Введение
В настоящее время в связи с бурным развитием промышленного производства возрастает антропогенная нагрузка на окружающую среду. Промышленные предприятия и автотранспорт выбрасывают в атмосферу, воду и почву большое количество различных токсикантов: выхлопные газы, инсектициды и пестициды, соединения тяжелых металлов, нефтепродукты и другие. Накопление загрязнителей в окружающей среде приводит к их поглощению растениями, что, безусловно, сказывается на качестве и безопасности растительного сырья [3, 8].
В связи с этим существует необходимость проводить биоиндикацию городской среды путем анализа произрастающих растений. Одним из показателей жизнедеятельности растений, чувствительным к изменениям экологической обстановки является содержание пигментов фотосинтеза [2]. Из литературы известно о негативном воздействии загрязнителей на процесс фотосинтеза, которое проявляется в снижении содержания фотосинтетических пигментов [1].
Целью работы стала оценка изменения содержания пигментов фотосинтеза в растениях из районов г. Тюмени с различной антропогенной нагрузкой.
Материал и методы исследования
Материал для исследования был отобран в период с 21.07.2017 по 5.08.2017 в районе города Тюмени на следующих участках:
1) Контроль – луг на удалении 5 километров от антропогенных источников;
2) УГМК – г. Тюмень, участок на удалении 200 метров от предприятия «УГМК-Сталь»;
3) УГМК 2 – г. Тюмень, участок на удалении 50 метров от предприятия «УГМК-Сталь»;
4) Моторостроители – г. Тюмень, участок на удалении 200 метров от предприятия «Тюменские Моторостроители»;
5) НПЗ – г. Тюмень, участок на удалении 200 метров от предприятия Антипинского нефтеперерабатывающего завода;
6) Район Аккумуляторного завода, г. Тюмень, участок на удалении 200 метров от предприятия;
7) Автотрасса Тюмень – Омск – район п. Винзили, 30 км от г. Тюмени, удаление от автотрассы не более 30 метров;
8) Автотрасса Ирбитский тракт – район села Каменка, 30 км от г. Тюмени, удаление от автотрассы не более 5 метров;
9) Автотрасса Ирбитский тракт – район села Каменка, 30 км от г. Тюмени, удаление от автотрассы не менее 500 метров.
Была срезана надземная часть растений с 5 площадок на каждом участке. На участках 1-5, 7 были отобраны 5 видов растений: мятлик луговой (Poa pratensis), клевер красный (Trifolium rubens), мышиный горошек (Vicia cracca), ромашка (Matricaria chamomilla), мать-и-мачеха (Tussilago farfara). На участке 6 ромашка не была обнаружена. На участках 8 и 9 был отобран овес посевной (Avena sativa). Выбор растений был обусловлен широким распространением данных видов в районах исследования. Кроме того, из литературы известна чувствительность мать-и-мачехи на биохимическом уровне к экологическим условиям [5]. Растения были высушены, а затем проводился анализ содержания в них пигментов фотосинтеза спектральным анализом спиртовых экстрактов [6].
Результаты исследования и их обсуждение
В районах исследования, где к промышленным предприятиям прилегает автотрассы, было вычислено количество автомобилей, результаты представлены в таблице. Подсчет автотранспорта производился в середине рабочего дня.
Таблица 1
Количество автотранспорта в районах исследования
|
Район исследования |
Легковой транспорт, количество/ч |
Грузовой транспорт, количество/ч |
|
УГМК, УГМК 2 |
984 |
140 |
|
Автотрасса Тюмень-Омск |
420 |
276 |
|
Автотрасса Ирбитский тракт |
324 |
60 |
Таким образом, загрязнение окружающей среды от предприятия УГМК усиливалось значительным потоком автотранспорта: за час в этом районе проходило более 1000 автомобилей.
Результаты определения содержания пигментов фотосинтеза в растениях из районов из исследования представлены на рис. 1-3. Содержание пигментов фотосинтеза изменялось в пределах от 130 до 400 мг/100 г сухой массы в зависимости от вида растения и района исследования. В первую очередь, необходимо отметить, что практически во всех пробах из исследуемых участков, за исключением нескольких случаев, содержание хлорофилла а, b и каротиноидов оказалось ниже, чем в контрольном варианте. Уменьшение содержания пигментов фотосинтеза и, следовательно, подавление процесса фотосинтеза, безусловно, связано с антропогенной деятельностью и, вероятно, накоплением тяжелых металлов и/или нефтепродуктов в растениях из районов исследования. Известно о негативном воздействии накопления нефтепродуктов на процесс фотосинтеза [4].
Главной причиной снижения содержания хлорофиллов в присутствии тяжелых металлов является подавление их синтеза, связанное в первую очередь с непосредственным действием металлов на активность ферментов биосинтеза. Кроме того, нарушение синтеза хлорофилла в присутствии тяжелых металлов может быть вызвано вытеснением ими ионов Mg2+ из молекулы хлорофилла. Некоторые металлы, например Cu, в больших концентрациях замедляют связывание молекул хлорофиллов с белками в светособирающих комплексах фотосистем. Кроме того, известно, что тяжелые металлы способны изменять функционирование мембран хлоропластов и ингибировать работу белков фотосистемы II [7].
Величина снижения содержания пигментов зависела как от участка исследования, так и от вида растения. Так, самым чувствительным растением к загрязнению окружающей среды в проведенном эксперименте оказалась мать-и-мачеха, снижение содержания пигментов было наибольшим среди всех исследованных видов растений и достигало 30-40%.
Рис. 1. Содержание пигментов фотосинтеза (мг/100 г) в мятлике луговом (а) и мышином горошке (б) из районов исследования
*- статистически достоверные различия между контролем и вариантом опыта (при Р ≤0,05)
Рис. 2. Содержание пигментов фотосинтеза (мг/100 г) в клевере красном (а) и ромашке (б) из районов исследования
Рис. 3. Содержание пигментов фотосинтеза (мг/100 г) в мать-и-мачехе (а) и овсе посевном (б) из районов исследования
Следующим видом по чувствительности оказался клевер красный, снижение содержания пигментов фотосинтеза было зафиксировано на 20-35% по сравнению с контролем. Растениями с меньшей чувствительностью были мышиный горошек (снижение по сравнению с контролем не более 26%) и мятлик луговой (снижение на 10-12%). Самым нечувствительным растением оказалась ромашка, наибольшее снижение содержания пигментов по сравнению с контролем было зафиксировано в 8-12%, но при этом в большинстве вариантов отклонения от контроля не было выявлено. Различная чувствительность растений к загрязнению может быть связана с разным уровнем функционирования в них антиоксидантных систем и других защитных механизмов.
Разные виды растений проявляли различную чувствительность к загрязнению на одном и том же участке, что делает обобщение результатов затруднительным. Однако если ориентироваться по мать-и-мачехе, как самому чувствительному растению, то самыми загрязненными участками являются металлургический и нефтеперерабатывающий заводы (УГМК и НПЗ), что указывает на пагубное влияние накопления тяжелых металлов и нефтепродуктов на содержание пигментов фотосинтеза. На ромашку, как самое нечувствительное из изученных растений, также наибольшее влияние оказывало загрязнение в районе НПЗ. Кроме того, было зафиксировано небольшое снижение показателей на участке завода «Моторостроители». Клевер красный и мятлик луговой также были наиболее чувствительными к участку нефтеперерабатывающего завода. Исключением стал мышиный горошек, для которого наиболее загрязненными участками стали «Моторостроители», а также УГМК и аккумуляторный завод. Полученные результаты, вероятно, указывают на существенный вклад тяжелых металлов и нефтепродуктов в подавлении процесса фотосинтеза.
Эффект загрязнения от автотрассы практически не сказался ни на одном из изученных видов. В эксперименте с овсом посевным содержание хлорофилла а и каротиноидов в растениях, росших в непосредственной близости к автодороге, было на уровне контрольных растений, а содержание хлорофилла b было снижено всего на 5%. Наибольшее снижение содержания пигментов (на 6%) в районе автотрассы было выявлено у мать-и-мачехи. Для клевера, ромашки и мышиного горошка содержание пигментов в районе автотрассы было на уровне контроля, а у мятлика лугового содержание хлорофилла а и каротиноидов оказалось на 12% выше, чем в контроле. Также была выявлена некоторая активация процесса фотосинтеза у мятлика лугового в районах аккумуляторного завода (содержание хлорофилла а и каротиноидов было выше на 3%) и завода «Моторостроители» (на 6%). Известно, что в небольших дозах токсиканты способны стимулировать жизнедеятельность растений [2], в том числе фотосинтез, вероятно, этим обусловлены полученные результаты.
Содержание пигментов фотосинтеза на участке УГМК 2, находящегося на удалении 50 метров от предприятия, для мать-и-мачехи и мышиного горошка было на 10-20% ниже, чем на участке УГМК, находящегося на удалении 200 метров от предприятия. Это, вероятно, может указывать на воздушный перенос токсикантов в виде аэрозоля с предприятия металлургического завода.
Изучение содержания пигментов фотосинтеза в растениях из участков с различной антропогенной нагрузкой может указывать на накопление тех или иных металлов. Так, у мятлика лугового, относящегося к семейству злаковых, было зафиксировано повышение содержания пигментов в районе автотрассы. В раннее проведенном модельном эксперименте с использованием овса посевного было показано, что при загрязнении почвы Pb в количестве 260 мг/кг содержание пигментов увеличивается до 1,5 раз. Учитывая родственность данных видов, можно предположить, что в районе автотрассы в тканях мятлика происходит аккумуляция свинца. Кроме того, на участках УГМК и УГМК 2 у мятлика лугового было выявлено снижение содержания пигментов, что также коррелирует с результатами модельного эксперимента с загрязнением почвы Fe [9]. Поэтому можно выдвинуть гипотезу о накоплении Fe в тканях мятлика, выросшего в районе металлургического завода.
Уменьшение отношения содержания хлорофиллов а/b считается показателя стресса растения [2]. В нашем эксперименте это также было зафиксировано на примере мать-и-мачехи: отношение хлорофилла a/b снижалось во всех вариантах эксперимента от 6% (автотрасса) до 30% (УГМК 2), что указывает на то, что мать-и-мачеха в районах исследования находилась под влиянием антропогенного стресса. Аналогичный результат был получен с клевером красным (снижение отношения хлорофилла a/b до 18%) и мышиным горошком (снижение до 12%). В случае мятлика лугового и ромашки, несмотря на снижение содержания пигментов, отношение хлорофилла a/b в большинстве случаев было на уровне контроля, что может быть защитным механизмом растений.
Выводы
Таким образом, проведенные исследования позволяют сделать следующие выводы:
1) Антропогенное загрязнение от предприятий г. Тюмени приводит к снижению содержания хлорофилла a, b и каротиноидов до 40% по сравнению с контрольным уровнем.
2) Изученные виды растений проявляют различную чувствительность фотосинтетического аппарата по отношению к загрязнению, чувствительность растения убывает в следующем ряду: мать-и-мачеха > клевер красный > мышиный горошек > мятлик луговой > ромашка. Это указывает на преимущество использования мать-и-мачехи как биоиндикатора.
3) Среди исследованных районов выделяются участки металлургического и нефтеперерабатывающего заводов, содержание пигментов фотосинтеза в растениях из этих районов было наименьшим. Действие только автотрассы без промышленных предприятий было слабо выраженным, максимальное снижение содержания пигментов на 6%.
4) Для мать-и-мачехи, клевера красного и мышиного горошка было зафиксировано снижение соотношения хлорофилла a/b, что является проявлением стресса. У мятлика лугового и ромашки, несмотря на снижение содержание пигментов, соотношение хлорофиллов практически не изменяется, что указывает на защитные механизмы растений в ответ на антропогенный стресс.