Техногенное воздействие на сезонную динамику состояния коры у кустарниковых и древесных форм на примере шиповника обыкновенного (Rosa acicularis L. ) и березы повислой (Betula pendula Roth. )

Биологические науки

УДК574.24; 581.522.4 В.П. Лебедева, Г.А. Сорокина,

ЕД. Репс, Н.А. Гаевский

ТЕХНОГЕННОЕ ВОЗДЕЙСТВИЕ НА СЕЗОННУЮ ДИНАМИКУ СОСТОЯНИЯ КОРЫ У КУСТАРНИКОВЫХ И ДРЕВЕСНЫХ ФОРМ НА ПРИМЕРЕ ШИПОВНИКА ОБЫКНОВЕННОГО (ROSA ACICULARIS L.) И БЕРЕЗЫ ПОВИСЛОЙ (BETULA PENDULA ROTH.)*

С целью расширения списка видов растений-индикаторов состояния городской среды были исследованы термоиндуцированные кривые нулевого уровня флуоресценции хлорофилла у фел-лодермы шиповника обыкновенного (Rosa acicularis L.) и березы повислой (Betula pendula Roth) в ходе сезонных изменений состояния фотосинтетического аппарата, а также в период искусственного выхода растений из состояния зимнего покоя. Флуоресценцию возбуждали фотохимически неактивным зеленым светом одновременно с нагревом образцов феллодермы от 30 до 80 °С со скоростью 8 град/мин (флуориметр «Фотон-11», СФУ, Россия). Состояние растений оценивали на основе отношения (R2) низко- (Флнт) и высокотемпературного (Флвт) максимумов на термоиндуцированных кривых флуоресценции. Состояние участков городской среды определяли по физико-химическим показателям смывов с листьев растений. Величина R2 у растений в состоянии зимнего покоя обычно меньше 0,1; в период активной вегетации R2 > 1. В переходные периоды: осень-зима, зима-весна отношение R2 было выше у растений с загрязненных участков. Эта закономерность повторялась и при искусственном прерывании зимнего покоя. Различия физико-химических показателей загрязнения городской среды на опытных площадках были сопоставимы с различиями относительных показателей состояния растений (ОПС = R2(q/R2(i<)) в период выхода из состояния зимнего покоя. Результаты, полученные на шиповнике, указывают на универсальный характер ответной реакции древесных и кустарниковых форм на загрязнение окружающей среды - уменьшение глубины зимнего покоя и сокращенный переходный период. Высокая чувствительность шиповника к техногенному воздействию также позволяет рекомендовать его для биоиндикационных исследований городской среды.

Ключевые слова: загрязнение атмосферы, биоиндикация, флуоресценция хлорофилла, зимний покой растений, шиповник, береза.

V.P. Lebedeva, G.A. Sorokina, E.D. Reps, N.A. Gaevskiy

ANTHROPOGENIC IMPACT ON THE SEASONAL DYNAMICS STATE BARK OF TREES AND SHRUBS ON THE EXAMPLE OF BETULA PENDULA AND ROSA ACICULARIS

To find out new spices of plants suitable for bioindication in urban areas a heat-induced change of the ground level chlorophyll fluorescence of phelloderm cells has been used to estimate winter dormancy depth of R. acicularis and B. pendula in the seasonal changes of the state of the photosynthetic apparatus, as well as during the artificial termination of winter dormancy. Fluorescence was induced with photochemically inactive green light at the same time heating the sample of phelloderm from 30 to 80 °C at a rate of 8 °C / min (fluorometer «Foton-11», SFU Russia). Condition of plants was evaluated according to the ratio of low (Fllt) and high (Flht) temperature maxima on the curves of thermally induced fluorescence (R2). Status of the urban environment is determined by physical and chemical parameters of rinse blank from the leaves of plants. The value of R2 of the plant in the state of dormancy is typically less than 0.1; in the period of active vegetation is more than 1 (R2 > 1). During the conversion periods: autumn-winter, winterspring, plants from contaminated sites has higher R2 ratio. This pattern was repeated with the artificial termination of winter dormancy. The differences in physical and chemical characteristics of urban pollution in sample areas were comparable to the differences in relative indicator of the state of plants (RIS = R2 (C) / R2 (R)) in the

Работа поддержана грантом Российского фонда фундаментальных исследований и Краевого фонда науки № 14-44-04132р_сибирь_а.

22

ВестникКрасГАУ 2015. № 11

period of transition from winter dormancy to active vegetation. The results obtained on the wild rose, point to the universal nature of the response of tree and shrub forms to environmental pollution - reduction in the depth of winter dormancy and reduced transition period. High sensitivity of rose hips to the technogenic impact also allows recommending it for bioindication of urban environment.

Key words: air pollution, bioindication, fluorescence, winter dormancy of plants, rosehip, birch.

Введение. Растения в городской среде подвергаются комплексному влиянию целого ряда загрязняющих веществ, воздействие которых негативно отражается на физиологическом состоянии и сезонной ритмике деревьев и кустарников.

Широкое применение для ранней диагностики повреждений растений, вызванных загрязнением окружающей среды, находят методы биологического контроля, которые основаны на регистрации суммарного токсического эффекта [3]. Одним из таких методов, дающих оперативную информацию о сезонном физиологическом состоянии растения, а также об эффективности запасания световой энергии, является регистрация термоиндуцированных изменений нулевого уровня флуоресценции (ТИНУФ) хлорофилл-содержащих тканей растений в диапазоне 25-80 оС [6].

Теоретической основой применения метода являются различия агрегированности составляющих хлорофилл-белковых комплексов, что отражается в качественных и количественных показателях кривых ТИНУФ в летнее и зимнее время [6] (рис. 1). В период активного метаболизма на кривых ТИНУФ присутствуют два пика - низкотемпературный (50-55 оС), связанный с инактивацией реакционного центра фотосистемы 2 и высокотемпературный (65-70 оС), обусловленный «разгора-нием» флуоресценции хлорофилл-белкового комплекса ФС1 [2, 6, 8]. В период зимнего покоя низкотемпературный максимум отсутствует, положение высокотемпературного максимума смещается в область больших температур (68-73 оС), амплитуда высокотемпературного максимума относительно исходного уровня флуоресценции (при 30 оС) увеличивается. Количественным показателем различий кривых ТИНУФ в летнее и зимнее время может выступать отношение интенсивности флуоресценции в низкотемпературном и высокотемпературном максимумах - R2 [6]. Для периода зимнего покоя характерны низкие значения R2 (0,02-0,25), возрастающие при переходе растений к активному метаболизму до 1,0-2,5 [1].

10

S ! ч

/

й 6 /

1

и

Н О 4 / “**. у/ X.

ч 0 I- V ч * *ч

..* , -

О

1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1—

30 35 40 45 50 55 60 65 70 75

°С

Рис. 1. Общий вид кривых термоиндуцированных изменений нулевого уровня флуоресценции березы повислой в период активной вегетации

23

Биологические науки

Ранее было показано, что стрессовое воздействие загрязнения как на хвойные, так и на лиственные растения приводит к уменьшению глубины покоя, а также к более раннему выходу из этого состояния в весенний период [4, 5, 7, 9].

Цель исследования: сравнительное изучение сезонных изменений термоиндуцированных кривых нулевого уровня флуоресценции у шиповника обыкновенного (Rosa acicularis L.) и березы повислой (Betula pendula Roth.) для расширения списка видов растений-индикаторов состояния городской среды.

Были поставлены следующие задачи:

- изучить сезонную вариабельность ТИНУФ у феллодермы шиповника обыкновенного и березы повислой в условиях разной антропогенной нагрузки;

- оценить глубину зимнего покоя у растений шиповника обыкновенного и березы повислой, произрастающих на относительно чистом (контрольном) и загрязненных участках, при искусственном выведении растений из состояния зимнего покоя в лабораторных условиях;

- провести количественную оценку антропогенного воздействия на основе предложенного относительного показателя состояния растений (ОПС).

Объекты и методы исследования. Экземпляры взрослых растений шиповника обыкновенного (Rosa acicularis L.) и березы повислой (Betula pendula Roth.) произрастали в черте г. Красноярска (Октябрьский район) на выбранных пробных площадках (ПП) с разным характером антропогенного воздействия:

ПП1 (контроль) - хорошо освещенная лесная опушка березняка разнотравного, относительно чистый район, окруженный густой сетью тропинок;

ПП2 - обочина лесной тропы (ширина около 1,5 м), по которой осуществляется интенсивное пешеходное движение, основные стрессирующие факторы - запыление, механическое повреждение растений;

ПП3 - обочина автомобильной дороги (ширина около 1,5 м), вдоль которой осуществляется интенсивное движение автотранспорта, стрессирующие факторы - химическое загрязнение, обусловленное высоким содержанием оксидов серы и азота в выхлопных газах автотранспорта.

Образцы феллодермы для флуоресцентного анализа отбирали ежемесячно у трехлетних побегов растений: березы - с апреля 2011 г. по март 2012 г., шиповника - с сентября 2012 г. по апрель 2013 г. Пробы листьев шиповника и березы для контроля уровня атмосферного загрязнения на всех пробных площадях отбирали в один день в июле 2012 г.

Поверхностные смывы получали многократной промывкой навески листьев (5 г) дистиллированной водой до конечного объема 100 мл. В смывах определяли наличие взвеси по ослаблению света (X = 500 нм) при помощи фотометра ИПС-03 (ООО «ОМИКРОН», г. Красноярск, Россия), кислотность (рН) и электропроводность (^S) среды измеряли на приборе Watertest (Hanna Instruments, Германия). Термоиндуцированные изменения нулевого уровня флуоресценции хлорофилла регистрировали на флуориметре «Фотон-11» (СФУ, Россия). Нагрев образцов, погруженных в воду, производили со скоростью 8 град/мин в диапазоне от 30 до 80 оС; флуоресценцию возбуждали слабым фотохимически неактивным светом от зеленого светоизлучающего диода (510550 нм).

Выход растений из состояния зимнего покоя (февраль 2012 г.) стимулировали помещением срезанных побегов в сосуды с водой в условия комнатной температуры и естественного фотопериода. Показателем состояния растений в переходные периоды и глубины покоя в зимний период служило отношение низко- (Флнт) и высокотемпературного (Флвт) максимумов флуоресценции:

R2 - Флнт/Флвт.

Относительный показатель состояния растений рассчитывали как

24

ВестникКрасГАУ 2015. № 11

ОПС - R2(0)/R2(K),

где R2(0) и R2(k) - среднее значение отношения R2 в исследуемом и контрольном районах соответственно. Все измерения проводили в трех повторностях, рассчитывали среднее значение и стандартное отклонение.

Результаты исследования и их обсуждение. Физико-химический анализ смывов с поверхности листьев шиповника обыкновенного показал, что в направлении от опушки леса (ПП1) к автомагистрали (ПП3) наблюдается увеличение электропроводимости в 3 и 5 раз и снижение прозрачности раствора за счет наличия в воздухе песка, сажи и других частиц в 7 и 30 раз на обочине лесной тропы и автодороги соответственно (табл.).

Физико-химические показатели анализа смывов с листьев шиповника и березы

Растение Физико-химический показатель

Пробная площадь Электропроводимость, pS/cm Ослабление света, см-1

Шиповник Лесная опушка (ПП1) 24,01 ± 1,11 0,08 ± 0,01

Лесная тропа (ПП2) 71,21 ± 1,15 0,58 ± 0,02

Обочина автодороги (ПП3) 113,02 ± 1,01 2,43 ± 0,01

Береза Лесная опушка (ПП1) 33,33 ± 3,21 0,26 ± 0,02

Обочина автодороги (ПП3) 103,67 ± 1,53 0,70 ± 0,02

Для смывов с листьев березы на загрязненной пробной площади электропроводность и мутность возрастают в три раза. Значения березы с ПП1 выше, чем аналогичные данные для шиповника, но результаты березы с обочины автодороги ниже, чем для шиповника с ПП3, что, вероятно, связано с морфоанатомическими особенностями листьев.

Результаты изучения сезонной динамики показателя R2 (рис. 2) и характера кривых ТИНУФ у шиповника обыкновенного на исследуемых пробных площадях показали, что переход растений с лесной опушки (ПП1) в состояние зимнего покоя близок к завершению уже в сентябре. В октябре аналогичные значения R2 регистрируются для растений с обочины пешеходной тропы (ПП2). И, наконец, с дальнейшим понижением температуры в ноябре, в состояние зимнего покоя переходят растения с обочины автодороги (ПП3).

Таким образом, можно заключить, что наблюдается сокращение периода состояния покоя для растений шиповника обыкновенного при росте уровня антропогенного воздействия (см. табл.), что согласуется с данными, полученными для других видов растений [6, 7, 9]. Подобная реакция, по-видимому, является универсальной не только для древесных, но и для кустарниковых растений.

У березы, в отличие от шиповника, переход растений в состояние зимнего покоя происходил в октябре, как на чистой, так и на загрязненных пробных площадях (см. рис. 2). Можно сделать вывод о более слабом влиянии комплекса стрессирующих факторов на зимний покой деревьев данного вида.

Относительный показатель состояния растений позволяет сравнить антропогенное воздействие среды на различных пробных площадках, когда есть пробная площадка с условно чистой средой. Поскольку на загрязненных участках по сравнению с чистыми (контрольными) участками показатель R2 в переходные периоды (сентябрь, февраль) выше (рис. 3), увеличение ОПС может указывать на более высокий уровень загрязнения.

25

Биологические науки

Рис. 2. Динамика изменения величины отношения низко- и высокотемпературного максимумов (R2) феллодермы: А - шиповника обыкновенного в период с сентября 2012 г. по апрель 2013 г.; Б - березы повислой в период с сентября 2011 г. по апрель 2012 г.

Рис. 3. Динамика изменения величины ОПС феллодермы

26

ВестникКрасГАУ 2015. № 11

шиповника обыкновенного и березы повислой Значения ОПС шиповника в естественных условиях в целом выше, чем у березы. Исходя из теоретического обоснования величины ОПС растений, значения которого тем выше, чем сильнее различия между растениями с разных пробных площадей, чувствительность кустарников на примере шиповника обыкновенного сопоставима с древесными растениями в период покоя (ноябрь, декабрь), а в переходный период (сентябрь, февраль) в естественных условиях даже несколько больше. Возможно, это связано с тем, что основная вегетирующая масса кустарника располагается в приземном слое, где концентрируется наибольшая масса загрязняющих веществ.

Для повышения оперативности метода и сравнительного изучения глубины покоя шиповника обыкновенного и березы повислой проводили выведение растений из состояния зимнего покоя в лабораторных условиях (рис. 4).

А

5

Сутки

1

7

Б

1 5 7

Сутки

Рис. 4. Динамика изменения величины отношения низко- и высокотемпературных максимумов (R2) при выведении растений из состояния покоя в лабораторных условиях:

27

Биологические науки

А - шиповник обыкновенный; Б - береза повислая

В целом при выведении из состояния зимнего покоя в лабораторных условиях можно отметить, что для шиповника обыкновенного регистрируются более высокие значения показателя R2, чем для березы повислой.

Рассчитанные значения ОПС свидетельствуют (рис. 5), что наиболее высокий уровень антропогенного воздействия на оба вида растений наблюдается на обочине автодороги (ПП3), меньшие значения показывает лесная тропа (ПП2). Такое распределение согласуется с данными физикохимического анализа, что позволяет использовать предложенный метод для оперативной биоиндикации окружающей среды.

Рис. 5. Динамика изменения ОПС при выведении растений из состояния зимнего покоя в лабораторных условиях: А - шиповник обыкновенный; Б - береза повислая

Полученные результаты могут свидетельствовать о перспективном использовании кустарников для биологического контроля антропогенного воздействия на растения.

Выводы. Полученные в работе данные показывают, что под действием антропогенной нагрузки происходит сокращение сроков и глубины покоя шиповника обыкновенного. Ранее проведенными исследованиями подобное изменение сезонной динамики было зарегистрировано для дре-

28

ВестникКрасГАУ 2015. № 11

весных голосеменных и покрытосеменных растений [4, 7, 9]. Таким образом, подобная реакция, по-видимому, является универсальной не только для древесных, но и кустарниковых растений.

Высокая чувствительность шиповника к техногенному воздействию также позволяет рекомендовать его для биоиндикационных исследований.

Литература

1. А.С. 1358843. Российская федерация. Способ определения степени глубины покоя древесных растений / Гаевский Н.А., Сорокина Г.А., Гехман А.В., Фомин С.А., Гольд В.М. -15.08.1987.

2. Гаевский Н.А., Ладыгин В.Г., Гольд В.М. Новые данные о природе высокотемпературного подъема флуоресценции хлорофилла // Физиология растений. - 1989. - Т. 36, вып. 2. -

С. 274-281.

3. Григорьев Ю.С., Бучельников М.А. Биоиндикация загрязнений воздушной среды на основе замедленной флуоресценции хлорофилла листьев и феллодермы деревьев // Экология. -1999. - № 4. - С. 273-275.

4. Древесные растения как биоиндикаторы уровня загрязнения атмосферы / Г.А. Сорокина,

B. П. Лебедева, С.А. Раков [и др.] // Ульяновский медико-биологический журнал. - 2012. - № 1. -

C. 94-102.

5. Пахарькова Н.В., Шубин А.А., Сорокина Г.А. Влияние загрязнения воздушной среды на зимний покой древесных растений // Теоретическая и прикладная экология. - 2012. - № 2. - С. 20-25.

6. Сезонные изменения фотосинтетического аппарата древесных и кустарниковых растений / Н.А. Гаевский, Г.А. Сорокина, В.М. Гольд [и др.] // Физиология растений. - 1991. - Т. 38, вып. 4. - С. 685-692.

7. Сорокина Г.А., Лебедева В.П. Биоиндикация атмосферного загрязнения с использованием древесных растений // Охрана окружающей среды и природопользование. - 2011. - № 2. - С. 52-56.

8. Downton W.J.S., Berry J.A. Chlorophyll fluorescence at high temperature // Biochim. et Biophys. Acta. - 1982. - V. 679. - № 2. - P. 474-486.

9. Pakharkova N.V., Sorokina G.A., GrigorievYu.S. Fluorescence methods for estimating influence of air pollution on winter dormancy woody plants // Finnish conference of environmental science. Proceedings, Turku, Finland, 2011. - P. 111-114.

Literatura

1. A.S. 1358843. Rossiyskaya federatsiya. Sposob opredeleniya stepeni glubiny pokoya drevesnyh rasteniy / Gaevskij N.A., Sorokina G.A., Gehman A.V., Fomin S.A., Gol'd V.M. - 15.08.1987.

2. Gaevskiy N.A., Ladygin V.G., Gol'd V.M. Novye dannye o prirode vysokotemperaturnogo podyema fluorescencii hlorofilla // Fiziologija rastenij. - 1989. - T. 36. - Vyp. 2. - S. 274-281.

3. Grigor'ev Ju.S., Buche'nikov M.A. Bioindikatsiya zagrjazneniy vozdushnoi sredy na osnove zamed-lennoifluorescentsii hlorofilla list'ev i fellodermy derev'ev // Ekologiya. - 1999. - № 4. - S. 273-275.

4. Drevesnye rastenija kak bioindikatory urovnya zagrjazneniya atmosfery / G.A. Sorokina, V.P. Lebedeva, S.A. Rakov [i dr.] // Ul'janovskiy mediko-biologicheskiy zhurnal. - 2012. - № 1. - S. 94-102.

5. Pahar'kova N.V., Shubin A.A., Sorokina G.A. Vliyanie zagrjazneniya vozdushnoi sredy na zimniy pokoi drevesnyh rasteniy // Teoreticheskaya i prikladnaya jekologiya. - 2012. - № 2. - S. 20-25.

6. Sezonnye izmeneniya fotosinteticheskogo apparata drevesnyh i kustarnikovyh rasteniy / N.A. Gaevskiy, G.A. Sorokina, V.M. Gol'd [i dr.] // Fiziologiya rasteniy. - 1991. - T. 38. - Vyp. 4. - S. 685-692.

7. Sorokina G.A., Lebedeva V.P. Bioindikatsiya atmosfernogo zagrjazneniya s ispol'zovaniem drevesnyh rasteniy // Ohrana okruzhajushhei sredy i prirodopol'zovanie. - 2011. - № 2. - S. 52-56.

8. Downton W.J.S., Berry J.A. Chlorophyll fluorescence at high temperature // Biochim. et Biophys. Acta. - 1982. - V. 679. - № 2. - P. 474-486.

29

Биологические науки

9. Pakharkova N.V., Sorokina G.A., Grigoriev Yu.S. Fluorescence methods for estimating influence of air pollution on winter dormancy woody plants // Finnish conference of environmental science. Proceedings, Turku, Finland, 2011. - P. 111-114.

УДК [591.5:595.771] (571.12) О.А. Фёдорова, Е.И. Сивкова

ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ФАКТОРЫ, ВЛИЯЮЩИЕ НА ЧИСЛЕННОСТЬ ПРЕИМАГИНАЛЬНЫХ ФАЗ

РАЗВИТИЯ МОШЕК

В статье представлены результаты многолетних исследований, которые послужили изучением мест выплода кровососущих мошек на юге Тюменской области и влиянием экологических факторов на численность преимагинальных фаз развития этих насекомых. Сборы и подсчет численности преимагинальных фаз мошек проводили по общепринятым методикам. Результаты исследований показали, что на юге Тюменской области основными местами выплода мошек являются реки Исеть, Пышма и мелкие речки и ручьи. В зависимости от сезона численность мошек может претерпевать серьезные изменения, что обусловлено гидрологическим режимом рек. Высокий и продолжительный весенний паводок благоприятен для развития мошек. Максимальная плотность личинок и куколок - 390 особей на 1 дм2 субстрата была зарегистрирована в 2007 г, когда на реках был высокий и продолжительный весенний паводок. Минимальная плотность поселения преимагинальных фаз развития мошек отмечалась в 2006 и 2014 гг. и составила от 2 до 97 особей/дм2, когда весеннее повышение уровня воды в реках было незначительным, низкая численность личинок и куколок обусловлена сложившимися в эти годы метеорологическими условиями. Из вышесказанного следует, что местами выплода мошек являются реки и ручьи. Основными факторами, препятствующими развитию мошек в водоеме, являются низкая скорость течения воды, мутность и загрязненность промышленными и бытовыми отходами. Одним из факторов, ограничивающих их численность, является набольшая (менее 0,1 м/с) скорость течения воды, в связи, с чем практикуемое строительство плотин на небольших речках, с целью создания водохранилищ для водопоя животных на пастбищах, обеспечивает ограничение численности личинок и куколок мошек.

Ключевые слова: мошки, личинки, куколки, плотность, места выплода, экологические факторы.

O.A. Fyodorova, E.l. Sivkova

ENVIRONMENTAL FACTORS INFLUENCING THE NUMBER OF PREIMAGINAL PHASES OF DEVELOPMENT MIDGES

In the South of the Tyumen region main places of hatching midges are of the Iset river, Pyshma and small rivers and streams. Depending on the season the number of midges may undergo major changes due to hydrological regimes of the rivers. High and prolonged spring flooding are favorable for the development of midges. The maximum density of larvae and pupae - 390 individuals per 1 dm2 of the substrate was recorded in 2007, when the rivers were high and prolonged spring flooding. Minimum density of larval settlement phases in the development of midges was observed in 2006 and 2014, when the spring rise in water level in the rivers was low.

Key words: midges, larvae, pupae, density, hatching places, environmental factors.

Введение. Кровососущие мошки (Diptera, Simuliidae) развиваются в быстротекущих водоемах различной величины - от мелких ручьев до крупных рек. Вся территория Тюменской области прорезана густой сетью проточных водоемов, которые различаются по величине, степени проточности и физико-химическим свойствам воды [1]. Наличие хорошо разветвленной гидрологической сети

30