Статья: Реакция пигментной и антиоксидантной систем растений на загрязнение окружающей среды г. Калининграда выбросами автотранспорта

172 Г.Н. Чупахина, П.В. Масленников, Л.Н. Скрыпник, М.И. Бессережнова

УДК 574.24 : 581.19

РЕАКЦИЯ ПИГМЕНТНОЙ И АНТИОКСИДАНТНОЙ СИСТЕМ РАСТЕНИЙ НА ЗАГРЯЗНЕНИЕ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ г. КАЛИНИНГРАДА ВЫБРОСАМИ АВТОТРАНСПОРТА

Г.Н. Чупахина, П.В. Масленников, Л.Н. Скрыпник, М.И. Бессережнова Российский государственный университет им. И. Канта (г. Калининград, Россия)

Аннотация

Изучена реакция пигментной и антиоксидантной систем растений фитоурбоценозов г. Калининграда на загрязнение окружающей среды выбросами автотранспорта. Показано превышение фонового содержания кадмия в растительных пробах г. Калининграда и выявлена положительная корреляционная связь между его содержанием в растениях и интенсивностью движения автотранспорта. Выявлены высокая отрицательная корреляционная связь между содержанием Cd в растениях и их антиоксидантным статусом и положительная корреляция между содержанием Cd и накоплением антоцианов. Приведены данные по содержанию фотосинтетических пигментов в растениях в условиях атмотехногенного загрязнения. Снижение антиоксидантного статуса и активности фотосинтетического аппарата - симптомы неудовлетворительного состояния растений вследствие сильного разрушающего действия автомобильных поллютантов. Активное накопление антоцианов в вакуолях клеток может повысить эффективность антиоксидантной системы в процессах нейтрализации продуктов окислительного стресса и способствовать повышению устойчивости растений к действию кадмия.

Ключевые слова: техногенное загрязнение; кадмий; фитоурбоценозы; антиоксиданты; биоиндикация.

The atmospheric air of Kaliningrad on a compound of pollutants is typical for modern cities with the educed transport infrastructure. A specific weight of exhaust from a municipal motor transport in total anthropogenic atmospheric emission is 83,8%, exceeding more than in 6 times exhaust from stationary sources. Researches of city phytocenosis plants have shown, that the efficient control quality of an urban environment requires the sufficient information on an ekologo-physiological state of the city phytocenosises, allowing to estimate the functional contribution of each plant to change of quality of an urban environment to a direction of its enriching. In this connection, the assessment of influence of motor transport exhaust on a state of urban ecosystems gets now exclusively great value. The authors identified six permanent sample plots in the city of Kaliningrad, sites were located in roadside areas (up to 5 meters from the road) on the major highways of the regional center. Sample plots were divided based on an assessment of urban environment and were in different parts of the city. Control site was located at a considerable distance from the city limits (40 km), in the «National park Curonian Spit». To the biogeochemical test were used most commonly in urban landscapes species of trees and herbaceous plants: spruce (Picea abies (L.) Karst.), tillet (Tilia cordata Mill.), dandelion (Taraxacum officinale Webb.), waybread (Plantago major L.). Collection of material (bark, pine needles, leaves) was carried out during the growing season (June-July) 2009. In plants, the authors determined the content of chlorophyll a and b, carotenoids spectrophotometry without prior separation of the 100% acetone extract. The authors determined the mass concentration of antioxidant (AOA) in the samples, equivalent to quercetin, amperometric method on the device «Color Yauza 01-AAA» («Himavtomatika», Russia) by the method of Yashin Y.I. This article analyses the pigment and antioxidant systems reaction of city phytocenosis plants of Kaliningrad in the conditions of environmental pollution by motor transport exhaust. Key words: technogenic pollution; cadmium; city phytocenosis; antioxidants; bioindication.

Введение

В последние десятилетия отмечаются рост городов и возрастание площадей урбанизированных территорий, что создает многие кризисные экологические проблемы. В пределах городов наблюдаются суммарное воздействие большого числа негативных факторов, а также максимальная концентрация химических веществ, приводящая к ухудшению условий жизни населения. Так, например, атмосферный воздух г. Калининграда по составу загрязняющих веществ является типичным для современных городов с развитой транспортной инфраструктурой. Удельный вес выбросов от городского автотранспорта в суммарном антропогенном выбросе вредных веществ составляет 83,8%, превышая более чем в 6 раз выбросы от стационарных источников [1].

Исследования различных урбоэкосистем показывают [2, 3], что для эффективного управления качеством городской среды необходимо обладать достаточной информацией об эколого-физиологическом состоянии городских фитоценозов, позволяющей оценить функциональный вклад каждого вида в изменение качества среды в направлении ее улучшения. В связи с этим оценка влияния выбросов автотранспорта на состояние городских экосистем в настоящее время приобретает исключительно важное значение.

Среди широкого спектра исследуемых компонентов урбоэкосистем большое внимание отводится изучению состояния травянистых и древесных насаждений. Установлены высокие уровни корреляционных связей между морфологическими и физиологическими параметрами древесных растений и токсикологическими нагрузками [4]. Показано, что древесные растения обладают высокой чувствительностью к антропогенной нагрузке, поэтому могут служить адекватными индикаторами состояния урбоэкосистемы [4]. В качестве диагностических признаков, несомненно, должны использоваться наиболее чувствительные к экологическим воздействиям информативные функции и процессы на всех уровнях организации растений: клеточном, тканевом, организменном и экосистемном. Для ранней диагностики состояния растений урбоэкосистем могут быть использованы физиолого-биохимические характеристики ассимилирующих органов, которые в значительной мере определяют ростовые и репродуктивные процессы, а также наиболее чувствительны к экологическим изменениям окружающей среды [5]. Известно, что одним из биохимических показателей реакции растений на изменение факторов внешней среды, степени их адаптации к новым экологическим условиям является содержание хлорофиллов и каротиноидов - главных фоторецепторов фотосинтезирующей клетки. Кроме того, уровень водорастворимых антиоксидантов, антоциановых пигментов, обладающих разносторонним действием на физиологические процессы в растительных клетках и, как в последнее время считают, участвующих в системной приобретенной устойчивости растений к стрессовым факторам, также может быть использован для оценки их физиологического состояния [6, 7].

Цель настоящей работы - оценка влияния выбросов автотранспорта на состояние растений и определение его вклада в загрязнение окружающей среды г. Калининграда.

фотосинтетический пигмент растение загрязнение

Материалы и методики исследования

Район исследования - 6 постоянных пробных площадок на территории г. Калининграда (ИУ1-ИУ6), расположенных в придорожных зонах (до 5 м от дорожного полотна) на основных автомагистралях областного центра. Пробные площадки были разбиты с учетом оценки общего состояния городской среды и находились в разных районах города. Контрольный участок располагался на значительном удалении от городской черты (более 40 км) на территории «Национального парка Куршская коса». По климатическим условиям рассеивания вредных веществ территория «Национального парка Куршская коса» относится к зоне с низким потенциалом загрязнения атмосферы, фоновые концентрации загрязняющих веществ на контрольном участке не превышают ПДК для атмосферного воздуха населенных мест (коэффициент экологической ситуации 0,8) [1]. Степень загрязнения атмосферного воздуха пробных участков г. Калининграда определяется выбросами более 200 промышленных предприятий города, ТЭЦ, котельных, но наибольший вклад в его загрязнение вносит автотранспорт. С учетом комплексной оценки состояния окружающей городской среды уровень загрязнения на пробных участках ИУ1, ИУ4, ИУ5 оценивался как умеренно загрязненный, на ИУ6 - загрязненный, ИУ2 - грязный, ИУ3 - очень грязный [8].

Для биогеохимического апробирования были использованы наиболее рас пространенные в городских ландшафтах виды древесных и травянистых растений: ель обыкновенная (Picea abies (L.) Karst.), липа сердцевидная (Tilia cordata Mill.), одуванчик лекарственный (Taraxacum officinale Webb.), подорожник большой (Plantago major L.).

Сбор материала (кора, хвоя, листья) проводился в течение вегетационного периода (июнь - июль) 2009 г. Образцы отбирались на нижних ветках взрослых деревьев с указанием места отбора, вида, диаметра дерева, высоты взятия пробы. Отбиралась смешанная проба с деревьев одного вида. Выделение средней пробы проводилось в сухую погоду в соответствии с ГОСТом 27262-87 «Корма растительного происхождения. Методы отбора проб» [2]. Пробы растений высушивали при +65°С до постоянного веса. Высушенные растения измельчали в мельнице из нержавеющей стали и пропускали через 0,25-миллиметровое сито. Сухие образцы (5 г) озоляли в муфельной печи при постепенно возрастающей температуре от +25 до +450°С в течение 1,5 ч, последующие 2 ч озоление проводили при +450°С. Золу растворяли в 20 мл смеси концентрированных кислот HCl и HNO3 (3:1), затем разбавляли (1:20) деионизированной водой [9]. Концентрацию кадмия в растительном материале определяли методом атомно-абсорбционной спектроскопии на приборе Varian AA 240 FS (США).

Оценка уровня загрязнения атмосферного воздуха (по концентрации СО) на пробных участках проводилась с учетом интенсивности и состава транспортных потоков, коэффициентов, учитывающих аэрацию местности, влажность воздуха, скорость ветра, замедление движения транспорта на светофорах и пересечениях улиц. Использованная методика позволяет рассчитать средний дневной выброс угарного газа [10].

Количественное определение хлорофилла а и b, каротиноидов было проведено спектрофотометрически без предварительного разделения в 100%-ной ацетоновой вытяжке с последующим расчетом по формуле Хольма - Веттштейна [11]. Концентрацию антоциановых пигментов определяли спектрофотометрически в 1%-ном солянокислом водном экстракте при длине волны 510 нм, предварительно гомогенат центрифугировали при 4 500 g в течение 30 мин. Для внесения поправок на содержание зеленых пигментов определяли оптическую плотность полученных экстрактов при 657 нм. Содержание суммы антоцианов рассчитывали по цианидин-3,5-дигликозиду [12]. Поглощение данных пигментов определяли на спектрофотометре «СФ2000» (ЗАО «ОКБ СПЕКТР», Россия).

Массовую концентрацию антиоксидантов (АОА) в исследуемых образцах, эквивалентную кверцетину, определяли амперометрическим методом на приборе «Цвет Яуза 01-ААA» (НПО «Химавтоматика», Россия) по методике Я.И. Яшина [13]. Содержание исследуемых веществ приведено на грамм сухого веса. В ходе исследования было отобрано и проанализировано 378 проб. Анализ проводился в трехкратной биологической (n ? 3) и не менее чем в трех аналитических повторностях. Полученные данные обработаны статистически и представлены в виде средних арифметических значений и их стандартных ошибок. Статистическая значимость различий между вариантами определяли с помощью t-критерия Стьюдента (р ? 0,05). Корреляционный анализ проводили с помощью критерия Пирсона. Статистическая обработка результатов и построение графиков выполнены в программе StatSoft STATISTICA 8.0 и MS Excel 2003.

Результаты исследования и обсуждение

Территория г. Калининграда характеризуется различным уровнем загрязнения, степень которого на пробных участках оценивалась по показателям интенсивности движения автомобильного транспорта и уровню загрязнения атмосферного воздуха отработанными газами (по концентрации СО). В табл. 1 приведены результаты комплексной оценки атмотехногенного загрязнения пробных площадок г. Калининграда и для сравнения - контрольного участка (фон).

Наибольшее загрязнение атмосферного воздуха выявлено на основных автомагистралях г. Калининграда с высокой интенсивностью движения автотранспорта. Суммарная оценка загруженности улиц автотранспортом на пробных участках показала, что низкая интенсивность движения автотранспорта наблюдалась только на контрольном участке (168 авт. / ч), средняя интенсивность - на ИУ1 (252 авт. / ч), высокая - на ИУ5 (840 авт. / ч). Оценка уровня загрязнения атмосферного воздуха (по концентрации СО) показала превышение ПДКм.р. окиси углерода (5 мг/м3) на всех ИУ за исключением контрольного (1,9 мг/м3) и ИУ1 (3,5 мг/м3). Максимальный уровень интенсивности движения автотранспорта 1784-1794 авт. / ч и загрязнения атмосферного воздуха отработанными газами 36,4-39,6 мг/м3 наблюдался на ИУ2 и ИУ3.

Анализ данных по содержанию кадмия показал, что в растительных пробах г. Калининграда выявлено значительное превышение его фонового уровня. Минимальное содержание кадмия у исследуемых растений наблюдалось в пробах Куршской косы (контроль). Содержание кадмия в листьях липы и хвое ели составило 0,17±0,01 мг/кг сухой массы, в листьях одуванчика - 0,15±0,01 мг/кг, в листьях подорожника - 0,35±0,03 мг/кг. Содержание кадмия в коре липы и ели составило 0,2-0,22 ±0,01 мг/кг.

Таблица 1 Оценка атмотехногенного загрязнения пробных участков г. Калининграда и фонового (контроль) [1, 14]

* Загрязнение, превышающее действующие нормативы. ** Сумма нормированных (отнесенных к ПДК) среднегодовых концентраций основных загрязняющих веществ (пыль, двуокись серы, окись углерода, окислы азота, углеводороды). *** Суммарный выброс 15 приоритетных загрязняющих веществ в воздушный бассейн г. Калининграда.

Максимальное накопление кадмия наблюдалось у растений на пробном участке с высоким уровнем загрязнения атмосферного воздуха выхлопами автотранспорта (ИУ2): концентрация ионов кадмия в листьях и коре липы сердцевидной превышала аналогичный показатель в контроле в 4 и 4,3 раза, в хвое и коре ели обыкновенной - в 3,4 и 3,1 раза соответственно. Содержание ионов кадмия в листьях одуванчика лекарственного и подорожника большого на ИУ2 в среднем было выше контрольного уровня в 4,3 и 2,7 раза (рис. 1).