Выбор флуоресцентного фитоиндикатора техногенных загрязнений

ОЦЕНКА СОСТОЯНИЯ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ

ВЫБОР ФЛУОРЕСЦЕНТНОГО ФИТОИНДИКАТОРА ТЕХНОГЕННЫХ ЗАГРЯЗНЕНИЙ

Д.И. Орехов, Г.А. Калабин

Российский университет дружбы народов Подольское шоссе, 8/5, Москва, Россия, 113093

Рассматриваются основные изменения параметров флуоресценции фотосинтетического аппарата древесных пород (береза, липа, туя, ель) под влиянием загрязнения в г. Москве.

Ключевые слова: флуоресценция, хлорофилл, квантовый выход, фотосинтез, относительный электронный транспорт.

Изучение параметров флуоресценции хлорофилла в коре деревьев открывает возможности быстрого тестирования изменений физиологического состояния древесных насаждений под действием антропогенных факторов в больших городах. Включение этого метода в системы урбо-мониторинга позволит прогнозировать как состояние городских посадок в целом, так и отдельных деревьев. Последнее очень важно для своевременного проведения «оздоровительных процедур» городских насаждений путем изменения маршрутов движения транспорта, административного воздействия на предприятия-загрязнители или ослабления стрессовых нагрузок путем использования природных препаратов-адаптогенов (гуминовых веществ). Весьма важно, что мониторинг флуоресценции хлорофилла позволяет проводить работу в течение периода, значительно превышающего вегетационный сезон. Перспективность применения биофизических методов в экологических исследованиях определяется возможностью работать на интактных растениях и получать объективную информацию о большом числе растений в короткие сроки [1—5]. Высокая чувствительность методов регистрации флуоресценции позволяет надежно регистрировать сигнал от вегетативных органов ин-тактного растения.

В статье рассматриваются вопросы изучения основных изменений флуоресцентных параметров под влиянием загрязнения в условиях г. Москвы. Основной задачей было выявление наиболее чувствительного к загрязнению вида-индикатора среди всех рассматриваемых деревьев.

Объект исследования и методика проведения измерений

Объект исследования — деревья, произрастающие в районе высокого загрязнения атмосферы выхлопными газами автомобильного транспорта (Дмитровское шоссе, ул. 800-летия Москвы, район метро «Достоевская») и в районе относительно пониженного загрязнения (контрольный район) (ул. Ивана Сусанина, возле пруда). Для исследований были выбраны две лиственные породы деревьев (липа, береза) и две хвойные породы (туя, ель).

Исследования проводились в разное время на флуориметрах, регистрирующих параметры как замедленной флуоресценции (относительный параметр замедленной флуоресценции ОПЗФ, нулевая флуоресценция — F0), так и быстрой флуоресценции (относительный электронный транспорт ETR, фотохимическое тушение qP, нефотохимическое тушение NPQ, квантовый выход Fv/Fm).

Параметры замедленной флуоресценции регистрировались на приборе «Фо-тон-10» — флуориметре, разработанном на кафедре экотоксикологии Сибирского федерального университета (г. Красноярск) Ю.С. Григорьевым. Данные замеров замедленной флуоресценции были получены весной 2013 г.

Параметры быстрой флуоресценции регистрировались на кафедре биофизики МГУ с помощью портативного флуориметра PAM-210 (Walz, Германия). Брались побеги (в количестве не менее 5 шт.) с каждого вида и помещались в сосуд с водой. Через 12 часов непосредственно перед началом анализа у побегов отделялся участок коры (0,5—1,5 см2) с одного и того же места по длине. Замеры быстрой флуоресценции проводились весной 2010—2012 гг. Все результативные значения за каждый месяц усреднялись:

где X — среднее значение параметра флуоресценции для каждого измерения; Xi — значения тест-параметра в г'-том измерении; п — количество параллельных измерений.

Значения начальной флуоресценции F0, полученные на Фотоне-10, показаны на рис. 1. Значения F0, полученные на PAM-210, показаны на рис. 2. Значения параметра были усреднены. Они показывают, что у липы значения хлорофилла по обоим методам минимальны: и по значениям замедленной флуоресценции, и по значениям быстрой флуоресценции. Характерен больший разброс значений у хвойных растений по сравнению с лиственными, особенно по замедленной флуоресценции, величина которых пропорциональна количеству хлорофилла у растений. Квантовый выход показывает долю использованной энергии света растениями для реакций фотосинтеза, т.е. это своего рода КПД клетки растения, способность улавливать и направлять энергию света в процесс синтеза необходимых растению веществ (углеводов). Чем больше значение квантового выхода, тем больший процент энергии улавливается растениями для фотосинтеза. У растений, произрастающих в экологически благоприятных районах, данный показатель бывает достаточно высоким 0,7—0,8, что соответствует эффективному улавли-

Xi

Результаты измерений и их обсуждение

ванию энергии света на 70—80%. Однако, например, при действии ингибитора на хлорофилл или любого загрязняющего вещества этот показатель снижается до значений 0,2—0,1, что соответствует очень глубокому подавлению фотосинтеза, практически минимальному уровню [1].

Значения

Г0

Ель Загряз.

Ель Контр.

Туя Загряз.

Туя Контр.

Береза Загряз.

Береза Контр.

Липа Загряз.

Липа Контр.

I

й

9

-1500 -1000

-500 0 500 Г0, отн. ед.

Апрель  Март

1000 1500 2000

Рис. 1. Величина хлорофилла для хвойных пород (туя, ель) и лиственных пород (липа, береза) на контрольном участке и в загрязненном районе на «Фотоне-10»

Г0

Значения Г0

Ель Загряз.

Ель Контр.

Туя Загряз.

Туя Контр.

Береза Загряз.

Береза Контр.

Липа Загряз.

Липа Контр.

0,05

0,1 0,15 Г0, отн. ед.

0,2

0,25

Апрель  Март

0,3

Рис. 2. Величина хлорофилла для хвойных пород

Разброс между контрольным и загрязненным районами незначительно отличается у березы среди лиственных и у ели среди хвойных пород; у липы и туи, напротив, значения варьируют сильнее (рис. 3), что дает основание предположить, что именно липа с туей являются более чувствительными к загрязнению породами. Рассмотрим характер световых кривых (light curves) на примере этих растений с тем, чтобы выявить эту разницу детальнее.

Fv/Fm (быстрая

Квантовый выход

флуоресценция)

Ель Загряз.

Ель Контр.

Туя Загряз.

Туя Контр.

Береза Загряз.

Береза Контр.

Липа Загряз.

Липа Контр.

Апрель  Март

0,1 0,15 0,2

Fv/Fm' ОТН- еД-

0,35

Рис.3. Параметр квантового выхода, характеризующий быструю флуоресценцию для лиственных (липа, береза) и хвойных (туя, ель) пород в загрязненном месте и на контрольном участке

Разница между всеми породами примерно одинаковая в квантовом выходе, но максимумы флуоресценции у липы и ели схожие (составляют 0,43 и 0,38 в контроле и 0,29 и 0,23 соответственно в загрязненных местах) (рис. 4—7). Получается разница в квантовом выходе у липы и ели 0,14 и 0,15 соответственно. У туи и березы значения ниже (0,134 и 0,18 в контроле, 0,09 и 0,14 в загрязненном районе) и разница также меньше (береза — 0,04, туя — 0,038). Большая разница в значениях квантового выхода у липы и ели говорит о большой индивидуальной чувствительности к загрязнению этих видов по сравнению с туей и березой, у которых в данном случае одинаковая разница, что связано с пребыванием в состоянии покоя, так как значения квантового выхода низкие.

Осве[ценность, мкЕ

Рис. 4. Величина квантового выхода для липы в контрольном и в загрязненном районе

Освещенность, I Рис. 5. Величина квантового выхода для туи в контрольном и в загрязненном районе

Квмтовьм вькоа дпябсрезд

Рис. 6. Величина квантового выхода для березы Рис. 7. Величина квантового выхода для ели в контрольном и в загрязненном районе на контрольном участке и в загрязненном

районе

Значения относительного параметра замедленной флуоресценции ОПЗФ, определенные на «Фотоне-10» в марте—апреле 2013 г. как отношение замедленной флуоресценции на высоком свету к значению замедленной флуоресценции на низком свету (В/Н), показаны на рис. 8. Дело в том, что измерение свечения каждой кюветы проводится для двух заранее установленных световых и временных режимов. Когда происходит нарушение целостности мембран хлоропластов при снижении фотосинтетического транспорта электронов в силу невозможности создания протонного градиента протонов на мембране тилакоидов амплитуда быстрых компонент значительно снижается. В режиме «низкого света» свечения в основном представлено медленными компонентами затухания замедленной флуоресценции, интенсивность которых зависит от окислительно-восстановительного состояния первичного акцептора фотосистемы двух хлоропластов. В результате при подавлении фотосинтетического транспорта электронов отношение двух параметров замедленной флуоресценции снижается в несколько раз при неблагоприятном воздействии на растительный тест-организм [2].

ОПЗФ

i

со <D Загряз. '—i г1 ,

<D LO Контр. f- —1

ГО с Загряз. 1

Контр. С-1-1-1-1- 3

Загряз. i ' ' ' ' 1

(X £ 1 1 1

Контр. Г-,- 1

Загряз. ' 1

J3

ш

Контр. 1 1

-^-^-^-^-^-,

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2

ЗФв/ЗФн, отн.ед.

Рис. 8. Усредненная величина относительного параметра замедленной флуоресценции

По значениям усредненной величины ОПЗФ можно выделить липу и ель, причем разница для контрольного и загрязненного районов у липы больше, чем у ели. У туи и березы эта разница не столь большая. Значения у всех пород не превышают 1,1 отн. ед., что соответствует состоянию покоя растений.

Параметр электронного транспорта определяет интенсивность транспортного движения электронов ЕТЯ в цепи переносчиков пластохинона. При определенном уровне освещения клеток листа (феллодермы) активизируется транспорт электронов в реакционных центрах хлорофилла, хотя при избыточном освещении реакционные центры закрываются, и перенос электронов снижается. По значениям ЕТЯ при интенсивности света 46 мкЕ выявлены дополнительные различия с фоном в условиях загрязнения (табл. 1).

Таблица 1

Значения скорости электронного трансопорта в различных условиях загрязнения

Вид Липа Ель Туя Береза

Условия Контр. Загряз. Контр. Загряз. Контр. Загряз. Контр. Загряз.

ЕТЙ 1,8 1,4 4,4 2,8 2,4 0,9 1,6 1,3

ЕТЙк-ЕТЙз 0,4 1,6 1,5 0,3

Угол наклона 0,039 0,030 0,095 0,060 0,052 0,019 0,034 0,028

Очевидно, что у хвойных пород (ель, туя) значения разницы в 5 раз выше (1,6—1,5), чем у лиственных (липа, береза). Эти значения были усреднены. Более активный транспорт электронов в клетках хвойных пород связан с более высоким функционированием фотосинтеза в условиях покоя у голосеменных, чем у лиственных пород. Липа с березой идентичны (0,1 отн. ед.) состоянию туи с елью по уровню относительного электронного транспорта (ЕТЯ). Угол наклона представляет собой начальную величину электронного транспорта как соотношение:

Fv х 0,5 / Fm,

где Fv — переменная флуоресценция = Fm - Fo), Fm — максимальная флуоресценция.

Рассмотрим еще два параметра быстрой флуоресценции: фотохимическое тушение (дР) и нефотохимическое тушение (дА^. Сравнение этих параметров показывает, какой вид более чувствителен к загрязнению. Фотохимическое тушение определяет вероятность оттока электронов для протекания фотосинтетических реакций, эта доля электронов, восстанавливающих молекулы NADH и АТФ. Этот параметр (дР) увеличивается в районах с более благоприятной средой (табл. 2).

Таблица 2

Значения фотохимического тушения в различных условиях загрязнения

Вид Липа Ель Туя Береза

Условия Контр. Загряз. Контр. Загряз. Контр. Загряз. Контр. Загряз.

дР 0,667 0,889 1,7 2,8 0,252 0,118 0,241 0,125

дРк-дРз -0,222 -1,1 0,134 0,116

У липы и ели разница значений отрицательная, что связано с высокой чувствительностью к загрязнению, туя и береза в положительных значениях. В отличие от квантового выхода параметр фотохимического тушения у контроля меньше, чем в загрязненных районах, т.е. у контроля отток электронов меньше на фотосистему 1, чем у загрязненных образцов, связано это с тем, что контрольные растения несколько позже выходят из состояния покоя, чем растения, подверженные антропогенному стрессу. Дело в том, что растения в условиях стресса неглубоко впадают в покой. Поэтому внутренние резервы этих растений быстрее расходуются и общее состояние оценивается как ослабленное после выхода из покоя. Липа с елью в данном случае наиболее ослабленные деревья.

Параметр нефотохимического тушения выполняет двоякую роль в защите клеток растений от неблагоприятных воздействий. Во-первых, нефотохимическое тушение связано с защитой и предохранением хлорофилла от распада, так как происходит сбрасывание излишка энергии в виде излучения в виде тепла при переходе возбужденного электрона из синглетного состояния в основное. Хлорофилл не может бесконечно усваивать энергию света, наступает насыщение, электроны все уже «сидят» на своих переносчиках, и излишки электронов выбрасываются в виде тепла, происходит тепловая диссипация энергии [4—7]. При неблагоприятных условиях меньше энергии расходуется на фотосинтез, больше энергии выбрасывается в окружающее пространство в виде тепла, что предохраняет клетку от распада белков и отключения реакционных центров. Нефотохимическое тушение меняется при изменении температуры и интенсивности загрязнения. У всех видов растений разница между контролем и загрязненным уровнем достаточно четкая, нефотохимическое тушение возрастает (табл. 3).

Таблица 3

Значения нефотохимического тушения в различных условиях загрязнения

Вид Липа Ель Туя Береза

Условия Контр. Загряз. Контр. Загряз. Контр. Загряз. Контр. Загряз.

NPQ 0,11 0,925 0,74 2,25 0,7 2,5 0,12 0,52

NPQк-NPQз -0,815 -1,51 -1,8 -0,4

***

Наиболее чувствительный период в жизнедеятельности растений к загрязнению связан с концом периода покоя в марте—апреле, когда запасы сахаров у деревьев исчерпываются. В условиях повышенного загрязнения выхлопными газами от автомобильного транспорта деревья более ослабленные, чем вдали от дорог. У хвойных видов (туя, ель) большая разница в величине хлорофилла, чем у лиственных (липа, береза), вблизи дороги меньше значения Бо. По квантовому выходу быстрой флуоресценции самая большая разница в значениях Fv/Fm обнаружена у липы и ели, по величине относительного параметра замедленной флуоресценции ОПЗФ эта разница значительнее, т.е. метод замедленной флуоресценции в данном случае более информативный. Единственно, у ели параметр квантового выхода сильно снижен в загрязненных местах именно в апреле, что связано с более низким

энергопотреблением и эффективностью фотосинтеза из-за подготовки к выходу из покоя. Тем не менее метод быстрой флуоресценции дает более полное представление о внутренних процессах внутри клеток: относительном электронном транспорте, оттоку электронов на фотосистему 1, тепловой диссипации избытка энергии света. По относительному электронному транспорту значения более высокие у хвойных, чем у лиственных, но у хвойных пород измерения проводились на иголках, а у лиственных на феллодерме ввиду невозможности проведения измерения на листьях в связи с сезонными факторами, поэтому у них и хлорофилла меньше. Значения разницы фотохимического тушения у ели и липы самые низкие, следовательно, эти виды более чувствительны к загрязнению. Значения нефотохимического тушения возрастают у всех деревьев в условиях повышенного загрязнения выхлопными газами. По значениям ОПЗФ, фотохимическому тушению, квантовому выходу переменной флуоресценции можно сделать вывод, что более чувствительными породами к загрязнению являются липа и ель. Однако по квантовому выходу в данном случае не всегда можно это увидеть достаточно четко. Иногда квантовый выход может у всех деревьев быть примерно одинаковым, а ОПЗФ сильно разнится при этом, т.е. по замедленной флуоресценции лучше видна разница между более и менее ослабленными видами, но по параметрам быстрой флуоресценции можно подробно увидеть, чем обусловлены эти изменения рядом с дорогой и вдали от дороги. Так как липа с елью более чувствительные породы, в целях озеленения их лучше высаживать вдали от дорог либо вторым рядом после кустарников, либо после берез и туи как более устойчивых пород к загрязнению.

ЛИТЕРАТУРА

[1] Венедиктов П.С. и др. Использование флуоресценции хлорофилла для контроля физиологического состояния зеленых насаждений в городских экосистемах // Биофизика. — 1999 — Вып. 6. — С. 1037—1047.

[2] Григорьев Ю.С. Флуоресценция хлорофилла в биоиндикации загрязнения воздушной среды // Вестник МАНЭБ. — 2005. — Т. 10. — № 4. — С. 77—91.

[3] Маторин Д.Н. и др. Определение состояния растений и водорослей по флуоресценции хлорофилла. — М.: Макспресс, 2010.

[4] Орехов Д.И. и др. Флуоресцентный мониторинг древесных пород в различных условиях Москвы // Актуальные проблемы современной науки. — М.: Спутник+, 2011.

[5] Matorin D.N., Vuksanovich N., Rubin A.B., Venediktov P.S. Application of chlorophyll fluorescence in studied of phytoplankton in the Mediterranean Sea // StudiaMarina. — 2002. — V. 23. — P. 79—86.

[6] Papageorgiou G.C., Govindjee. Chlorophyll a fluorescence. A signature of photosynthesis. Springer, 2004.

[7] Rascher U., Liebig M.&Luttge U. Evaluation of instant light-response curves of chlorophyll fluorescence parameters obtained with a portable chlorophyll fluorometer on site in the field // Plant, Cell and Environment. — 2000. — № 23. — P. 1397—1405.

LITERATURA

[1] Venediktov P.S. i dr. Ispol'zovanie fluorescencii xlorofilla dlya kontrolya fiziologicheskogo sostoyaniya zelenyx nasazhdenij v gorodskix e'kosistemax // Biofizika. — 1999. — Vyp. 6. — S. 1037—1047.

[2] Grigor'ev Yu.S. Fluorescenciya xlorofilla v bioindikacii zagryazneniya vozdushnoj sredy // Vest-nik MANE'B. — 2005. — T. 10. — № 4. — S. 77—91.

[3] Matorin D.N. i dr. Opredelenie sostoyaniya rastenij i vodoroslej po fluorescencii xlorofilla, — M.: Makspress, 2010.

[4] Orexov D.I. i dr. Fluorescentnyj monitoring drevesnyx porod v razlichnyx usloviyax Moskvy // Aktual'nye problemy sovremennoj nauki. — M.: Sputnik+, 2011.

[5] Matorin D.N., Vuksanovich N., Rubin A.B., Venediktov P.S. Application of chlorophyll fluorescence in studied of phytoplankton in the Mediterranean Sea // StudiaMarina. — 2002. — V. 23. — P. 79—86.

[6] Papageorgiou G.C., Govindjee. Chlorophyll a fluorescence. A signature of photosynthesis. Springer, 2004.

[7] Rascher U., Liebig M.&Luttge U. Evaluation of instant light-response curves of chlorophyll fluorescence parameters obtained with a portable chlorophyll fluorometer on site in the field // Plant, Cell and Environment — 2000. — № 23. — P. 1397—1405.

SELECTION OF FLORESCENCE PHYTOINDICATOR OF INDUSTRIAL POLLUTION

D.I. Orehov, G.A. Kalabin

Peoples' Friendship University of Russia

Podolskoe shose, 8/5, Moscow, Russia, 113093

In the article are considered the study of fundamental changes in the parameters of fluorescence of the photosynthetic apparatus of trees (birch, lime-tree, thuja, fir), under the influence of pollution in the Moscow.

Key words: fluorescence, chlorophyll, relative quantum yeld, photosinthesis, electron transport rate.