Загрязнение тяжёлыми металлами нарушает естественно сложившиеся фитоценозы, накапливаясь в органах и тканях растений, тяжелые металлы оказывают негативное воздействие на физиологические процессы растений [1,2,3,4, 6].
Состояние растительных сообществ является одним из основных индикаторов экологической ситуации. Фотосинтетический аппарат в первую очередь подвергается воздействию стрессовых факторов. Особый интерес в этой ситуации представляет роль фотосинтетических пигментов – компонентов фотосинтетических структур (фотосистем I и II и светособирающих комплексов) – хлорофилла а, хлорофилла b и каротиноидов [5,7, 8].
Загрязнение окружающей среды также негативно сказывается на продуктивности растений. Основное количество загрязняющих веществ накапливается в вегетативных органах, но репродуктивная система также подвергается значительному негативному воздействию. Мужская генеративная сфера растений может служить показателем экологического благополучия: под воздействием антропогенных загрязнителей снижается жизнеспособность и качество пыльцы [9,11,12,13,14].
Цель исследования: определить воздействие тяжелых металлов на содержание пигментов фотосинтеза и фертильность пыльцевых зерен.
Материал и методы исследования
Для определения степени антропогенного воздействия были подобраны наблюдательные площадки с разной интенсивностью техногенной нагрузки.
Площадка № 1. Растительная ассоциация: Вейниково-разнотравное остепненное сообщество Steppe-varieherbetum calamagrostidosum. Географические координаты: N58?15,630', Е068?28,878'. Рельеф ровный и плоский. Антропогенное воздействие не выражено. 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: выраженный, 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.
Отбор образцов почв и пробоподготовка для количественного химического анализа проведены в соответствии с [14].
Подготовка проб осуществлялась с использованием системы микроволнового разложения speedwave MWS-2 фирмы PerkinElmer (США).
Количественный химический анализ накопления микроэлементов и тяжелых металлов As, Cr, Cu, Mо, Ni, Pb, Sr, Zn в образцах почвы, общей фитомассе методом индуктивно-связанной плазмы на атомно-эмиссионном спектрометре OPTIMA-7000DV фирмы PerkinElmer (США). Для градуировки использовали стандартные растворы фирмы PerkinElmer (США).
В качестве метода определения содержания пигментов был выбран спектрофотометрический метод [10,15,16]. Пробы отбирались в летний период, в дневное время. Экстракция проводилась в 90 % этаноле. Оптическую плотность вытяжек определяли на спектрофотометре UNICO-1200. Концентрацию хлорофиллов а, b и каротиноидов (С) рассчитывали по уравнениям Винтерманс и Де Мотс для этанола [15]:
(1)
(2)
(3)
Фертильность пыльцевых зерен определяли йодным методом. Окрашивание проводилось по йодной методике, подсчет пыльцевых зерен производился до 500 зерен в случайных полях зрения, насыщенность препарата высокая. Методика основана на различном прокрашивании спермиев и цитоплазмы клеток пыльцевых зерен. Исследования проводили с помощью светового микроскопа [12,17,18,19].
Результаты исследований и их обсуждение
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.
Общие виды для трех площадок: Achillea millefolium L., Epilóbium angustifolium L., Leucanthemum vulgare L., Melilotus albus Medik, Elytrigia repens (L.) Nevski, Phragmites australis (Cav.) Trin.ex Steud. Tripleurospermum perforatum (Merat) L. Lainz, Plantago major L., Aegopodium podagraria L., Taraxacum оfficinale L.
Основными загрязнителями в почве являются: Zn, Pb,Cu; в растениях: Pb,Cu,Zn.
В почвах наблюдаемых участков, в большей степени подверженных техногенным воздействиям, тяжелые металлы варьировали в пределах: As (4,53-7,38); Cr (41,40-32,75); Cu (14,60-17,63); Mо (6,52-6,81); Ni (17,56-27,45); Pb (70,65-85,48); Sr (19,89-22,31); Zn (16,93-20,02) мг/кг.
Тяжелые металлы накапливаются не только в почве, но и растениях. Растения накапливают тяжелые металлы в тканях и на поверхности органов. Наибольшая аккумуляция тяжелых металлов выявлена в общей фитомассе участка № 3 по отношению к Zn, Cu, Sr и Pb (рис.1).
Рис. 1. Содержание тяжелых металлов в почве и общей биомассе наблюдаемых 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 рисунке 2 наблюдается резкое различие содержания пигментов разных групп.
Рис. 2. Содержание Хлорофилла а, б и каротиноидов в растениях исследуемых участков. 1- Achillea millefolium L., 2- Epilóbium angustifolium L., 3- Leucanthemum vulgare L., 4-Melilotus albus Medik., 5-Elytrigia repens (L.)Nevski, 6-Phragmites australis (Cav.) Trin.ex Steud., 7- Tripleurospermum perforatum (Merat)L.Lainz, 8- Plantago major L.,9-Aegopodium podagraria L., 10-Taraxacum agg. оfficinale 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 b также снижется в сравнении с контрольным участком.
В стрессовых антропогенных условиях регистрируется повышенное содержание каротиноидов. Так, содержание общих каротиноидов на участках с антропогенным воздействием варьировало: у Achillea millefolium L. (4,02-4,23), Epilóbium angustifolium L. (3,99-4,65), Leucanthemum vulgare 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), Plantago major L. (8,01-8,48), Aegopodium podagraria L. (3,89-4,25), Taraxacum оfficinale L. (5,01-5,78) мг/г.
Таким образом, тяжелые металлы воздействуют на видовое разнообразие фитоценозов. 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.
Для определения фертильности пыльцевых зерен, изучали растения, которые являются общими для всех участков. Фертильными считали пыльцевые зерна, полностью окрашенные в темно-фиолетовый цвет, стерильными – окрашенные частично (рис.3).
Рис. 3. Окрашенные пыльцевые зерна: а) Achillea millefolium L.; б) Epilóbium angustifolium L.; в) Leucanthemum vulgare L.
Применение йодной методики окрашивания пыльцы показало, что процент стерильных пыльцевых зерен достаточно высок на участках с наиболее высокой антропогенной нагрузкой. По данным йодной методики в образцах растений с участка №2,3 количество стерильных зерен достаточно велико: Achillea millefolium L. (12,3-18,3); Epilóbium angustifolium L. (6,2-17,2); Leucanthemum vulgare L. (11,8-22,0); Melilotus albus Medik (8,3-21,4); Elytrigia repens (L.) Nevski (7,6-9,5); Phragmites australis (Cav.) Trin.ex Steud. (8,9-2,4); Tripleurospermum perforatum (Merat) L.Lainz (7,1-9,3); Plantago major L. (9,2-14,2); Aegopodium podagraria L. (10,2-16,3); Taraxacum оfficinale L. (11,3-14,1) (таблица).
Количество стерильных пыльцевых зерен у растений участков с разной антропогенной нагрузкой, %
|
№ п/п |
Виды |
Участки |
||
|
1 |
2 |
3 |
||
|
1 |
Achillea millefolium L. |
2,3 |
12,3 |
18,3 |
|
2 |
Epilóbium angustifolium L. |
8,9 |
6,2 |
17,2 |
|
3 |
Leucanthemum vulgare L. |
10,2 |
11,8 |
22,0 |
|
4 |
Melilotus albus Medik |
3,6 |
8,3 |
21,4 |
|
5 |
Elytrigia repens (L.) Nevski |
6,3 |
7,6 |
9,5 |
|
6 |
Phragmites australis (Cav.) Trin.ex Steud. |
5,3 |
8,9 |
12,4 |
|
7 |
Tripleurospermum perforatum (Merat) L.Lainz |
4,6 |
7,1 |
9,3 |
|
8 |
Plantago major L. |
5,3 |
9,2 |
14,2 |
|
9 |
Aegopodium podagraria L. |
4,9 |
10,2 |
16,3 |
|
10 |
Taraxacum оfficinale L. |
6,8 |
11,3 |
14,1 |
Причины появления стерильных пыльцевых зерен могут быть связаны с накоплением тяжелых металлов в почве и растительности исследуемых участков. Таким образом, необходимо продолжить исследования пыльцы на протяжении нескольких лет.
У всех растений на изучаемых участках при увеличении накопления поллютантов уменьшается содержание хлорофилла а и b, возрастает доля каротиноидов и снижается фертильность пыльцы, но эта общая закономерность проявляется количественно, по-разному у изучаемых видов. Наиболее резкое возрастание стерильной пыльцы отмечено у Epilóbium angustifolium L., Phragmites australis (Cav.) Trin.ex Steud., Leucanthemum vulgare L. Механизмы реагирования растений на действие загрязнителей характеризуются разными величинами ответных реакций, обусловленных их биологическими особенностями.
Melilotus albus Medik – симбионт с азотфиксирующими бактериями, полностью зависит от их жизнедеятельности. Накопленные тяжелые металлы резко снижают активность азотфиксаторов и, как следствие, угнетающе действуют на данный вид, что отражается на увеличении процента стерильности пыльцы.
Билогия Aegopodium podagraria L. связана с синтезом эфирных масел в органах растения. Накопление тяжелых металлов нарушает механизмы синтеза, снижает жизнеспособность особей, что проявляется в увеличении процента стерильных пыльцевых зерен.
Выводы
Продемонстрировано, что наиболее сильное угнетение испытывает экосистема, расположенная в зоне прямого техногенного воздействия (участок № 3). В более благоприятных условиях находится территории участка № 1. Участок № 2 находится в существенном нарушении экологической ситуации.
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.
При повышенной антропогенной нагрузке достоверно увеличивается количество стерильной пыльцы.