения количества хвои в кроне, ее размеров, массы (таблица 1). Происходящие изменения, особенно в

Наименьшая средняя длина побегов 1-го и 2-го порядка наблюдается в западном направлении. Наименьшая длина хвои отмечена на побегах 1 -го порядка также в западном направлении, а на побегах 2-го порядка - в северном направлении.

Определялось среднее число пучков хвои и число хвои в пучке на 2-х, 3-х и 4-х летних побегах

Изменчивость среднего числа пучков хвои и ч!

В условиях города преобладают западные и юго-западные ветра, которые способствуют переносу воздушными массами выбросов от автотранспорта, что способствует снижению биометрических показателей побегов и хвои лиственницы сибирской в этих направлениях.

Изучалось также образование генеративных органов лиственницы сибирской на побегах раз-

вегетативных органах, служат объективными индикаторами характера и интенсивности загрязнения воздушной среды промышленных зон.

модельных деревьев лиственницы сибирской по сторонам света на о. Татышев. Наименьшее среднее число пучков на побегах 1 -го и 2-го порядка наблюдается в южном направлении, наименьшее число хвои в пучке на побегах 1 -го порядка отмечено в западном направлении, а на побегах 2-го порядка - в южном направлении (таблица 2).

Таблица 2

[а хвои в пучке на побегах лиственницы сибир-

ного возраста по сторонам света. Оценка образования генеративных органов позволит оценить устойчивость деревьев к техногенному загрязнению, способность сохранять декоративность и возможность использовать модельные деревья для сбора семян, адаптированных к условиям городской среды (рис. 2).

Таблица 1

Изменчивость средних размеров побегов и хвои лиственницы сибирской на модельных деревьях _по сторонам света на о. Татышев_

Сторона света Показатель

длина побега длина хвои

V лтт у лтах Х V лтт у лтах Х

побег 1-го порядка

Север 7,6 23,0 14,2 25,0 45,0 34,5

Восток 5,6 19,4 13,5 20,0 50,0 35,9

Юг 8,2 20,0 13,9 22,0 40,0 31,9

Запад 6,0 22,7 10,9 12,0 41,0 26,9

побег 2-го порядка

Север 4,6 16,6 8,4 17,0 35,0 24,7

Восток 5,5 13,3 8,5 21,0 40,0 32,1

Юг 4,7 11,0 7,8 19,0 35,0 26,6

Запад 4,7 12,1 8,2 14,0 37,0 25,5

ской по сторонам света

Сторона света Показатель

число пучков на побеге число хвои в пучке

Xmin Xmax Х Xmin Xmax Х

побег 1-го порядка

Север 12,0 28,0 21,3 13,0 35,0 25,8

Восток 13,0 28,0 20,0 17,0 48,0 28,6

Юг 14,0 24,0 18,4 12,0 35,0 25,0

Запад 13,0 30,0 19,8 14,0 58,0 24,4

побег 2-го порядка

Север 8,0 21,0 17,6 16,0 34,0 23,3

Восток 10,0 26,0 16,5 18,0 49,0 26,6

Юг 6,0 19,0 14,6 9,0 32,0 22,3

Запад 11,0 24,0 17,0 12,0 40,0 24,2

средние значения

4-х летние побеги

3-х летние побеги

2-х летние побеги

10

20

30

40

50

60

70

0

побеги с микростробилами побеги с макростробилами

вегетативные побеги

Рис. 2. Число вегетативных и генеративных побегов при учете побегов разного возраста лиственницы

сибирской, %

Наибольшее число побегов с макростробилами наблюдается при учете 3-х летних побегов (21,7 %), с микростробилами - при учете 2-х летних побегов (25,7 %). Наибольшее число вегетативных побегов отмечено при учете 4-х летних побегов (59,1 %). На однолетних побегах генеративные органы у лиственницы сибирской не образуются.

Изменчивость массы, размеров и состава древесной зелени хвойных пород, произрастающих в озеленительных насаждениях г. Красноярска, характеризуют экологическую ситуацию в регионе.

Для исследования влияния антропогенного загрязнения на искусственные фитоценозы лиственницы сибирской и ели сибирской, был изучен химический состав древесной зелени, шишек и семян, произрастающих в городе.

Так как древесная зелень представляет собой покрытые хвоей побеги диаметром до 0,8 см, то составной частью древесной зелени являются шишки и семена. Изучение химического состава древесной зелени, шишек и семян проводилось отдельно. Вначале исследования была определена влажность сырья, которая представлена в таблице 3.

Таблица 3

Влажность древесной зелени, шишек и семян хвойных пород

Наименование растения Влажность, % а.с.с.

древесная зелень шишки семена

Ель сибирская 55,35±2,50 14,10±0,37 6,30±0,20

Лиственница сибирская 58,35±3,20 11,50±0,20 7,50±0,37

Основными компонентами древесной зелени фитоценозах составляет - 18,3 %. На долю лигно-являются вещества образующие лигно-углеводный подобных веществ приходится до 36,5 % (таблица комплекс растения. Так, содержание легкогидроли- 4). зуемых полисахаридов в древесной зелени лиственницы сибирской произрастающей в искусственных

Таблица 4

Содержание полисахаридов и лигноподобных веществ в древесной зелени хвойных пород, исполь-

зуемых в озеленении города

Показатель Ель сибирская Лиственница сибирская

о. Татышев фоновый участок о. Татышев фоновый участок

Легкогидролизуемые полисахариды, % а.с.с. 12,70±0,04 11,70±0,09 18,25±0,06 16,55±0,08

Трудногидролизуемые полисахариды, % а.с.с. 19,60±1,20 22,60±1,70 22,52±1,00 20,52±1,40

Лигноподобные вещества, % а.с.с. 24,20±2,10 20,20±1,50 36,48±1,50 32,18±1,50

Хлорофилл А и Б, мг% 650,65±37,50 750,65±42,40 610,25±22,20 730,25±25,20

Эфирные масла, % а.с.с. 3,20±0,01 1,20±0,02 3,30±0,01 1,90±0,02

О негативном влиянии загрязнений окружающей среды, можно судить проанализировав содержание пигментов, эфирных масел и экстрактивных веществ в древесной зелени. Содержание всех этих групп компонентов существенно отличается, чем у

деревьев, произрастающих в экологически благополучных районах. Так, содержание хлорофиллов, а и б в древесной зелени лиственницы сибирской составляет 610,25 мг%, эфирных масел - 3,28 %. Содержание минеральных компонентов увеличено практически в два раза и составляет 3,50 % (рис. 3).

Лиственница сибирская

Лиственница сибирская

Ель сибирская

Ель сибирская

0 12 3 4

минеральные компоненты  воскообразные вещества  эфирные масла

Рис. 3. Содержание минеральных компонентов, воскообразных веществ и эфирных масел в древесной

зелени хвойных растений

Химический состав шишек хвойных пород долю лигноподобных веществ в шишках ели при-

представлен в таблице 5. Из результатов таблицы ходится до 54,2 %, а в шишках лиственницы - до

видно, что основными компонентами шишек явля- 49,5 %. ются лигноподобные вещества и полисахариды. На

Таблица 5

Химический состав шишек хвойных пород_

Показатель Ель сибирская Лиственница сибирская

о. Татышев фоновый участок о. Татышев фоновый участок

Легкогидро-лизуемые полисахариды, % а.с.с. 11,20±0,04 13,70±0,04 18,25±0,06 16,10±0,08

Трудногидро-лизуемые полисахариды, % а.с.с. 19,60±1,20 17,40±1,20 15,52±1,00 11,80±1,30

Лигноподоб-ные вещества, % а.с.с. 54,20±2,10 50,70±2,10 49,48±1,90 44,20±1,50

Хлорофилл А и Б, мг% 18,60±0,90 21,65±0,90 10,25±0,08 15,25±0,04

Эфирные масла, % а.с.с. 0,28±0,01 0,15±0,02 0,28±0,01 0,18±0,01

Такое высокое содержание лигноподобных веществ объясняется тем, что шишка выполняет защитную функцию для семян, препятствуя механическому повреждению семян, а также проникновению влаги. Полисахариды придают шишкам

прочность и механическую стойкость [8]. Наибольшее содержание легкогидролизуемых полисахаридов отмечается в шишках лиственницы сибирской - 18,25 %, а наименьшее в шишках ели сибирской -11,20 %. Содержание водорастворимых веществ в шишках лиственницы сибирской составляет - 6,8

%. Содержание минеральных компонентов в шишках колеблется от 1,0 % до 2,7 %. Содержание эфирных масел, воскообразных веществ и пигментов невелико.

Особый интерес представляют экстрактивные вещества шишек ели и лиственницы. Для их изучения проводили последовательную экстракцию гек-саном, этиловым спиртом и водой. Наибольшее количество веществ, извлекаемых гексаном отмечается в шишках лиственницы сибирской - 3,4 %. Однако их количество невелико по сравнению с со-

держанием веществ, извлекаемых этиловым спиртом и водой. Шишка выполняет защитную функцию, оберегая семена хвойных растений. Так как семена являются неотъемлемой частью шишек, то исследование их химического состава необходимо для определения возможности их дальнейшего использования [8].

Исследуя химический состав семян можно отметить тот факт, что основными компонентами семян является лигно-углеводный комплекс (таблица 6).

Таблица 6

Химический состав семян хвойных пород_

Ель сибирская Лиственница сибирская

Показатель

о. Татышев фоновый участок о. Татышев фоновый участок

Легкогидролизуемые полисахариды, % а.с.с. 5,30±0,20 4,70±0,30 9,50±0,20 8,20±0,30

Трудногидролизуемые полисахариды, % а.с.с. 10,80±0,40 9,20±0,60 18,80±0,40 15,50±0,50

Лигноподобные вещества, % а.с.с. 55,80±2,00 52,30±2,00 52,30±2,00 47,50±2,30

Хлорофилл А и Б, мг% 10,00±0,50 12,00±0,50 9,50±0,50 12,50±0,45

Воскообразные вещества, % а.с.с. 1,50±0,05 1,10±0,05 1,40±0,05 1,25±0,05

Высокое содержание лигноподобных веществ отмечается во всех семенах хвойных растений и достигает 55,8 %. Наибольшее содержание минеральных компонентов отмечено в семенах ели сибирской - 3,3 %. Содержание воскообразных веществ и хлорофиллов А и Б незначительно. Исследование содержания экстрактивных веществ проводилось

последовательной экстракцией гексаном, этиловым спиртом и водой (рис. 4). Содержание экстрактивных веществ, извлекаемых гексаном составляет 1,22,3 %. Содержание веществ, извлекаемых этиловым спиртом достигает 10,2 % в шишках ели сибирской. Содержание водорастворимых веществ колеблется в пределах от 8,1 % до 11,1 %.

вода 96 % этанол  гексан

Рис 4. Содержание экстрактивных веществ в древесной зелени, шишках и семенах лиственницы

сибирской

Изменения под негативным воздействием отражаются на компонентном составе хвои, на первичных и вторичных продуктах метаболизма. Из первичных при проведении исследований взяты пигменты, как непосредственные и наиболее чувствительные компоненты развивающихся процес-

сов. Недостатком их применения для индикационных целей является достаточно быстрая изменчивость содержания этих соединений во времени. В связи с этим при таких исследованиях удобно использовать вторичные продукты метаболизма. В качестве таковых выбраны эфирные масла и мине-

ральные компоненты. Их содержание в ассимиляционном аппарате сравнительно стабильно и значительно, что позволяет объективнее оценивать концентрацию этих веществ без опасения существенных изменений в течение 3-5-суточного промежутка времени. Методы количественного определения эфирного масла и минеральных компонентов в хвое просты и надежны [6].

Динамика содержания хлорофилла, а и б в хвое хвойных пород указывает, что наименьшее содержание пигментов отмечено в древесной зелени лиственницы сибирской собранной 15 сентября -560,70 мг%, что связано по-видимому с окончанием вегетационного периода и частичной потерей зеленой окраски хвои. Максимальное содержание пигментов в древесной зелени ели сибирской отмечено в пробах, собранных 15 июля - 840 мг%, в этом месяце вегетационного периода наблюдается максимальный уровень солнечной активности.

Выводы. Исследования показали, что размеры побегов и хвои лиственницы сибирской, различаются по сторонам света. Длина побегов и хвои меньше в кроне дерева, которая испытывает техногенную нагрузку со стороны преобладающих ветров, приносящих наибольшее количество техногенных выбросов от предприятий и автотранспорта.

Так как на однолетних побегах генеративные органы у лиственницы сибирской не образуются, учету подлежали 2-х, 3-х и 4-х летние побеги. Наибольшее число вегетативных побегов наблюдается на 4-х летних побегах, наибольшее число побегов с макростробилами отмечено на 3 -х летних побегах и с микростробилами - на 2-х летних побегах. В результате этого распределения на побегах наибольшему техногенному влиянию подвергаются микростробилы.

Изменения под негативным воздействием техногенных выбросов отражаются на компонентном составе хвои, на первичных и вторичных продуктах метаболизма. При исследованиях по биомониторингу древесных растений, используемых в озеленении крупных городов наиболее информативно использовать вторичные продукты метаболизма. В качестве таких веществ можно определять эфирные масла и минеральные компоненты. Их содержание в ассимиляционном аппарате сравнительно стабильно и значительно, что позволяет объективнее оценивать концентрацию этих веществ без опасения существенных изменений в течение 3-5-суточ-ного промежутка времени. Своевременное обследование озеленительных насаждений поможет установить пороговые значения химических ве-

ществ, при которых начинает происходить необратимая деградация насаждений из лиственницы сибирской и ели сибирской.

Литература

1. Алексеенко, В.А. Биосфера и жизнедеятельность / В.А. Алексеенко, Л.П. Алексеенко. - М.: Логос, 2002. - 304 с.

2. Буренин, Н.С. К оценке воздействия автотранспорта на атмосферу г. Санкт-Петербурга / Н.С. Буренин, М.В. Волкодаев // Охрана воздушного бассейна городов и промышленных регионов. - СПб., 2000. - 76 с.

3. Вредные химические вещества. Углеводороды. Галогенпроизводные углеводородов / ред. В.А. Филатов. - Л.: ЛГУ, 1990. - 732 с.

4. Есякова, О.А. Оценка загрязнения воздушной среды г. Красноярска по изменчивости параметров и составу хвои ели сибирской. - Диссертация на соискание ученой степени кандидата биологических х наук. - Красноярск: СибГТУ, 2010. - 120 с.

5. Зайцев, Г.Н. Математический анализ биологических данных / Г. Н. Зайцев. - М.: 1991. - 340 с.

6. Ковылина О.П. Экологическое состояние насаждений лиственницы сибирской (Ьатгх ^чЫпса ЬйЪ.} на территории Академгородка г. Краснояр-ска/О.П. Ковылина, Е.К. Перец. - Брянск// Актуальные проблемы лесного комплекса. - Сб. науч. тр. по итогам межд.С научно-технической конф. - Выпуск 46. - Брянск: БГИТА, 2016 - С.76 -80.

7. Ковылина О.П. Сравнение биометрических и весовых показателей семян лиственницы сибирской (Ьапх ^чЪгпса ЬёЪ.), собранных в озеленительных посадках г. Красноярска /О.П. Ковылина, Е.К. Перец. - Брянск// Актуальные проблемы лесного комплекса. - Сб. науч. тр. по итогам межд.С научно-технической конф. - Выпуск 47. - Брянск: БГИТА, 2017 - С.30-33.

8. Лис, Е.В. Химический состав шишек Ршиб 81Ътса Я. Мауг. - Диссертация на соискание ученой степени канд. хим. наук. - Красноярск: Сиб-ГТУ, 2006. - 160 с.

9. Ревич, Б.А. Загрязнение окружающей природной среды и здоровье населения / Б.А. Ревич. -М.: Изд-во МНЭПУ, 2001. - 244 с.

10. Справочник по удельным показателям выбросов загрязняющих веществ в атмосферу для некоторых производственных источников загрязнения атмосферы / ред. В.Б. Миляев. - СПб.: НИИ Атмосфера, 2002. - Т. 4. - 368 с.

11. Степень, Р.А. Промышленная экология. Антропогенное воздействие на биосферу / Р.А. Степень, Э.С.Бука. - Красноярск: СибГТУ, 2007.-199с.