Влияние повышенного естественного фона произрастания на ферментативную активность почв и фотосинтез у ольхи кустарниковой (Duscheciafruticosa)

И. МанаковКН. Продуктивность и биологический круговорот в тундровых биогеоценозах Кольского полуострова. - JI.: Наука, 1970. - 159 с.

12. Вихирева-Васшькова В.В., Гаврилюк В.А., Ша-мурин В. Ф. Надземная и подземная масса некоторых ку-старничковых сообществ Корякской Земли // Проблемы Севера.-М.; Л.:Наука, 1964,-Вып. 8.-С. 130-147.

13.ИгнатенкоИ.В., НоринБ.Н., РахманинаА.Т. Круговорот зольных элементов и азота в некоторых биогеоценозах восточно-европейской лесотундры // Почвы и растительность мерзлотных районов СССР. - Магадан: ДВНЦ АН СССР, 1973. - С. 335-350.

14. ГашеваА.Ф. Запасы фитомассы некоторых сообществ стационара «Харп» // Биомасса и динамика растительного покрова и животного населения в лесотундре. - Свердловск, 1974. - С. 106-107.

15. Андреев В.Н и др. Сезонная и погодовая динамика фитомассы в субарктической тундре. - Новосибирск: Наука, 1978.- 191 с.

16. Карпов Н.С. Влияние выпаса северных оленей

на растительность пастбищ субарктических тундр Якутии.-Якутск, 1991.- 116 с.

17. Чепурко Н.Л. Структура и годовой баланс биомассы в лесах Хибинского горного массива // Почвы и продуктивность растительных сообществ. - Вып. 1. -М.: Изд-во МГУ, 1972. - С. 94-116.

18. Левина В. И. Определение массы ежегодного опа-да в двух типах соснового леса на Кольском полуострове // Ботан. журн. - 1960. - Т. 45. - № 3. - С. 418-423.

19. Андреев В.Н. Прирост кормовых лишайников и приемы его регулирования // Геоботаника: Тр. Ин-та им. В.Л. Комарова АН СССР.-М.; Л., 1954.-С. 11-74.

20. Андреяшкина Н.И. К методике определения годичного прироста, опада и скорости разложения в сообществах гипоарктических кустарников и кустарничков // Ботанический журнал. - 1987. - Т. 72. - №4. - С. 1985.

21 .АндреяшкинаН.И., ПешковаН.В. Сравнительный анализ реакции основных фитоценозов подзоны типичных тундр (полуостров Ямал) на транспортные воздействия // Бот. журн. - 1997. - Т. 82. - №2. - С. 97-102.

УДК [631.427+

Влияние повышенного естественного фона произрастания на ферментативную активность почв и фотосинтез у ольхи кустарниковой

М.М. Шашурин, М. В. Щелчкова, А.Н. Журавская, В.И. Попов

Проведено исследование ферментативной активности почв и некоторых показателей фотосинтеза листьев ольхи кустарниковой при влиянии превышенного естественного радиационного фона. Установлено, что по мере увеличения содержания урана в почве увеличивается его количество в листьях растений. Выявлено, что при повышенном у-фоне уменьшается активность почвенных ферментов (инвертаза, уреаза, каталаза и полифенолоксида-за). Также происходит интенсификация фотосинтеза и активизация фермента рибулозо-1,5-дифосфаткарбокси-лазы в листьях растений. С увеличением у-фона произрастания (от 20 до 1000 мкР/ч) содержание низкомолекулярных антиоксидантов и хлорофилла в листьях ольхи статистически достоверно не изменяется.

Research offermentation activity of bedrocks and some photosynthesis parameters ofDuschecia fruticosa is carried out at the influence, the exceeded natural radioactive background. Cleared up, that in process of augmentation of uranium contents in bedrock, its amount in leaves increases. It is revealed, that at increased г-background activity of edaphic enzymes (invertase, urease, catalase and polyphenol oxidase) decreases. Also there is an intensification of a photosynthesis and activization of an enzyme ribose- 1,5-diphosphate carboxylase in leaves of plants. With augmentation г a background ofgrowth (from 20 up to 1000 microentgenfh) the contents of low-molecular antioxidants and chlorophyll in leaves of an alder statistically authentically does not variate.

Современные эколого-биохимические исследования влияния повышенного естественного радиационного фона (ПЕРФ) на экосистемы в основ-

ШАШУРИН Михаил Михайлович, аспирант ИБПК СО РАН; ЩЕЛЧКОВА Марина Владимировна, доцент кафедры общей биологии БГФ ЯГУ, к.б.н.; ЖУРАВСКАЯ Алла Николаевна, зав. группой радиобиологии ИБПК СО РАН, д.б.н.; ПОПОВ Вячеслав Иванович, зав. лаб. элементного масс-спектрометрического анализа АН РС

ном направлены на изучение изменений физиологических и биохимических характеристик организмов растений и животных [1, 2, 3]. При этом изучение почвенной компоненты (в том числе её энзимологической составляющей), взаимосвязей между распределением радионуклидов в системе «почва - растение» и биохимических ответных реакций почвенной и растительной биоты, как правило, не проводится. Вместе с тем только комплексное радиоэкологическое и радиобиологическое изучение

системы «почва - растение» в условиях ПЕРФ позволяет выявить закономерности влияния радиационного фона и токсичных радионуклидов на биологические показатели почв (на примере их ферментативной активности) и растений (на примере процесса фотосинтеза). Соответственно, цель данной работы - выявить влияние повышенного естественного радиационного фона в почвах и в тканях растений на ферментативную активность почв и ряд показателей процесса фотосинтеза у ольхи кустарниковой.

Материал и методики. Исследования проводились на техногенно-нарушенных участках ура-ново-ториевого месторождения (Алданский район Республики Саха), характеризующихся разным содержанием радионуклидов и, соответственно, разным y-фоном. На отвалах месторождения было заложено 5 пробных площадок, имеющих у-фон 20, 60,100,750 и 1000 мкР/ч соответственно. Регистрацию y-фона осуществляли дозиметром СРП-68-01. В этом диапазоне величин y-фона широко распространена ольха кустарниковая (Duscheciafruticosa). На пробных площадках в листьях ольхи кустарниковой (in vivo) определяли фотосинтетическую активность по учету углекислого газа (меченого 14С) в токе воздуха, прошедшего через определенную площадь листа [4]. Одновременно производили сбор листьев ольхи и смешанных проб мелкозема из верхнего корнеобитаемого почвенного слоя (0-10 см). Образцы высушивали до воздушно-сухого состояния для определения в камеральных условиях следующих биохимических показателей. В сухих листьях - суммарное содержание низкомолекулярных антиоксидантов (НМАО) и активность рибулозо-1,5-дифосфаткарбоксилазы (РБФК) [5], активность супероксиддисмутазы (СОД) [6], а также содержание хлорофилла спектрометрическим методом [7]. В воздушно-сухих образцах мелкозема и сухих листьях ольхи кустарниковой определяли содержание радионуклидов урана (U) и тория (Th) с помощью плазменного масс-спектрометра ISP “Element” (фирма «Finnigan МАТ», Германия) с индуктивно связанной плазмой; а в образцах почв - активности гидролитических и окислительно-восстановительных ферментов (уреазы, инвертазы, каталазы, полифенолоксида-зы) [8, 9,10].

Эксперименты проводили в 4-х повторностях. Достоверность отличия средних арифметических значений определяли путем вычисления среднеквадратичных отклонений и доверительных интервалов при данном количественном значении выборки [11]. При определении биохимических парамет-

ров статистический разброс определяли путем закладки 1% ошибки на метод.

Результаты и обсуждение. Разработка урановых месторождений на территории Южной Якутии сопровождалась извлечением на дневную поверхность горных пород, обогащенных тяжелыми естественными радионуклидами. Поступая в окружающую среду, они вовлекаются в биологический круговорот, оказывая воздействие на все биотические компоненты экосистемы. Микроорганизмы почв, обладающие мощным аппаратом синтеза экскретируемых (в целях внеклеточного «пищеварения») во внешнюю среду ферментов, являются эффективным экологическим звеном в процессах преобразования разнообразных органических и минеральных соединений, в том числе различных ксенобиотиков, способных в том числе и к хелатированию радионуклидов [12]. Ферменты микробиологического происхождения поступают в почвы, иммобилизуются органно-минеральными компонентами и в конечном итоге определяют ее ферментативную активность. С этой точки зрения, актуальным является изучение изменений ферментативной активности почв как фактора, определяющего условия произрастания растений, под влиянием разных доз радиации.

Исследования показывают, что радионуклидное загрязнение почв приводит к изменению численности и состава микробных комплексов [13]. Есть данные, свидетельствующие о том, что увеличение уровня естественной радиации повышает радиорезистентность клеток микроорганизмов и устойчивость последних к летальным дозам облучения [14]. При этом интенсивность накопления в почвах ряда микробных метаболитов также изменяется. Отмечено, что при высоких дозах радиации жизнедеятельность почвенных микроорганизмов угнетается и в почвах снижается количество микробных метаболитов - ДНК, РНК и свободных аминокислот [12]. Однако в литературе отсутствуют данные о влиянии радионуклидного загрязнения на ферментативную активность почв. Изученные нами ферменты инвертаза, уреаза, каталаза и полифенолоксидаза играют важную роль в вещественном и энергетическом обмене почв, катализируя гидролиз углеводов и азотистых соединений, а также окислительно-восстановительные превращения перекиси водорода и фенолов.

Обогащенность почв гумусом является важным фактором, определяющим ее ферментативную активность. Более гумусированные почвы, как правило, более активны. Как показали наши исследования,

образцы мелкозема при прочих равных условиях отличались не только разным уровнем радиоактивности, но и неодинаковым содержанием гумуса (от 3,52 до 11,86%). В целях нивелирования этого различия активность ферментов выражали не только в пересчете на 1 г воздушно-сухой почвы, но и на 100 мг гумуса. По нашему мнению, это позволяет более корректно сопоставить исследуемые пробы.

Результаты исследования ферментативной активности почв отвалов в диапазоне повышенного ПЯ,РФ от 20 до 1000 мкР/ч представлены на рис. 1 (по оси абсцисс отложены величины радиационного фона, по оси ординат - активность соответствующих почвенных ферментов). Полученные данные свидетельствуют о том, что радиоактивное загрязнение снижает уровень ферментативной активности всех четырёх изученных (как гидролаз, так и оксидо-ре-дуктаз) почвенных энзимов. Наиболее резкое снижение активности отмечено для инвертазы и ката-лазы. Активность инвертазы снижается примерно в 3 раза уже при минимально повышенном фоне -60 мкР/ч, по сравнению с контролем (20 мкР/ч; рис. 1А). При ПЕРФ 100 мкР/ч зафиксировано снижение в 3 раза активности каталазы (рис. 1Б). Уреаз-ная и полифенолоксидазная активности снизились относительно контроля, соответственно в 3+4 и 2 раза, лишь при ПЕРФ 1000 мкР/ч (рис. 1 В, Г).

Снижение ферментативной активности почв, по-видимому, является следствием угнетения почвенной микрофлоры в результате повышения содержания радионуклидов. Как свидетельствуют литературные данные, при радионуклидном загрязнении свыше 800 мкР/ч в почвах снижается содержание грибной и бактериальной биомассы, количество ДНК, РНК, аминокислот и аминного азота [12]. При более низком уровне загрязнения - в диапазоне от 700 до 800 мкР/ч - регистрируются колебания этих параметров, которые носят разнонаправленный характер. Причем не всегда наблюдается полное соответствие между количеством микробной биомассы, содержанием микробных метаболитов в почве и радионуклидов. Не все метаболиты могут быть прямо связаны с радиационным излучением. Такая связь показана для ДНК, РНК и бактериальной биомассы [12]-.

В табл. 1 представлены данные по содержанию урана и тория в почве и листьях ольхи кустарниковой, произрастающей в условиях разных значений ПЕРФ, а также коэффициенты перехода основных радионуклидов. Видно, что повышение у-фона обусловлено ростом содержания урана в исследованных образцах почвы (кроме 100 мкР/ч). При

у-фоне 1000 мкР/ч содержание и в почве увеличивается в 90 раз, а в листьях растений - в 1560 раз. Коэффициент перехода в системе «почва-растение» в данной точке исследования составил 28. Следует отметить, что содержание тория как в почве, так и в листьях было незначительно и закономерно не изменялось в зависимости от уровня ПЕРФ.

Уран является не только источником ионизирующего излучения, но и токсичным тяжелым металлом, способным вступать в различные химические реакции с образованием очень биохимически активных соединений, например Са(и02)2Р04,пН20, а металлический уран может вступать в реакцию практически со всеми компонентами атмосферы, гидросферы и многими микроэлементами [14]. Повышенное содержание урана в листьях не могло не сказаться на биохимических процессах, протекающих в них.

Для оценки степени воздействия ПЕРФ на ан-тиоксидантный статус клеток листьев растений было проведено измерение содержания низкомолекулярных и активности ферментативных антиоксидантов. Установлено, что при у-фонах от 20 до 1000 мкР/ч содержание НМАО статистически достоверно не изменяется. Активность же СОД, являющейся ферментным мембранным антиоксидантом, повышается в 1,2 и 2,0 раза при значении у-фона 100 и 750 мкР/ч соответственно. Соответственно, вычисленные значения каоз при этих фонах также выше на 10-50%, чем в контроле (табл.2). Ранее было показано, что длительное произрастание в условиях ПЕРФ ряда видов растений приводит к увеличению их жизнеспособности, особенно в интервале значений у-фона от 100 до 750 мкР/ч. Причем сохранение устойчивости клеток достигается за счет активации систем антиоксидантной защиты: либо за счет увеличения содержания НМАО, либо за счет активации СОД [1,2].

Для оценки фотосинтетических процессов в листьях ольхи кустарниковой изучены следующие их характеристики: содержание хлорофилла, интенсивность фотосинтеза, активность рибулозо-1,5-ди-фосфаткарбоксилазы. Содержание хлорофилла в листьях влияет на продуктивность растений, но потенциальные возможности растения зависят от интенсивности фотосинтеза. Известно, что интенсивность фотосинтеза зависит от большого количества факторов: освещенности, содержания углекислого газа, обводненности, температуры и др. В природе растение испытывает на себе все эти факторы одновременно, из которых одни влияют на световую, а другие — на темновую фазы фотосинтеза [15].

Установлено, что в листьях ольхи кустарниковой при значениях у-фона 750 и 1000 мкР/ч уменьшается содержание хлорофилла от 0,9 до 0,6, соответственно (табл. 2). Вместе с тем интенсивность фотосинтеза при ПЕРФ выше 60 мкР/ч статистически достоверно увеличивается на 40-80%. Известно, что растения разных видов, помещенные в оптимальные условия, имеют примерно одинаковую интенсивность фотосинтеза. Различия появляются только при воздействии на них стресс-фактора [16]. Поэтому можно предположить, что условия произрастания при у-фонах выше 60 мкР/ч являются для ольхи кустарниковой стрессирующи-ми и в первую очередь влияют на интенсивность фотосинтеза. Рибулозодифосфаткарбоксилаза, являющаяся ключевым ферментом фотосинтеза и катализирующая реакцию присоединения углекислого газа к рибулозо-1,5-дифосфату, при увеличении у-фона повышает свою активность в 1,5+2,0 раза (относительно контроля) при увеличении ПЕРФ от 60 до 1000 мкР/ч (табл. 2). Известно, что при воздействии любого повреждающего фактора (например, высокой температуры) может происходить разбалансировка механизмов фотосинтети-ческого аппарата, регулирующих оптимальное распределение световой энергии между фотосистемами [16]. Полученные нами результаты показывают, что повышение радиационного фона является таким фактором, приводящим к подобным перестройкам в фотосинтетическом аппарате листьев ольхи кустарниковой.

Выводы

1. Установлено, что по мере увеличения содержания урана в почве от 6,3 до 564 мг/кг увеличивается его количество в листьях растений от 0,01 до 15,6 мг/кг. В то время как торий практически в листовую ткань не переходит.

2. Показано, что радиоактивное загрязнение природными радионуклидами в изученном диапазоне концентраций (увеличение у-фона составляет от 20 до 1000 мкР/ч) снижает уровень ферментативной активности исследованных почв, как гидролаз, так и оксидоредуктаз (инвертазы, уреазы, катал азы и полифенолоксидазы) в 2,0+3,5 раза. Причём активность всех изученных энзимов (кроме инвертазы) изменяется с ростом ПЕРФ нелинейно, достигая максимума при 60 мкР/ч (уреаза, каталаза) либо 100 мкР/ч (полифенолоксидаза), который на 15+45% превосходит значения активности соответствующих ферментов в контроле (при 20 мкР/ч).

3. Установлено, что с увеличением у-фона произрастания от 20 до 1000 мкР/ч содержание низкомолекулярных антиоксидантов и хлорофилла в листьях ольхи статистически достоверно не изменяется. В то время как активность СОД изменяется нелинейно, достигая максимума (200% от контроля) при 750 мкР/ч. Нелинейно изменяются такие показатели процесса фотосинтеза, как его интенсивность (повышается на 40-80%) и активность рибулозо-1,5-дифосфат-карбоксилазы (>2 раз), достигая максимума при 100 мкР/ч. Это, по-видимому, следует рассматривать как ответную, адаптивную реакцию растительного организма на действия радиоактивного фактора среды.

Рис. 1. Ферментативная активность почв в зависимости от уровня у-фона:

А - активность инвертазы [мг. глюк/г* ч]; Б - активность уреазы [мг 1>Ш47г * 24 ч]; В - активность каталазы [мл 02/ г* мин]; Г - активность полифенолоксидазы [мг бензох./10г ч].

По оси абсцисс - величина у-фона [мкР/ч]; по оси ординат — активность ферментов

Таблица 1

Содержание урана и тория в почве и листьях ольхи кустарниковой, а также коэффициенты их перехода

при повышенном естественном радиационном фоне

U, мг/кг к Th, мг/кг к перехода

мкР/ч в почве 1 в листьях перехода в почве в листьях

20 6,3±0,01 0,01±0,01 0,001 4,8±0,04 0,02±0,01 0,004

60 32,8±0,3 0,89±0,01  0,027 0,8±0,01 0,03±0,01 0,04

100 19,1±0,2 1,69±0,01 0,088 0,6±0,01 0,01±0,01 0,01

750 121,9±1,2 2,27±0,01 0,019 2,2±0,02 - -

1000 564,2±5,3 15,59±0,01 0,028 4,5±0,04 0,01±0,01 0,003

Таблица 2

Значения содержания низкомолекулярных антиоксидантов, активности супероксиддисмутазы, коэффициента общей антиоксидантной защиты, содержание хлорофилла, интенсивность фотосинтеза и активность рибулозо-1,5-дифосфат-карбоксилазы в листьях ольхи кустарниковой

мкР/ч НМАО СОД к а03 Содержание хлорофилла Интенсивность фотосинтеза РБФК

20 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0

60 0,9 1,0 1,0 1,0 1,4 1,5

100 0,9 1,2 1,1 1,0 1,8 1,9

750 0,9 2,0 1,5 0,9 1,6 1,7

1000 1,0 1,0 1,0 0,6 1,4 2,0

Литература

1. Филиппов Э.В. Физиолого-биохимическая оценка устойчивости генома дикорастущих растений к действию радиационных и нерадиационных стресс-факто-ров Якутии: Автореф. дис... канд. биол. наук. - Якутск, 2000.-45 с.

2. Журавская А.Н. Адаптация к экстремальным условиям среды и радиочувствительность растений (радиоэкологические исследования): Автореф. дис... д-ра биол. наук. - М., 2001. - 45 с.

3. Маслова КИ. Влияние экологического фактора повышенной естественной радиоактивности на организм мышевидных грызунов // Радиоэкология позвоночных животных. - М.: Наука, 1978. - С. 33-59.

4. Максимов Т.Х. Эколого-физиологические исследования фотосинтеза ячменя в условиях Якутии: Автореф. дис... канд. биол. наук. - М., 1989. - 20 с.

5. Асатиани B.C. Ферментные методы анализа. - М.: Наука, 1969. - 740 с.

6. Constantine N.G., Stanley K.R. Superoxide Dismutases in hanger plants // Plant Physiol. 1977. - V.59. -P. 565-569.

7. Большой практикум по физиологии растений. -М.: Высшая школа, 1978. -408 с.

8. Хазиев Ф.Х. Ферментативная активность почв. -М.: Наука, 1976.-С. 20-56.

9. Хазиев Ф.Х., Агафонова Я.М., Гулько А.Е. Ускоренный колориметрический метод определения инвер-тазной активности почвы // Почвоведение. - 1988. -№11.-186 с.

10. Хазиев Ф.Х. Методы почвенной энзимологии. -М.: Наука, 1990.-С. 171-197.

И. ЛакинГ.Ф. Биометрия. -М.: Высшая школа, 1980. -293 с.

12. Ефремов А.Л. Индикация радионуклидного загрязнения хвойных лесов по активности почвенной микробиоты //Почвоведение. - 1997. -№ 11. - С. 743-749.

13. Жданова Н.Н., Василевская А.И., Захарченко В.А., АртышковаЛ.В., НаконечнаяЛ.Т. Особенности микробиоты загрязненных радионуклидами почв зоны влияния ЧАЭС (1986 - 1992 гг.) // Микробюлопчний журнал. - 1994. - Т. 56. - №2. - С. 427.

14. Популярная библиотека химических элементов. - М.: Наука, 1974. - 237 с.

15. Беликов П.С., Дмитриева Г.А. Физиология растений - М.: РУДН, 1992. - 248 с.

16. Веселова Т.В., Веселовский В.А., ЧернавскийД.С. Стресс у растений. - М.: Изд-во Моск. ун-та, 1993. -143 с.

Работа выполнена при финансовой поддержке Российского Фонда фундаментальных исследований,

проект № 03-04-96044 «р2003арктика_а».