Сетевое издание
Международный студенческий научный вестник
ISSN 2409-529X

ОЦЕНКА СОДЕРЖАНИЯ ПИГМЕНТОВ ФОТОСИНТЕЗА У РАСТЕНИЙ РАЗНЫХ ВИДОВ В УСЛОВИЯХ АНТРОПОГЕННОГО СТРЕССА

Петухов А.С. 1 Хритохин Н.А. 1 Петухова Г.А. 1
1 ФГАОУ ВО «Тюменский государственный университет»
Высокий уровень промышленного производства приводит к поступлению в окружающую среду поллютантов, которые могут накапливаться в растениях и влиять на их жизнедеятельность. В связи с этим актуальной задачей является анализ фотосинтетической активности растений, произрастающих в городских условиях. Работа посвящена изучению изменения содержания пигментов фотосинтеза у растений из районов техногенного загрязнения г. Тюмени. Исследования проводили на мятлике луговом (Poa pratensis), клевере красном (Trifolium rubens), мышином горошке (Vicia cracca), ромашке (Matricaria chamomilla), мать-и-мачехе (Tussilago farfara) и овсе посевном (Avena sativa). Растения были отобраны в районе автотрассы, а также в районах металлургического, моторостроительного, нефтеперерабатывающего и аккумуляторного заводов. Было обнаружено, что в растениях из районов вблизи промышленных предприятий содержание пигментов снижается до 40% по сравнению с контрольным уровнем, а отношение хлорофилла a/b уменьшается до 30%. Изученные растения обладают различной чувствительностью к загрязнениям в районах исследования: наибольшей - мать-и-мачеха, а наименьшей – ромашка. Предприятиями токсиканты которых оказывают наибольшее пагубное влияние на содержание пигментов фотосинтеза, стали металлургический и нефтеперерабатывающий заводы. Действие выхлопных газов автомобилей на содержание пигментов было слабо выраженным.
пигменты фотосинтеза
тяжелые металлы
мать-и-мачеха
мышиный горошек
клевер красный
мятлик луговой
ромашка
овес посевной.
1. Еськова Е.Н. Влияние свинца на содержание хлорофилла в листьях ярового ячменя / Е.Н. Еськова // Проблемы современной аграрной науки. - 2015. – С. 21-22
2. Кушнарева О.П., Перекрестова Е.Н. Влияние различных концентраций солей меди и свинца на содержание хлорофилла и содержание углерода в листьях растений / Е.Н. Перекрестова, О.П. Кушнарева // Вестник Оренбургского государственного университета. -2015. - №10. - С. 294-297
3. Петухова Г.А. Механизмы устойчивости организмов к нефтяному загрязнению среды / Г.А. Петухова. – Тюмень: Изд-во ТюмГУ, 2008. – 172 с.
4. Степаньян О.В., Воскобойников Г.М. Влияние нефти и нефтепродуктов на морфофункциональные особенности морских макроводорослей / О.В., Степаньян, Г.М. Воскобойников // Биология моря. - 2006. - №4. - С. 241-248
5. Фазлиева Э.Р., Киселева И.С. Биохимические реакции растений tussilago farfara l. Из природных местообитаний с разным уровнем техногенного загрязнения на избыток меди в среде / Э.Р. Фазлиева, И.С. Киселева // Известия Тульского государственного университета. Естественные науки. - 2011. - №3. – С. 246-256
6. Шульгин И.А., Ничипорович, А.А Расчет содержания пигментов с помощью номограмм / И.А. Шульгин, А.А. Ничипорович // Хлорофилл. – Минск: Наука и техника. - 1974. – С. 127-136.
7. Aggarwal, A., Sharma, I., Tripathi, B.N., Munjal, A.J., Baunthiyal, M., Sharma, V. Metal toxicity and photosynthesis. Photosynthesis: Overviews on Recent Progress & Future Perspective, 2011, pp. 229-236
8. Markovnikova J., Barancikova, G., Dlapa P, Dercova K. 2006. Inorganic contaminants in soil ecosystems. Chemicke listy, 2006, vol. 100, no.6, pp. 424-432
9. Petukhov A., Khritokhin N., Petukhova G, Kudryavtsev, A. Biochemical response of the oat to accumulation of iron and manganese. Pollution research, 2017, vol. 36, no. 1, pp. 1-7.

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.


Библиографическая ссылка

Петухов А.С., Хритохин Н.А., Петухова Г.А. ОЦЕНКА СОДЕРЖАНИЯ ПИГМЕНТОВ ФОТОСИНТЕЗА У РАСТЕНИЙ РАЗНЫХ ВИДОВ В УСЛОВИЯХ АНТРОПОГЕННОГО СТРЕССА // Международный студенческий научный вестник. – 2017. – № 6. ;
URL: https://eduherald.ru/ru/article/view?id=17987 (дата обращения: 25.10.2021).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074