Содержание пигментов фотосинтеза в антропогенных фитоценозах города Тобольска

Физиология

PHYSIOLOGY

DOI: 10.12731/wsd-2016-10-110-120 УДК 581.181

СОДЕРЖАНИЕ ПИГМЕНТОВ ФОТОСИНТЕЗА В АНТРОПОГЕННЫХ ФИТОЦЕНОЗАХ ГОРОДА ТОБОЛЬСКА

Попова Е.И.

Фотосинтез имеет важнейшее значение в жизни растительного организма. Для нормального протекания процесса фотосинтеза необходимы определенные внешние и внутренние условия. Исследование посвящено изучению фотосинтетических пигментов в антропогенных фитоценозах. Целью нашей работы явилось изучение пигментного состава растительности антропогенных фитоценозов. Методы: в качестве метода исследования использовали спектрофотометрический метод определения содержания пигментов. Результаты: показано, что концентрация хлорофилла а, b и каротиноидов изменяется в зависимости от условий произрастания. Максимальное содержание хлорофилла а и b отмечается в менее загрязненных участках. В стрессовых антропогенных условиях регистрируется повышенное содержание каротиноидов. Данное содержание каротиноидов, с одной стороны, снижает стрессовый эффект, с другой - выполняет защитную функцию, предохраняя молекулы хлорофилла и другие органические вещества от разрушения. В работе приведен видовой состав сосудистых растений произрастающих на исследуемых участках. Определен коэффициент Жаккара. Область применения результатов: полученные данные могут быть использованы для прогнозирования динамики популяций и сооб-

ществ растений на загрязненных территориях и мониторинга состояния природных экосистем.

Ключевые слова: фотосинтез; пигменты; хлорофилл; каротиноиды; спектрофотометрический метод; фитоценоз.

THE CONCENTRATION OF PHOTOSINTHESIS PIGMENTS IN THE ANTHROPOGENIC PLANT COMMUNITIES IN TOBOLSK TOWN

Popova E.I.

Photosynthesis means a lot in the life of a plant body. For the normal photosynthesis process it is necessary to have certain external and internal conditions. The topic of the research is the study of photosynthesis pigments in anthropogenic plant communities. The aim of our work was to study the pigment composition plants of anthropogenic phytocenoses. Methods: we have used the spectrophotometry method to define the concentration of pigments. Results: the research has shown that the concentration of a - chlorophyll, b - chlorophyll and carotenoids changes depending on the site conditions. The maximal concentration of a and b chlorophyll is found on less polluted areas. High carotenoid concentration was found in stress anthropogenic conditions. On the one hand, this carotenoid concentration decreases the stress effect. On the other hand it fulfils the protection function, preventing the chlorophyll molecules and other organic substances from destruction. In the research you will find the species composition of vascular plants on the sites under research. Jaccard's coefficient of community has been defined. Field of application of results: the data can be used to predict the dynamics of populations and communities of plants in the contaminated areas and monitor the status of natural ecosystems.

Keywords: Photosynthesis; pigments; chlorophyll; carotenoids; spectro-photometric method; plant communities.

112

!П ^ World of Scientific Discoveries, 10(82), 2016

Введение

Фотосинтетический аппарат в первую очередь подвергается воздействию стрессовых факторов. Адаптационные возможности ассимиляционного аппарата растений включают как иммобилизацию уже имеющихся приспособительных процессов, так и новые защитные механизмы. Одни из них активируются как ответная реакция на любой стресс, другие (структурные, физиологические и биохимические перестройки) могут быть следствием специфической реакции на тот или иной стресс. Особый интерес в этой ситуации представляет роль фотосинтетических пигментов - компонентов фотосинтетических структур (фотосистем I и II и светособирающих комплексов) - хлорофилла а, хлорофилла Ь и ка-ротиноидов [1, 3, 4, 5]. Исследования проводились в городе Тобольске и его окрестностях, Тюменской области. Научная новизна исследований заключается в том, что они направлены на изучение адаптивных особенностей сосудистых растений, произрастающих в условиях урбанизированной среды.

В качестве метода исследования был выбран спектрофотометрический метод определения содержания пигментов [2, 7, 9, 11]. Пробы отбирались в летний период, в дневное время. Экстракция проводилась в 90% этаноле. Оптическую плотность вытяжек определяли на спектрофотометре и№СО-1200. Точное содержание отдельных пигментов устанавливали, определяя оптическую плотность (Е) вытяжки при 665, 649 и 440 нм (максимумы поглощения соответственно хлорофилла а, хлорофилла Ь и каро-тиноидов в этаноле). Концентрацию хлорофиллов а, Ь и кротиноидов (С) рассчитывали по уравнениям Винтерманс и Де Мотс для этанола [6, 8, 10]:

Материалы и методы

Са = 13,70 х £665 - 5,76 х£(

'649

Сб = 25,80 X Еш - 7,60 х Е,

665

Ск = 4,7 х Еш - 0,27 х С(

Математическую обработку данных осуществляли с помощью общепринятых методов с использованием пакета программ Microsoft Excel.

Результаты и их обсуждение

Для определения пигментов фотосинтеза были подобраны участки с разной степенью антропогенной нагрузки.

Площадка № 1. Растительная ассоциация: Вейниково-разнотравное остепненное сообщество Steppevarieherbetum calamagrostidosum. Географические координаты: N58°15,630', Е068°28,878'. Рельеф ровный и плоский. Антропогенное воздействие не выражено. Размеры и конфигурация пробной площади: 4 м х 4 м = 16 кв.м. Общее проективное покрытие живого напочвенного покрова: 100%. Средняя высота травостоя: 90 см.

Площадка № 2. Название растительной ассоциации: Придорожное рудеральное сообщество Ruderoherbosa. Географические координаты: N 58°15'36,9" Е 068°25',52,8". Рельеф ровный и плоский. Антропогенное воздействие: выраженное, около автодороги. Общее проективное покрытие живого напочвенного покрова: 70%. Другие особенности: прилегающая к асфальту часть полотна дороги имеет общее проективное покрытие < 5%. Средняя высота травостоя: 60 см.

Площадка № 3. Название растительной ассоциации: Придорожное рудеральное сообщество Ruderoherbosa. Географические координаты: N 58°15'30,7" Е 068°27'30,5''. Рельеф ровный и плоский. Антропогенное воздействие: искусственный техногенный субстрат, около автодороги. Общее проективное покрытие живого напочвенного покрова: 60%. Другие особенности: прилегающая к асфальту часть полотна дороги имеет общее проективное покрытие < 3%. Средняя высота травостоя: 50 см.

Несмотря на то, что при подборе площадок доминировало стремление максимально достичь их сходства, тем не менее, участки №1, 2, 3 оказались не идентичными по видовому составу растений (табл. 1).

На участке №1 из слагающих его растительности выявлено 16 видов сосудистых растений. Из 16 видов сосудистых растений на участке №2

представлено 13 видов. На участке №3 обнаружено 11 видов. Общих видов на обеих площадках 10.

Таблица 1.

Видовой состав изучаемых фитоценозов

№ п/п Название растении Участки

1 2 3

Plantago major L. + + +

Calamagrostis pseudophragmites (Haller fil.) + - -

Medicago lupulina L. - + -

Naumburgia thyrsiflora (L.)Reichenb. + - -

Chenopodium album L. - + -

Polygonum aviculare agg. + + +

Tussilago farfara L. + + +

Calamagrostis purpurea (Trin.) + - -

Melilotus albus Medik. + + +

Trifolium medium L. - + +

Elytrigia repens (L.)Nevski + + +

Carex diandra Schrank + - -

Phragmites australis (Cav.)Trin.ex Steud. + + +

Tripleurospermum perforatum(Merat) L.Lainz + + +

Achillea millefolium L. + + +

Aegopodium podagraria L. + + +

Agrostis gigantea Roth + - -

Taraxacum officinale L. + + +

Filipendula denudata (J. et C. Presl) Fritsch + - -

Всего видов на участках 16 13 11

Общие виды для трех площадок: Plantago major L. (Подорожник большой), Polygonum aviculare agg. (Горец птичий), Tussilago farfara L. (Мать-и-мачеха обыкновенная), Melilotus albus Medik. (Донник белый), Elytrigia repens (L.) Nevski (Пьфей ползучий), Phragmites australis (Cav.) Trin.ex Steud. (Тростник обыкновенный), (Tripleurospermum perforatum (Merat) L.Lainz (Трехреберник продырявленный), Achillea millefolium L. (Тысячелистник обыкновенный), Aegopodiumpodagraria L. (Сныть обыкновенная), Taraxacum officinale L. (Одуванчик лекарственный).

Из различных коэффициентов сходства используем здесь коэффициент Жаккара (Р. Jaccard), как самый биологически оправданный [4]:

К^С:

где а - число видов на одной площадке; Ь - число видов на второй площадке; с - число общих видов [1].

В результате расчёта в нашем случае К составил 0,2. Это сравнительно высокое значение, свидетельствующее о значительном сходстве видового состава растений участков. Компоненты фотосинтетического аппарата имеют ключевое значение в жизни растения в стрессовых условиях роста, развития, размножения, перенесения неблагоприятных условий. Для исследования взяли растения, которые являются общими для всех трех участков. На рисунках 1, 2, 3 наблюдается резкое различие содержания пигментов разных групп.

Рис. 1. Содержание Хлорофилла а в растениях исследуемых участков.

1 - Plantago major L., 2 - Polygonum aviculare agg., 3 - Tussilago farfara L., 4 - Melilotus albus Medik., 5 - Elytrigia repens (L.)Nevski, 6 - Phragmites australis (Cav.)Trin.ex Steud., 7 - Tripleurospermum perforatum (Merat)L.Lainz, 8 - Achillea millefolium L., 9 - Aegopodium podagraria L., 10 - Taraxacum agg. <dfficinale L.

Соотношение и содержание изученных пигментов свидетельствует о том, что рассматриваемые виды светолюбивые растения. Исходя из полученных в ходе исследования данных видно, что у всех видов преобладает основной хлорофилл а в сравнении с содержанием вспомогательного хлорофилла b.

Из указанных данных видно, что у растений, произрастающих в антропогенных условиях, концентрация хлорофилла Ь также снижется в сравнении с контрольным участком (рис. 2).

Рис. 2. Содержание Хлорофилла b в растениях исследуемых участков. 1 - Plantago major L., 2 - Polygonum aviculare agg., 3 - Tussilago farfara L., 4 - Melilotus albus Medik., 5 - Elytrigia repens (L.)Nevski, 6 - Phragmites australis (Cav.)Trin.ex Steud., 7 - Tripleurospermumperforatum (Merat)L.Lainz, 8 - Achillea millefolium L.,9 - Aegopodiumpodagraria L., 10 - Taraxacum agg. qfficinale L.

1 2 3

Участки

Si ! 2 Я 3 П ;4 В 5 ГЭ 6 И 7 0 8 Ш 9 EU 10

Рис. 3. Содержание каротиноидов в растениях исследуемых участков. 1 - Plantago major L., 2 - Polygonum aviculare agg., 3 - Tussilago farfara L., 4 - Melilotus albus Medik., 5 - Elytrigia repens (L.)Nevski, 6 - Phragmites australis (Cav.)Trin.ex Steud., 7 - Tripleurospermum perforatum (Merat)L.Lainz, 8 - Achillea millefolium L.,9 - Aegopodium podagraria L., 10 - Taraxacum agg. Qfficinale L.

В стрессовых антропогенных условиях регистрируется повышенное содержание каротиноидов. Так, содержание общих каротиноидов на участках с антропогенным воздействием варьировало: у Plantago major L. (4,02-4,23), Polygonum aviculare agg. (3,99-4,65), Tussilago farfara L. (6,10-6,38), Melilotus albus Medik. (1,52-1,99), Elytrigia repens (L.) Nevski (1,91-2,36), Phragmites australis (Cav.) Trin.ex Steud. (5,98-6,48), (Tripleurospermum perforatum (Merat) L.Lainz (7,89-8,01), Achillea millefolium L. (8,01-8,48), Aegopodium podagraria L. (3,89-4,25), Taraxacum оfficinale L. (5,01-5,78) мг/г (рис. 3).

Заключение

Антропогенная нагрузка влияет на видовое разнообразие фитоцено-зов. Происходит уменьшение числа видов на участках с наибольшей антропогенной нагрузкой.

Показано, что концентрация хлорофилла а, b и каротиноидов изменяется в зависимости от условий произрастания. Максимальное содержание хлорофилла а и b отмечается в менее загрязненных участках.

В стрессовых антропогенных условиях регистрируется повышенное содержание каротиноидов.

Данное содержание каротиноидов, с одной стороны, снижает стрессовый эффект, с другой - выполняет защитную функцию, предохраняя молекулы хлорофилла и другие органические вещества от разрушения.

Полученные результаты свидетельствуют о выраженных адаптивных возможностях фотосинтетического аппарата многих видов растений, что служит основанием рекомендовать данную методику исследования для выявления антропогенных территорий и проведения мониторинговых работ.

Список литературы

1. Булохов А. Д. Экологическая оценка среды методами фитоиндикации. Брянск: Изд-во БГПУ, 1996. 104 с.

2. Жиров В.К., Голубева Е.И., Говорова А.Ф., Хаитбаев А.Х. Структурно-функциональные изменения растительности в условиях техногенного загрязнения на Крайнем севере. М.: Наука, 2007. 166 с.

3. Ильина С. П. Морфологические изменения растений, используемые для биоиндикации загрязнения окружающей среды // Проблемы экологии и экологического образования Челябинской области: Материалы конференции. Челябинск: ЧелГУ, 2001. С. 37-38.

4. Опекунова М. Г. Биоиндикация загрязнений. СПб.: Изд-во СпбГУ, 2004. 266 с.

5. Попова Е.И. Экологическое состояние лесных фитоценозов в районе ТНХК // В мире научных открытий. Серия «Проблемы науки и образования». Т. 9.2 (33). 2012. С. 186-197.

6. Попова Е.И. Влияние антропогенных факторов химической природы на морфо-биологическую изменчивость Plantago major L. и Plantago media L. // Научные ведомости БелГУ Белгород: Издательство БелГУ, 2011. №9 (104) Выпуск 15. С. 57-62.

7. Tarshis L.G. Morphological-anatomical features of underground organs in some higher plant species in relation to their adaptation to ecological conditions //Russian Journal of Ecology. 2005. Т. 36. № 2, рр. 81-88.

8. Tuzhilkina V.V. Response of the pigment system of conifers to long-term industrial air pollution // Russian Journal of Ecology. 2009. Т. 40. № 4, рр. 227-232.

9. Voronkova N.M., Burkovskaya E.V., Burundukova O.L., Bezdeleva T.A. Morphological and biological features of plants related to their adaptation to coastal habitats // Russian Journal of Ecology. 2008. Т. 39. № 1, рр. 1-7.

10. Mukhin V.A., Betekhtina A.A. Adaptive significance of endomycorrhizas for herbaceous plants //Russian Journal of Ecology. 2006. Т. 37. № 1, рр. 1-6.

11. Zaitsev G.A., Kulagin A.Yu. Root system formation in Scotch pine (Pinus syl-vestris L.) under conditions of technogenesis (Ufa Industrial Center)//Russian Journal of Ecology. 2005. Т. 36. № 2, рр. 127-130.

References

1. Bulokhov A.D. Ekologicheskaya otsenka sredy metodami fitoindikatsii [Environmental assessment methods phytoindication environment]. Bryansk: BGPU, 1996. 104 p.

В Mupe HayHHHX otkphtmm, № 10(82), 2016

119

2. Zhirov V.K., Golubeva E.I., Govorova A.F., Khaitbaev A.Kh. Struktur-no-funktsional'nye izmeneniya rastitel'nosti v usloviyakh tekhnogennogo zagryazneniya na Kraynem severe [Structural and functional changes of vegetation in conditions of anthropogenic pollution in the Far North]. Moscow: Nauka, 2007. 166 p.

3. Il'ina S.P. Materialy konferentsii «Problemy ekologii i ekologicheskogo obra-zovaniya Chelyabinskoy oblasti» [Proceedings «Problems of Ecology and Environmental Education of the Chelyabinsk region»]. Chelyabinsk: ChelSU, 2001, pp. 37-38.

4. Opekunova M.G. Bioindikatsiyazagryazneniy [Bioindication pollution]. SPb.: SpbSU, 2004. 266 p.

5. Popova E.I. Ekologicheskoe sostoyanie lesnykh fitotsenozov v rayone TNHK [Ecological status of forest communities in the area TCPC]. In the world of scientific discovery. Vol. 9.2 (33). 2012, pp. 186-197.

6. Popova E.I. Vliyanie antropogennykh faktorov khimicheskoy prirody na morfo-biologicheskuyu izmenchivost' Plantago major L. i Plantago media L. [Human impact on the chemical nature of the morphological and biological variability of Plantago major L. and Plantago media L.]. Belgorod: BelGU, 2011. №9 (104) Vol. 15, pp. 57-62.

7. Tarshis L.G. Morphological-anatomical features of underground organs in some higher plant species in relation to their adaptation to ecological conditions. Russian Journal of Ecology. 2005. V. 36. № 2, pp. 81-88.

8. Tuzhilkina V.V. Response of the pigment system of conifers to long-term industrial air pollution. Russian Journal of Ecology. 2009. V. 40. № 4, pp. 227-232.

9. Voronkova N.M., Burkovskaya E.V., Burundukova O.L., Bezdeleva T.A. Morphological and biological features of plants related to their adaptation to coastal habitats. Russian Journal of Ecology. 2008. V. 39. № 1, pp. 1-7.

10. Mukhin V.A., Betekhtina A.A. Adaptive significance of endomycorrhizas for herbaceous plants. Russian Journal of Ecology. 2006. V. 37. № 1, pp. 1-6.

11. Zaitsev G.A., Kulagin A.Yu. Root system formation in Scotch pine (Pinus syl-vestris L.) under conditions of technogenesis (Ufa Industrial Center). Russian Journal of Ecology. 2005. V. 36. № 2, pp. 127-130.

ДАННЫЕ ОБ АВТОРАХ Попова Елена Ивановна, старший научный сотрудник лаборатории Экотоксикологии

Тобольская комплексная научная станция УрО РАН

ул. имени Академика Юрия Осипова, 15, г. Тобольск, Тюменская

область, 626150, Российская Федерация

popova-3456@mail.ru

DATA ABOUT THE AUTHORS Popova Elena Ivanovna, Senior Researcher Laboratory of Ecotoxicology

Tobolsk Complex Scientific Station UD RAS

15, imeni Akademika Yuriya Osipova Str., Tobolsk, Tyumen Region,

626150, Russian Federation

popova-3456@mail.ru