Изменение структуры листа и пигментного комплекса Betula pendula в условиях аэротехногенного загрязнения

Полный текст

Введение

Промышленное загрязнение воздуха оказывает негативное влияние на все компоненты окружающей среды и здоровье населения крупных промышленных городов, и, с учетом трансграничного переноса, влияет на соседние территории [21]. Биомониторинг, для которого часто используется урбанофлора, существенно дополняет сведения об экологическом состоянии городских экосистем [1; 15].

В условиях городской среды в тканях растений происходит ряд физиолого-биохимических изменений, по которым можно судить о степени влияния техногенной нагрузки на растения и экосистемы в целом [16; 21]. Для урбанофлоры характерна выраженная пластичность и изменчивость, являющаяся механизмом выживания в нестабильной природной среде городов [1]. Растения могут адаптироваться к неблагоприятным условиям за счет изменения структурных и функциональных характеристик, в том числе фотосинтетического аппарата [5; 14]. Важной характеристикой фотосинтетического аппарата растений при действии различных факторов является состояние пигментного комплекса, поскольку от него зависит интенсивность фотосинтеза и продуктивность растений. Содержание фотосинтетических пигментов в листьях древесных растений может использоваться не только как биоиндикатор стресса в условиях антропогенного воздействия, но и как показатель нарушенности экосистемы в целом [15; 16].

Betula pendula Roth (береза повислая) – легко идентифицируемый вид, удобный для отбора растительных образцов. Береза является одной из самых светолюбивых древесных пород, достаточно засухоустойчива, мало требовательна к почвенному плодородию, отличается высокой семенной продуктивностью и длительным сохранением всхожести семян [12]. Известно, что B. pendula играет значительную роль в естественном зарастании техногенно нарушенных территорий в горно-таежной и лесостепной зонах [10; 12]. Различные аспекты, связанные с оценкой структурно-функциональных особенностей этого вида в нарушенных местообитаниях, изучались многими авторами [4; 7; 9-12; 16; 18; 22]. Однако на территории г. Челябинска, где располагаются крупнейшие в России по объему выпускаемой продукции металлургические предприятия [3], комплексных исследований морфофизиологических характеристик B. pendula ранее не проводилось.

Цель работы – изучить анатомо-морфологические особенности и содержание фотосинтетических пигментов в листьях B. pendula, произрастающей в зоне влияния промышленного кластера на территории г. Челябинска с разной степенью токсической нагрузки.

Материалы и методы

Для достижения поставленной цели было выбрано шесть участков вблизи Челябинского металлургического комбината (ЧМК) и других сопутствующих предприятий производства стали и прокатных изделий, пять импактных: У1 – шлакоотвал, непосредственно прилегающий к ЧМК; У2 – дорога к Челябинскому аэропорту, около 3 км от ЧМК; У3 – дорога возле карьера, между ЧМК и Челябинским заводом стройиндустрии «Кемма»; У4 – дорога рядом с рекультивированной свалкой, около 4 км от ЧМК; У5 – грунтовая дорога за аэропортом, около 5 км от ЧМК; и один фоновый, К – северо-западная часть Каштакского бора (рис. 1). Каштакский бор, выбранный в качестве фонового участка с учетом розы ветров, является особо охраняемой природной территорией, расположенной на правом берегу реки Миасс, г. Челябинск [6]. По данным Росгидромета, в розе ветров этого города преобладают ветра южного, юго-западного и северо-западного направления, поэтому территория, на которой расположен бор, менее подвержена аэротехногенному воздействию.

На каждом участке в конце июля 2022 года были выбраны три дерева примерно одинакового репродуктивного возраста и высоты. С южной экспозиции кроны на высоте 1,5–2,0 м отбирали по 20 листьев срединной формации с каждого дерева. Параллельно на каждом участке отбирали почвенные образцы (до 20 см глубиной) для определения содержания тяжелых металлов (ТМ). Отбор растительных и почвенных образцов проводили в дневные часы при сходных метеорологических условиях (ясный, солнечный день).

Содержание подвижных форм ТМ определяли в 3-кратной повторности из композитной пробы при помощи атомно-абсорбционного спектрометра Varian AA240FS (Varian Australia Pty Ltd., Австралия), после 24-ч экстрагирования 5 %-раствором азотной кислоты (осч.) в соотношении 1:20 (вес:объем). Суммарный индекс токсической нагрузки (Si) рассчитывали по формуле [19]: Si = (1/n)Σ(C_i/C_фон), где С_i – концентрация металла в почве импактного участка, C_фон – концентрация металла в почве фонового участка, n – число исследованных ТМ.

 

Рис. 1. Карта Челябинской области и расположение участков отбора проб на территории г. Челябинска: У1–У5 – импактные; К – фоновый

 

Величину рН почвы определяли в почвенно-водной суспензии в соотношении 1:2,5 (почва: деионизированная вода) с помощью портативного рН-метра/кондуктометра (Hanna Instruments GmbH, Graz, Австрия).

Для изучения структурных характеристик листьев B. pendula использовали высечки (0,7 см диаметром), которые затем фиксировали в 70%-этаноле. Поперечные срезы листа делали на замораживающем микротоме МЗ-2 (ОАО ХЗ «Точмедприбор», Украина). Измерение мезоструктурных параметров выполняли в 30-кратной повторности при помощи светового микроскопа Meiji MT 4300 L (Meiji Techno, Япония) с применением программы SIAMS MesoPlant (ООО «СИАМС», Екатеринбург). Площадь листьев рассчитывали путем обработки фотографий 20 листьев с каждого участка в программе JMicroVision, версия 1.2.7.

Удельную поверхностную плотность листа (УППЛ) рассчитывали как отношение сухого веса листовой пластинки к ее площади. Содержание хлорофилла a (Хл а), хлорофилла b (Хл b) и каротиноидов определяли спектрофотометрически при 470, 649 и 664 нм в смешанных образцах листьев в 4-кратной повторности, после экстрагирования в 95% этаноле, и рассчитывали согласно Lichtenthaler [20].

Для оценки достоверности различий между вариантами использовали непараметрический критерий Краскела–Уоллиса. В таблицах и на рис. 2 представлены средние арифметические значения и их стандартные ошибки (SE). Разными латинскими буквами отмечены достоверные различия между участками при p < 0,05.

Результаты и их обсуждение

Почвы всех участков, включая фоновый, отличались повышенным содержанием подвижных форм изученных ТМ, по сравнению с предельно допустимыми и ориентировочно допустимыми концентрациями (ПДК и ОДК, соответственно), что отражает геохимические особенности региона [2; 13]. На фоновом участке содержание Zn, Ni, Mn и Pb было выше допустимых значений в среднем в 2,5 раза, в то время как по кадмию их превышения не отмечено (табл. 1).

 

Таблица 1. Содержание подвижных форм металлов в почве и суммарный индекс токсической нагрузки 

Участок	Содержание металлов в почве, мг/кг сухого веса
	Zn	Ni	Mn	Cd	Pb	Si
У1	99,8±5,3c	33,7±0,4a	932,6±12,3b	1,0 ± 0,10c	49,3 ± 1,0c	3,0
У2	88,0±0,6c	16,6±0,2c	613,5±7,0d	0,82 ± 0,01c	28,3 ± 0,1d	2,0
У3	168,0±1,3b	22,0±0,2b	1026,0±9,2a	1,64 ± 0,01b	94,8 ± 0,9b	4,1
У4	487,9±3,4a	25,9±0,1b	778,3±6,2c	3,13 ± 0,01a	158,6 ± 0,1a	7,2
У5	69,6±1,3cd	18,3±0,7c	332,0±14,7e	0,54 ± 0,02d	31,0 ± 1,7d	1,7
К	47,5±0,1d	8,4±0,1d	391,1±1,5e	0,32 ± 0,02d	14,8 ± 0,2e	1,0
ПДКподв./ ОДК [8]	23/220	4/80	140/–	–/2	6/130

Примечание. Представлены средние арифметические значения ± SE (n = 3). Разными латинскими буквами отмечены достоверные различия между участками при p < 0,05. У1–У5 – импактные участки; К – фоновый участок; Si – суммарный индекс токсической нагрузки.

 

В почвах импактных участков содержание цинка составляло от 3ПДК (У5) до 21ПДК (У4), никеля – от 4ПДК (У2) до 8ПДК (У1), марганца – от 2,5ПДК (У5) до 7ПДК (У3). Наибольшему загрязнению кадмием и свинцом подвергался У4, на котором содержание кадмия по сравнению с фоновым участком было выше почти в 10 раз, а свинца – в 11 раз. Суммарный индекс токсической нагрузки на импактных участках в среднем составлял около 3,6. В целом наиболее загрязненными оказались почвы на У3 и У4 (табл. 1).

На содержание подвижных форм ТМ в почве влияет показатель кислотности. Почвы фонового участка были слабокислыми (в среднем рН составляло 6,3), а почвы импактных участков – слабощелочными (в среднем 7,6).

Для листьев B. pendula характерен дорсовентральный тип строения мезофилла. В условиях техногенной нагрузки наблюдалось достоверное увеличение толщины листа, в большей степени за счет палисадного мезофилла, а также кутикулы верхнего эпидермиса (табл. 2). Максимальное увеличение толщины листа обнаружено на участке У2 – на 36% выше по сравнению с фоном. При этом также возрастало количество устьиц: в среднем на 30% по сравнению с фоном, максимум – на 62%. Кроме того, на всех импактных участках у B. pendula наблюдалось достоверное уменьшение площади листа, в среднем в 1,7 раза.

Одним из важнейших показателей активности физиологических процессов в растении является УППЛ, значение которого в листьях B. pendula на импактных участках было в среднем на 30% выше по сравнению с фоновым. Максимальной величиной УППЛ отличались деревья на У5 (табл. 2).

 

Таблица 2. Структурные характеристики листа Betula pendula 

Параметры	Участок
	У1	У2	У3	У4	У5	К
Толщина листа, мкм	161,3±8,2b	193,0±12,9a	185,2±13,6a	150,1±3,7bc	180,5±7,4ab	141,4±6,2c
Толщина кутикулы ВЭ, мкм	8,6±0,7a	8,5±1,7a	7,4±0,9ab	7,7±0,9ab	7,3±0,6ab	6,3±0,5bc
Толщина ВЭ, мкм	16,9±1,6b	24,2±2,3a	18,9±2,1b	17,7±2,1b	23,6±2,3a	16,2±1,5b
Толщина НЭ, мкм	12,9±0,9bc	17,6±1,6a	14,3±1,5b	13,2±0,9bc	14,6±1,3b	11,2±1,3c
Общая толщина мезофилла, мкм	124,6±8,0bc	139,2±9,4ab	141,9±3,2a	110,2±3,9c	133,9±6,1ab	105,9±6,1c
Толщина ПМ, мкм	40,9±4,3ab	43,4±2,9ab	41,0±3,2ab	36,9±2,7bc	44,1±2,7a	31,36±2,1c
Площадь листа, см2	17,5±2,9bc	12,6±1,2c	18,4±2,4b	15,6±2,9bc	14,9±1,5bc	26,1±2,8a
Количество устьиц на НЭ, шт.	62,4±1,1a	54,5±0,8b	37,3±0,5c	46,1±0,6b	47,7±1,0b	38,5±1,0c
УППЛ, мг/дм2	570,7±14,3c	659,9±9,4b	534,2±15,0c	562,9±11,8c	719,5±20,1a	470,2±6,3d

Примечание.Представлены средние арифметические значения ± SE (n = 30). Разными латинскими буквами отмечены достоверные различия между участками при p < 0,05. У1–У5 – импактные участки; К – фоновый участок; ВЭ – верхний эпидермис; НЭ – нижний эпидермис; ПМ – палисадный мезофилл; УППЛ – удельная поверхностная плотность листа.

 

Структурные характеристики листьев B. pendula на техногенно нарушенных территориях изучались ранее и другими авторами [12; 18]. У B. pendula, произрастающей на золоотвалах Среднеуральской ГРЭС [12], величина УППЛ достигала 725 мг/дм², а толщина листа – 188 мкм, что близко к значениям, отмеченным на импактных участках У2, У3 и У5. Согласно Kalashnikova et al. [18], показатель УППЛ у B. pendula на золоотвалах почти достигал 600 мг/дм², а толщина листа колебалась от 170 до 180 мкм.

Как известно, процесс фотосинтеза зависит от многих внешних факторов. Фотосинтетические пигменты чувствительны к негативному влиянию окружающей среды и подвержены разрушению в условиях техногенного стресса [14]. Содержание Хл а и b в листьях B. pendula на всех импактных участках было достоверно ниже фонового значения (в среднем на 47 и 40%, соответственно), в то время как содержание каротиноидов достоверно снижалось лишь на У3 (рис. 2А, Б). Снижение фотосинтетической способности ассимиляционного аппарата у B. pendula и других видов древесных растений в городской среде было отмечено и ранее [9–11]. Известно, что древесные растения могут усваивать и вовлекать в метаболизм различные газообразные загрязнители, при этом в листьях наблюдается снижение уровня содержания фотосинтетических пигментов [5; 14].

 

Рис. 2. Содержание (А, Б) и соотношение (В, Г) фотосинтетических пигментов в листьях Betula pendula: У1–У5 – на импактных участках; К – на фоновом участке.

Представлены средние арифметические значения ± SE (n = 4). Разными латинскими буквами отмечены достоверные различия между участками при p < 0,05

 

Одной из важных характеристик пигментного комплекса является соотношение фотосинтетических пигментов, по которому можно судить об адаптационных процессах фотосинтетического аппарата. Соотношение Хл а/Хл b было сравнительно низким и в среднем составляло 1,75 (рис. 2В), что свидетельствует о важной роли Хл b в поглощении солнечной энергии. При этом аэротехногенное загрязнение на импактных участках не влияло на этот показатель. Соотношение Хл (а+b)/каротиноиды, характеризующее в целом светособирающую функцию фотосинтетических пигментов, достоверно снижалось лишь на импактных участках У1, У2 и У5 по сравнению с фоновым (рис. 2Г). Уменьшение этого показателя в условиях техногенной нагрузки свидетельствует о стабильности каротиноидов, которые играют важную роль не только как фотопротекторы, но и антиоксиданты, участвующие в защите от окислительного стресса [17].

Заключение

Изменение морфофизиологических характеристик древесных растений в условиях городской среды является ответной реакцией на комплекс негативных факторов природного и антропогенного характера. В условиях техногенной нагрузки в листьях Betula pendula были отмечены структурные перестройки фотосинтетического аппарата, проявляющиеся в увеличении толщины листа за счет хлорофиллоносной части мезофилла, компенсирующей сокращение его ассимиляционной поверхности, а также кутикулы верхнего эпидермиса. При этом возрастание толщины кутикулы, по-видимому, играет защитную роль в условиях аэротехногенного загрязнения. Несмотря на существенное уменьшение содержания хлорофиллов a и b на импактных участках, их соотношение достоверно не изменялось. Более высокая стабильность каротиноидов, по сравнению с хлорофиллами, вероятно, свидетельствует о защитной роли пигментов-антиоксидантов. В целом, такие адаптивные перестройки фотосинтетического аппарата берёзы, возможно, поддерживают фотосинтетическую продуктивность деревьев в условиях городской среды.

Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства науки и высшего образования Российской Федерации в рамках Государственного задания FEUZ-2024-0011.

Об авторах

Сусанна Вадимовна Беренцева

Уральский федеральный университет им. первого Президента России Б.Н. Ельцина

Email: berentseva.sus@gmail.com
ORCID iD: 0000-0001-9143-7918
Россия, Екатеринбург

Галина Григорьевна Борисова

Уральский федеральный университет им. первого Президента России Б.Н. Ельцина

Email: G.G.Borisova@urfu.ru
ORCID iD: 0000-0001-6663-9948

д-р геогр. наук

Россия, Екатеринбург

Артем Вячеславович Собенин

Институт горного дела Уральского отделения РАН

Email: arsob@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0001-5513-5680
Россия, Екатеринбург

Мария Георгиевна Малева

Уральский федеральный университет им. первого Президента России Б.Н.Ельцина

Автор, ответственный за переписку.
Email: maria.maleva@mail.ru
ORCID iD: 0000-0003-1686-6071
SPIN-код: 7136-7541
Scopus Author ID: 6507256832

канд. биол. наук

Россия, Екатеринбург

Список литературы

Дополнительные файлы