CC BY
30
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ОЦЕНКА ПОВРЕЖДЕНИИ АССИМИЛЯЦИОННЫХ ОРГАНОВ ТОПОЛЯ БАЛЬЗАМИЧЕСКОГО (РОРиьт В А1ЛА М1РЕЖА Ь.) ИОНАМИ РАЗЛИЧНЫХ МЕТАЛЛОВ
А.А. КУЛАГИН, науч. сотр. лаборатории лесоведения Института биологии Уфимского научного центра РАН, канд. биол. наук
В условиях загрязнения в растениях происходят изменения, которые связаны с резко или постоянно увеличивающейся долей отдельных токсичных компонентов в окружающей среде, к ним относятся и металлы. Одним из наиболее информативных показателей состояния растения в условиях загрязнения являются скорость роста, степень сформированности и поврежденность ассимиляционного аппарата [5, 1, 17, 18].
Тополь бальзамический (Рори1ш Ъа1-$ат1/ега Ь.) - относится к видам-
интродуцентам, который широко используется в «зеленом строительстве». Этот вид характеризуется высокой скоростью роста, устойчивостью к действию пылевидных и газообразных загрязнителей, а также обладает достаточной декоративностью, что делает выгодным его использование в городских посадках. Посадки тополя 1950-60-х годов на сегодняшний день вступают в критический возраст. Деревья усыхают и постепенно вырубаются, поэтому встает вопрос о целесообразности применения тополя бальзамического при создании санитарнозащитных насаждений в дальнейшем. Одним из основных критериев при отборе древесных пород для городских насаждений является их устойчивость к газообразным и пылевидным загрязнителям, способность аккумулировать наибольшие количества токсикантов в своих органах и тканях, не снижая при этом энергии роста, сохраняя долговечность и декоративность [8, 14].
Отмечается, что при отсутствии в окружающей среде поллютантов практически 100% листьев тополя бальзамического здоровы и не имеют видимых признаков повреждений. Показано, что при постоянно увели-
чивающейся концентрации токсикантов в среде, как правило, пропорционально увеличивается площадь и доля поврежденных листьев, что приводит к отмиранию значительной части зеленой массы растений. Установлено, что при однократном действии высоких концентраций токсичных соединений, в том числе и металлов, ассимиляционный аппарат растений повреждается неодинаково [3,8].
В литературе имеется информация, позволяющая использовать визуальные методы для оценки состояния лесных экосистем [11]. Однако следует отметить, что объектами исследований, как правило, служили древесно-кустарниковые насаждения промышленных центров с их огромным спектром токсичных компонентов. Значительное количество публикаций посвящено описанию результатов экспериментальных работ с травянистыми растениями [12]. Особенностью описанных в научной литературе вегетационных экспериментов является их кратковременный характер - продолжительность проведения исследований, как правило, не превышает двух недель. Целью настоящей работы стало выявление металл-специфических повреждений ассимиляционного аппарата тополя бальзамического {РориЫа ЬаЬат1/ега Ь.) при действии на растения сублетальных доз ряда металлов в условиях длительного 65-суточного эксперимента.
Экспериментальные исследования по выявлению характера и степени влияния сублетальных концентраций ионов различных металлов на растения тополя бальзамического проводили в условиях водной культуры. Работы проводились на растениях тополя бальзамического, выращенных из дре-
весных черенков. Пол деревьев не определялся. Длина черенков - 25 + 0,5 см, диаметр -4,5 + 1 мм, количество почек 7-8 (Комиссаров, 1964). Черенки выращивались в тепличных условиях при средней влажности воздуха 65 + 2 %, температуре 22,0 + 0,8 °С, при естественном фотопериоде. Температура и влажность контролировались каждый день в течение эксперимента.
100 черенков помещали в вегетационные сосуды (50 шт.) с водными растворами солей (все соли являются водорастворимыми) сублетальной концентрации: КСНзСОО, NaCH3COO, Са(СН3СОО)2, Ва(СН3СОО)2, Mg(CH3COO)2, Мп(СН3СОО)2, Zn(CH3COO)2 - 10 г/л и Си(СН3СОО)2, РЬ(СН3СОО)2 - 2 г/л. Такой набор металл-ионов не случайный - здесь представлены металлы из группы макро- и микроэлементов, а также металлы, ионы которых относятся к группе фитотоксичных ионов. Различия в концентрациях солей обусловлены неодинаковой фитотоксичностью металлов -медь и свинец являются наиболее токсичными металлами по отношению к растениям по сравнению с другими [13, 4, 16, 15]. Ацетаты металлов также были выбраны не случайно. По данным ряда авторов эти анионы не оказывают значительного влияния на растения по сравнению с другими, таким образом в экспериментах токсический эффект обусловлен по большей части действием катиона [10, 6]. В качестве контрольных были использованы растения, которые выращивались в сосудах с дистиллированной водой. В вегетационных сосудах поддерживался постоянный объем раствора (0,5 литра) путем доливания дистиллированной воды два раза в неделю.
По ходу эксперимента, через день, с помощью штангенциркуля измерялись размеры (длина и ширина) всех распустившихся листьев. Площадь листьев рассчитывали по формуле: S - Ml dx 'di, где d\- длина листа, d2 - ширина листа.
Дыхание листьев определяли по методу Варбурга с использованием аппарата Варбурга (W ARBURG-АРР ARAT VEB
GLASWERKE STUTZERBACH, Germany),
пигменты в листьях определяли по методу Wintermans, De Mots с использованием спектрофотометра SPECOL 21 (Poland) [2].
Длительность эксперимента - 65 суток. Повреждения листьев опытных растений тополя бальзамического в течение эксперимента оценивались визуально. Все измерения проводились не менее чем в 10 повторностях. Статистическая обработка полученных данных проводилась с использованием программного пакета Microsoft Excel 2000. На рис. 1, 2 представлены средние данные относительно количества пораженных листьев, а также площади хлорозных и некрозных пятен.
При выращивании растений тополя бальзамического на водных растворах ацетатов металлов наблюдаются различия в сроках распускания первых листьев и характере распускания почек (таблица).
Установлено, что Си2+ оказывает негативное влияние на распускание листьев в наибольшей степени. При действии Na+ отмечается значительная задержка распускания листьев. Ионы К+, Mg2+ и Мп2+ несколько стимулируют распускание листьев тополя бальзамического, в то время как Ва2+, Zn2+ и РЬ2+ не оказывают значительного влияния на характер распускания листьев.
В ходе изучения роста листьев отмечены значительные различия в характере формирования листовой пластинки. Установлено, что рост листьев тополя бальзамического, выращенных в условиях избыточного содержания К+, Na+, Са2+, Ва2+, Мп2+,
Л I 1 _ I /> |
Mg , Си , Zn и Pb в среде, характеризуется как незначительный по сравнению с ростом листьев контрольных растений. Площадь листьев опытных растений не превышает 50 % площади листьев контрольных растений. Следует отметить, что рост листьев прекратился на 30-е (Mg2+) и 32-е сутки (К+) эксперимента. Продолжительность периода роста листьев у черенков, выращенных в условиях засоления среды Na+, Cu2+ и Мп2+, составила 19, 22 и 31 сутки соответственно - рост листьев прекратился на 34-е сутки (Na+) и 36-е сутки (Си + и Мп2+) эксперимента. Увеличение площади листьев рас-
тений тополя бальзамического, выращенных при избыточном содержании в среде Са2+, Ва2+, Хп2+ и РЬ2+, прекратился на 38-е сутки эксперимента. Отмечено, что период роста листьев составил 32 суток при избытке в среде Ва2+, гп2+ и РЬ2+, 37 суток - Са2+. Рост листьев контрольных растений характеризовался следующими показателями: продолжительность роста - 40 суток, прекращение роста отмечено на 46-е сутки эксперимента.
Характер повреждений листьев, сформировавшихся на черенках тополя бальзамического, различается при действии на них различных металлов. Так, на листьях отмечались следующие виды повреждений: хлорозы, некрозы, усыхание и скручивание. Были обнаружены следующие разновидности хлорозов - краевой, межжилковый и по центральной жилке, некрозов - краевой, межжилковый, по центральной жилке и нек-розные пятна по всей поверхности листа (диффузные некрозные пятна). Следует отметить, что у листьев контрольных растений повреждения на листьях не обнаружены (см. рис. 1 и 2).
У растений, выращенных при избыточном содержании К+ в растительном субстрате отмечено появление следующих повреждений: хлорозов - у 50 %, некрозов - у
20 %, усыхание - у 10 % листьев от общего количества распустившихся. Из общего количества хлорозов наибольший процент по центральной жилке - 30 %, межжилковых -10 %, краевых - 5 %. Повреждения в виде некрозов отмечены уолько по центральной жилке. Скручивания листьев не обнаружено.
Листья растений, выращенных в условиях избыточного содержания №+ в среде, оказались поврежденными неравномерно - у 30 % листьев отмечались хлорозы, в т.ч. краевые - 10 %, по центральной жилке -20 %, некрозы - у 5 % листьев (только краевые). Повреждения листьев в виде усыхания составили 15 % от общего количества распустившихся листьев. Скручивания листьев обнаружено не было.
У листьев растений, выращенных в условиях избытка Са2+, проявляются повреждения в виде хлорозов, по центральной жилке - 60 % и скручиваний - 20 %.
Около 90 % листьев растений, выращенных при избыточном содержании Ва2+ в среде - повреждены. Хлорозы составляют 10% - отмечались хлорозы только по центральной жилке, некрозы - 30%: краевой -20 % и некрозные пятна -10 %, скручивание -50 % от общего количества поврежденных листьев. Усыхания листьев обнаружено не было.
Таблица
Распускание листьев у черенков тополя бальзамического, выращенных в условиях избыточного содержания металлов в растительном субстрате
Металл Доля черенков, у которых раскрылись все почки, % Количество суток, затраченных на распускание первых листьев
Контроль 100 6
К 80 4
Ыа 85 15
Са 40 1
Ва 95 6
м8 95 5
Мп 85 5
Си 30 14
2п 85 6
РЬ 85 6
□ Здоровые ■ Поврежденнные
Рис. 1. Соотношение (%) здоровых и поврежденных листьев у растений тополя бальзамического (РориШэ Ьа1зат1/ега Ь.), выращенных в условиях избыточного содержания металлов в среде.
К Ыа Са Ва Мп Си Хп
[□хлорозы Шнекрозы Шусыхание Покручивание ■ прочие
РЬ
Рис. 2. Соотношение (%) различных видов повреждений листьев у растений тополя бальзамического (РориЫ ЬаЬат1/ега Ь.), выращенных в условиях избыточного содержания металлов в среде.
Листья тополя бальзамического, сформировавшиеся на фоне избыточного содержания М^2+ в среде, в значительной степени поражены - у 70 % всех листьев отмечались повреждения, из которых хлорозы составляют 50 % (краевые - 5 %, по центральной жилке - 45 %), некрозы - 20 % (краевые - 5 %, по центральной жилке -
15 %), усыхание - 10 %. Скручивания листьев не отмечалось.
При избытке Мп в среде все листья растений повреждены. Помимо повреждений в виде хлорозов - 25 % (межжилковые -5 %, по центральной жилке - 20 %), некрозов - 25 % (краевые - 5 %, по центральной жилке - 20 %), скручиваний - 50 %, отмече-
но появление белых волдырей на поверхности некоторых листьев.
Только 30 % листьев растений тополя бальзамического, выращенных при повышенной концентрации Си2+ в среде, не имели видимых повреждений. У 40 % листьев обнаружены хлорозы по центральной жилке, у 10% - межжилковые некрозы. На 20% листьев отмечалось появление белого налета.
У листьев растений, выращенных в условиях избытка 2п2+, проявляются повреждения в виде хлорозов по центральной жилке - 60 %.
При выращивании растений в условиях избытка РЬ2+ в растительном субстрате отмечено появление повреждений у 60 % распустившихся листьев: хлорозов - у 50 %, в т.ч. краевых - у 30 %, межжилковых - у 10 %, по центральной жилке - у 10 %; некрозов - у 10 %, в т.ч. краевых - у 5 %, межжилковых - у 5 % и некрозных пятен - у 5 %. Скручивания и усыхания листьев не обнаружено.
Установлено, что при действии К+, Ыа+, Са2+, Ва2+ и Мп2+ наблюдается некоторое увеличение площади хлорозов, затем их относительная площадь уменьшается, но постепенно увеличивается площадь некрозов; при действии М§2+, гп2+ и Си2+ площадь хлорозов на листьях постепенно увеличивается при незначительно изменяющейся площади некрозов. Характер повреждений листьев тополя бальзамического при действии РЬ2+ отличается от предыдущих - резко возрастает площадь некрозов на листьях с самого начала интоксикации, в то же время площадь хлорозов на листьях тополя не превышает 30 % от общей площади листа.
Таким образом, по ходу эксперимента наблюдалось постоянное углубление степени поражения тканей листа. Сначала отмечалось появление хлорозных пятен, затем формировались некрозные пятна, после чего происходило полное усыхание тканей листьев. Отмечается, что более 80 % пораженных листьев опадали.
Резкое увеличение содержания ионов в растительном субстрате наряду с появлением видимых повреждений листьев обу-
славливает изменения на уровне жизненно важных физиолого-биохимических процессов. Так, было установлено, что дыхание листьев опытных растений, как правило, не превышало 30 % от контрольного значения и лишь в случае со свинцом этот показатель приблизился к 80 %. Кроме того, показаны достоверные различия качественного и количественного состава пигментов фотосинтеза в опытных образцах по сравнению с контрольными. Во-первых, отмечено снижение суммы хлорофиллов и каротиноидов в листьях опытных растений в среднем на 60 % (от 19 % для Са2+ до 95 % для Ва2+). Во-вторых, под действием ионов металлов происходит изменение соотношения пигментов фотосинтеза в листьях тополя бальзамического. В листьях контрольных растений соотношение пигментов в соответствии с их функциями характеризуется следующими показателями - хлорофилл А : хлорофилл В : каротиноиды -5:3:2. Ионы К+,
л I л 1 л |
Ва , и Мп обуславливают увеличение доли хлорофилла В до 5-7 единиц при одновременном снижении доли хлорофилла А до 2-3 единиц, при действии ионов Са2+, и Си2+ наблюдалось увеличение доли каротиноидов до 5-8 единиц. В случае с РЬ2+ происходит двукратное увеличение доли каротиноидов (при не изменяющейся доле хлорофилла А), а с №+ - наблюдалось увеличение доли хлорофилла А в полтора раза по сравнению с контролем (доли хлорофилла В и каротионидов кратно уменьшаются).
Благодаря способности растений тополя бальзамического к повторному облист-влению в течение одного сезона (Кулагин и др., 2000) в течение эксперимента на растениях сформировались новые листья, которые способны выполнять полностью все функции, характерные для ассимиляционных органов растений.
Проведенные исследования позволяют утверждать, что избыточное содержание ионов металлов в значительной степени задерживает рост листьев тополя бальзамического, оказывает угнетающее воздействие на работу физиолого-биохимических процессов в листьях. Максимальный токсический эффект на
рост листьев оказывают Са2+, Ва2+, Мп2+, Си2+ и - в этом случае листья не достигают больших размеров и продолжительность их роста невелика. При изучении действия К+, Ыа+, М§2+ и РЬ2+ на рост листьев растений тополя установлено, что эти металлы задерживают их рост уже на самых ранних этапах. Следует отметить, что при действии К+, Са2+,
Л I *у |
и Мп наблюдается эффект стимуляции развития листьев тополя.
Основным и наиболее часто проявляющимся типом повреждений были хлорозы, локализованные по центральной жилке (для гп2+, Са2+, Мё2+, Си2+, К+, Мп2+,
Ва2+). Отмечены также повреждения в виде некрозов по центральной жилке (для Мп2+,
21 | ‘л |
М§ , К ). При действии РЬ на растения тополя бальзамического наибольшую долю составили краевые хлорозы, что согласуется с высоким уровнем дыхания и незначительными изменениями доли основного пигмента фотосинтеза - хлорофилла А в листьях опытных растений. Кроме того, были обнаружены повреждения в виде скручивания листьев (Ва и Са2+), появление белого налета - Си2+ и появление белых волдырей при действии Мп2+ на растения тополя бальзамического.
На основании проведенных исследований можно сделать заключение о том, что эффект, вызванный действием металлов на растения, не ограничивается появлением одного из вышеуказанных типов повреждений ассимиляционного аппарата. Существует их прямая взаимосвязь, поскольку в ряду «хло-роз-некроз-усыхание» глубина повреждений постоянно увеличивается, что, в конечном счете, приводит к гибели листа и его опаданию. Хлорозы и некрозы были локализованы на периферии листа и затем постепенно перемещались к центральной жилке (наиболее опасный вид повреждений). Усыхание листьев носит сходный характер - от периферии к центральной жилке и основанию листа. Таким образом, показано, что при действии сублетальных концентраций ионов металлов на растения тополя отмирание тканей листьев происходит постепенно. Следует отметить, что на листьях контрольных растений повреждения не обнаружены.
Список литературы
1. Антипов В.Г. Устойчивость древесных растений к промышленным газам. - Минск: Наука и техника, 1979.-216 с.
2. Баславская С.С., Трубецкова О.М. Практикум по физиологии растений. - М.: Изд-во Моск. ун-та, 1964.-С. 105-125.
3. Беляева Л.В., Николаевский B.C. Влияние промышленных газов на рост побегов и ассимиляционные органы древесных растений // Науч. тр. Моск. лесотехн. ин-та, 1987. - Вып. 188. - С.24-27.
4. Загрязнение воздуха и жизнь растений / Под ред. М.Трешоу. — Л.: Гидрометеоиздат, 1988. - 527 с.
5. Илькун Г.М. Загрязнители атмосферы и растения. - Киев: Наукова думка, 1978. - 247 с.
6. Кагарманов И.Р. Биологические особенности тополей в связи с лесовосстановлением в техногенных условиях Предуралья: Автореф. дис. ... канд. биол. наук. - Уфа: Изд-во БГУ, 1995. - 18 с.
7. Комиссаров Д.А. Биологические основы размножения древесных растений черенками. - М.: Лесная пром-сть, 1964. - 273 с.
8. Кулагин А.Ю., Кагарманов И.Р., Блонская Л.Н. Тополя в Предуралье: дендроэкологическая характеристика и использование. - Уфа: Гилем, 2000. -124 с.
9. Кулагин Ю.З. Древесные растения и промышленная среда. - М.: Наука, 1974. - 125 с.
10. Кулешова Т.Н. Изучение солеустойчивости сеянцев тополя белого // Лесоводство и агролесомелиорация. - Вып.4. - Киев: Урожай, 1965. - С. 256-260.
11. Лесные экосистемы и атмосферное загрязнение/ Под ред. В.А. Алексеева - Л.: Наука, 1990. - 200 с.
12. Лихолат Ю.В. Эколого-физиологические основы формирования дерновых покрытий в условиях степной зоны Украины (устойчивость, динамика, техногенез): Автореф. дис. ... д-ра биол. наук. -Черновцы: Наука и просвещение, 2003. - 40 с.
13. Махонина Г.И. Химический состав растений на промышленных отвалах Урала. - Свердловск: Изд-во Уральского ун-та, 1987. - 168 с.
14. Тахтаджян А.Л. Система и филогения цветковых растений. - М.; Л.: Наука, 1966. - 600 с.
15. Устойчивость к тяжелым металлам дикорастущих видов / Под ред. Н.В. Алексеевой-Поповой. - Л.: Наука, 1991,- 189 с.
16. Физиология растительных организмов и роль металлов / Под ред. Н.М. Чернавской. - М.: Изд-во Моск. ун-та, 1989. - 150 с.
17. Dassler H.G. Reaktionen von Geholzen auf Immis-sionen und Schlussfolgerunden fur den Anbau. Begrun-rnrng in Industriegebiten // Ref.d. VII Dendrol. Kongr. soz. Lander 29. Juni bis 3. Juli 1979 in Dresden. KB d. DDR, Graph. Werkst. Zittau. 1981. - S. 31-36.
18. Smith W.H. Air Pollution and Forests. Inveration between Air Contaminants and Forest Ecosystems. -N.Y. e. a.: Springer, 1981. - 381 p.
