Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Первичные процессы фотосинтеза растений при загрязнении атмосферы и перспективы биофизического мониторинга

ВАК РФ 03.00.02, Биофизика

Автореферат диссертации по теме "Первичные процессы фотосинтеза растений при загрязнении атмосферы и перспективы биофизического мониторинга"

АКАДЕМИЯ НЛУК БЕШУСИ ИНСТИТУТ -ЮГСЕИСЕГШЗИ

На правах рукснлся

¿щшоян дззнгп н&\ш?олсв1г

первичные процессы зотосиктеза растений при загрязнении

атмосфер и пегсджиш биофизического мониторинга

03.00.02 - Блофизляз

Авторофзрат диссертации за соискание ученой степени доктора бяслогэтесназс наук

Минея -1391

Работа выполнена на кафедре биофизики Ереванского государственного университета

Официальные оппоненты:

доктор биологических наук, профессор ЛИТВЙК Ф.О.

доктор физ.-мат.наук, профессор КУКЛЫ-© А.К.

доктор фаз.-тт.наук ЛОСЕВ А.П.

Ведущая организация: Институт химической физики Ali России

Защита состоится " -¿V " St^Üo-^. 1992 года в

/4СС часов на заседании Специализированного совета Д 006.05.01 по защите докторских диссертаций по специальности "бг ""изика" при Институте фотобиологии АН Беларуси (220733, г.'¡Линек, ул. Ф.Скоршш, 27).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института фотобиология АН Беларуси.

Автореферат разослан "„^ "__IS9I г.

УЧЕНЫЙ СЕКРЕТАРЬ СПЕЩШШЗИРОВ/ШНОГО СОШТА кандидат биологических наук

ОЕЦАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

-Актуальность проблемы. Фотосинтез является слолшой и уни-1Льной функцией фотосинтетического аппарата растений, благода-г которой солнечная энергия превращается в энергию химических язей органических молекул. В процессе эффективной трансформа-л световой энергии особенно важная роль прянадлают первичным сцассам фотосинтеза (светопоглсщание, перёнос энергии зловонного возбуждения и транспорт электронов), которые протекают тилакоидннх мембранах фотссинтетяческого аппарата растений.

В настоящее время з различных лабораториях мира ученые ус-шо иссле.пуют раз;зчнке аспекты поглощения и использования этовой энергии в процессе фотосинтеза (А.А.Красновский. Л.А. ;менфельд, Ф.Ф.Литвин, Г.П.Гуринович, А.Б.Рубин, А.Ю.Борисов, ).Карапетян, В.А.Шувалов, А.К.Кукуикин, А.П.Лосев, В.В.Климов, '.Фрадкин, Л.К.Островская, С.М.Кочубей, Т.Е.Кренделева, Б.А. лев, А.А.Красновский мл., М.Г.Гольдфельд, В.Н.Синещеков, А.Н. онов, Р.Клейтон, Говиндяя, Л.Дейзено а др.). Одним из важных аспектов этой проблемы является исследова-реакции первичных процессов фотосинтеза на загрязнение ат-феры. Это представляет большой теоретический и практический эрео, так как при загрязнении атмосферы структурные перестой в тилакоидных мембранах я нарушения в первичных процессах юинтеза могут являться решсплм звеном в нарушении эффен-гости запасания солнечной энергия. Исследование первичных ;ессов фотосинтеза при загрязнении атмосферы будет способст-ть решению пробле?»м управления первичных реакций фотосинте-целью их регуляции и интенсификации. Биофизические механиз-егуляцяи фотосинтеза по сравнется) с генетическими (Ю.С.На-в, Ю.Е.Гиллер) и физиологическая (И.А.Тарчевский, А.Т.Мок-:ов и др.) мало изучены.

3 настоящее время актуальность этой проблемы еще более воз-зет в связи с тем, что благодаря бурному развитию транша, промышленности и сельского хозяйства резко увеличивает-:брос токсических веществ в атмосферу и в некоторых регио->н во много раз превышает допустимую норму» Загрязнение ат-ры стало опасным экологическим фактором. Аналогичные ис-вания их влияния на фотосяктатичаскнй аппарат будут спо-

собствовать разработке биофизических критериев необходимых для решения эклогических проблем, в частности для фитоиндикации и мониторинга загрязнения атмосферы.

Армения' является удобным природным полигоном для проведения исследований по современным проблемам экологической биофизики фотосинтеза. Это обусловливается особым сочетанием физико-географических и атмосферных факторов, наличием экстремальных условий (высокогорная интенсивная солнечная радиация с повышенным УФ-излучением, низкие и высокие температуры, сильное загрязнение атмосферы городов и промышленных районов).

Цель и задачи исследования. Целыо настоящей работы является исследование молекулярных механизмов повреждения фотосинтетического аппарата и нарушений регуляции первичных процессов фотосинтеза растений в экстремальных условиях высокогорья и долины с загрязненной атмосферой.

Для достижения этой цели в основу исследований были поставлены следующие задачи:

- создать экспериментальную базу для прове *ения исследований при загрязнении атмосферы долины и высокогорья (на горе Арагац, в г.Кировакане и г.Ереване) ;

- разработать комплекс лабораторных и полевых методов (на ос-•нове высокочувствительных фотометрических установок) для исследования спектрально-люминесцентных и других свойств фотосинтетического аппарата растений;

- исследовать особенности пигментного аппарата хлороплас-тов и протекавдих в них первичных процессов фотосинтеза у высокогорных и долинных растений в условиях альпийской зоны на высоте 3200-3300 м над уровнем моря ; а также в условиях долины с загрязненной атмосферой;

- исследовать характер изменения пигглентсодеряащих компонентов фотосинтетического аппарата и природу нарушения первичных процессов фотосинтеза растений под действием искусственных физических и химических загрязнителей атмосферы в лабораторных условиях.

На основе полученных результатов разработать биофизические 1фитерии для экспресс-диагностики состояния хлоропластов и предложить тест-объекты для фитоиндикации и биофизического мониторинга затруднения атмосферы.

Натчная новизна рпботн. Систематически исследованы первичные процессы фотосинтеза растений при загрязнении атмосферы в таярокных условиях долины я высокогорья (3200-3300 м над уров-¡ем моря). При этом впервые установлены особенности молеяуляр-1сй организации пигментного аппарата тилакоидннх мембран хло-эопластов альпийских и долинных растений и природа нарушения в фоцессах сввтопоглощения, переноса энергия электронного воз-¡ужденяя и транспорта электронов. Обнаружено и изучено явление 'гиперхромии" в сяне-фяолетовой области спектра поглощения фо-'осиктетяческого аппарата при химическом загрязнении атмосферы, ■становлена его природа, как результат нитрования фенольных оединений под действием газообразных соединений азота. Впер-ио обнаружено двухвершинный характер терлоиндуцированного из-енения флуоресценздк хлорофилла фотосинтетического аппарата различных видов растений я предложена интерпретация этого ффэкта.

Практическая значимость работа. На основании разультатов обственных исследований предложены биофизические критерии кспрасс-диагностики структурно-функционального состояния фото-гнтэтического аппарата, разработаны способы и аппаратура,тест-Зъекты для фитсяндякации загрязнения атмосферы. По этим раз-зботкам получены авторские свядвтатьотва на 4 изобретения, с змощья которых был проведен биофизический мониторинг в ряде эгяояов Армении с природной и техногенной загрязненность®, хвнивалось экологические состояние загрязненной атмосферы гях районов и был дай прогноз изменений экологической обста-

)вки.

Агщо^адкя, работа., Основные результаты диссертации обсуждать на Ученом совете биологического факультета ЕГУ (Ереван, 65-1990), Материалы диссертации были представлены в ряде до-адов: на II конференции физиологов и биохимиков растений бири, Дальнего Востока, Иркутска, 1964 ; Всесоюзной конферен-и "Молекулярная биофизика" (Пущкно-на Око, 1966), на Совеща-ях по фотосинтезу и использованию энергия солнечной радиации ушанбв, 1967), Управляемому биосинтезу и биофизика популяций I Всеоозвнее совещание, Красноярск, 1969); Управляемому бяо-нтезу и биофизике популяций (Ш.Всесоюзное совещание, Красно-зк, 1973), I Симпозиума по молекулярной я прикладной биофя-

зиие сельскохозяйственных растений (Краснодар, 1974), У1 Всесоюзной конференции по фотоэнергетике растений (Львов, 1980), Е Республиканской научной сессии по вопросам биофизики (Ереван, 1982), I Всесоюзном биофизическом съезде (Москва, 1982), Всесоюзной конференции "Проблемы фотоэнергетики растений и повы-пение урожайности" (Львов, 1984), Международном симпозиуме по изучению ошосферного пограничного слоя в городских условиях, загрязнения атмосферы (Ереван, 1986), Ш республиканской конференции "Достижения физико-химической биологии и биотехнологии и пути их внедрения (Ереван, 1989), П Съезде ВС&Р (Минск, 1990) часть работы доложена на научном семинаре кафедры биофизики биологического факультета МГУ (1984). Вся работа доложена в Казанском отделении Всесоюзного биохимического общества и Всесоюзного сбцества физиологов растений АН СССР (7.03.1991), на объединенном заседании Воронежского отделения Всесоюзного общества физиологов растений и кафедре физиологии и биохимии растений и биофизики Воронежского госуниверситета (12.03.1991).

Публикации, Основные положения диссертации опубликованы в 33 печатной работе.

Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения и выводок. Материалы изле гены на 430 страницах машинописного текста, содержат 17 таблиц, 78 рисунков. Список использованной литературы состоит из 351 названий, в тог/ числе 194 зарубежных.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБ0И.'

ГЛАВА I. ОБЗОР ЖГЕРАТУШ. ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

Представляет собой краткий обзор, посвящеыый современным представлениям о первичных процессах фотосинтеза. При этом особое внлучше уделено структурным и физико-химическим основам обеспбЧэ?.ия их протекания, в частности, энергологлощащим и преобразующим компонентам тилакоидкпх мембран и их энергетическим взаимодействиям в обычных условиях атмосферы. Здесь изложены также современные представления о разнообразил загрязнения атмосферы и возникновения вторичных загрязнений при взаимодействии излучения различно!! природы с загрязненной атыосфе рой. В этой главе представлены также литературные данные о вяк

янии различных физических я ташчеоких загрязнителей атмосфер, на структуру и функцию тялеяоядных ыембран хлоропластоз (за исключением механизмов, регуларущях первичные процессы фотосинтеза при загрязнении атмосферы). В конце данной главы формулируются цели и задачи исследования.

ГЛАВА 2. ОБЬШЫ И МЕТОДУ ИССЛЕДОВАНИЯ

В качестве объекта исследования слушал фотосинтетяческий ал-парат разнообразных видов древесных и зго-чянистых растений. При этом исследованы структурно-функциональные особенности хлоропластоз у 18 видов альпийских растений. 4 видов долинных рас-тэний, проникавдих в альпийонув зону горы Арагац, 5 видов долинных древесных растений» 8 видов сельскохозяйственных культур, а таете у одноклеточной водоросли хлореллы (Chlorella pirenoidoaa 82).

Методические аспекта работа. В процессе исследования были использованы различные биофизические и биохимические метода. В качестве основных были выбраны современные методы биофизической фотометрии и спектроскопии. На горе Арагац на высоте 3200 и над уровнем моря п в промншгвнных городах (Кировакан, Ереван) с загрязненной атмосферой наш! была создана экспериментальная • база. При этой в связи со спецификой лабораторных и полевых исследований был:' модифицирован:цзлкй ряд методик, сконструированы оптические, электронные и спег?трз.шше приборы, обеспечивающие выполнение поставленных задач. В работа развит принцип параллельного комплексного изучения характеристик фотосннтети-ческого аппарата растений, что было реализовано с помогцью са- . рийных и созданных пгшя приборов. Так, спектры поглощения регистрировали на спектрофотс!,5отра^ марки С0-26, Сф-Ю (СССР), Зпекорд-40 (ГДР), в вторые проянводвне спектров поглощения на зпектрофотоуотре CS-I0 с nc.-crtra приставки для дяфференциацпл зпектров. * \ \

Спектры флуоресценции л. споктта возбуждения флуоресценции эегиетрироБэли с пратэнениеи спектрофлуориметра парки МР-43 Япония), а также созданного ниш хпоятрофлуоримвтра на база ~рех монохроматоров. На эти: se приборах исследовали перенос -нергии с применением,метода сенсибилизации флуоресценция. ■

Транспорт электронов в фотосинтетическом аппарате растений такке изучали-комплексными методами исследования: индукции послесвечения и флуоресценции, ЭПР спектроскопии и с применением реакции Хилла. Свободкорадикальные парамагнитные центры листье] регистрировали с использованием ЭПР-спектрометра марки Е-4 фирмы Вариан (США).

Для регистрации кинетики затухания послесвечения и термоин-дуцированного.изменения выхода флуоресценции хлорофилла создана фотометрическая установка. , •

Для регистрации индукции послесвечения и флуоресценции использовали сконструированную нами многоцелевую механическую фосфороскопическую установку, снабженную двумя фотоумножителями, тремя-источниками возбуждающего света и оптической газовой камерой.

При изучении действия УФ-излучения на фотосинтетический ап парат растений использовали прибор 0PK-2I с ртутно-кварцевой лампой ПРК-?. Для селективного воздействия на пигментный аппарат тилакоидных мембран нами применен рубиновый лазер (Арзни-210), газовый гелий-неоновый лазер и жидкостной лазер на краси телях (1ЕИ-410). Клетки хлореллы выращивали на твердой питател ной и жидкой среде. В последнем случае использовали сконструированную наг.м установку .для интенсивного выращивания водорослей. Выделение хлоропластов осуществляли по общепринятой методике. Содержание хлорофилла в суспензии хлоропластов определяли по Арнону. Разделение пигментов осуществляли методом бумажной хроматографии. Определение интенсивности фотосинтеза осуществляли радиометрическим методом с применением изотопа С^, а также методом полярографии (Полярограф ПК I о электродом Кларка). ■ ,•

Данные обрабатывали с помощью общепринятых статистических методов. .....

ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЕ СТРУКТУНШХ ПЕРЕСТРОЕК ШАШЩНЬК ШМБРАН И ПЕРВШШХ ПРОЦЕССОВ ФОТОСИНТЕЗА РАСТЕНИЙ ПРИ ' КРАТКОЕРЕГЯННШ ДЙЙТВИИ ЭКСТРИШШЫХ ФИЗИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ И . ЗАГРЯЗНИТЕЛЕЙ АШОСФЕШ

В этой главе представлены результаты исследования структур но-функциональных перестроек тилакоидных мембран при кратковре

М9НН0М действии главных экстремальных физических Факторов я химических загрязнителей атмосферы. В начале этой главы представлены результаты изучения механизмов температурно-завйск.ад перестроек в тилакоидных мембранах фотосинтетического аппарату Наши исследования показали, что т ерл оявдуцированные изменения выхода флуоресценции хлорофилла (ЖХ) у разного рода хлорофял-лсодержащих систем с различным уровнем сложности и нативности (листья растений, изолированные хлоропласта, микроводоросет и смесь пигментов в касторовом масле, сут.и^ листья и др.) т,:евт неодинаковый вид кинетических кривых. Установлено, что липь у кривых ТИ<ВС живых объектов в области температур 45-?0°С обнаруживается увеличение интенсивности флуоресценции. При этом кривая ТИФХ имеет двухвершинный характер с максимумами при 55°С и 65°С (рис. I). Была выдвинута рабочая гипотеза о том, что об-ций вид кривой и в частности ео двухвершинный характер, обус-повлен наложением ряда эффектов, связанных со структурно-функ-пт овальным переходом тилакоидных мембран хлоропластов. Для про-¡ерки справедливости этого рассуждения отдельные темперазурные ¡бласти кинетических кривых ТЭДЗС издали с; применением лазер-:ого излучения, ингибиторного анализа и комплекса спектральных ■етодов. При сэлентивном повреждении пигментного аппарата с рименешем рубинового лазерного излучения (Л =694,3 нм),на-лпдается исчезновение высокотемпературного максимума при 65°С рис. 2). Что позволяет его связывать с фотосистемой I. Для 2следования природа пика при 55°С на кривих ТИЗЗХ, на».од были зпользованы гелий-неоновый (А =632,8 юл) и жидкостной лазер з красителях (Л2И-401) с применением красителя ДКЭ (А =653-53 ям). Было установлено, что под действие?.! этих лазеров, изменив которых возбуадаот 2С-Л, происходит преимущественное |дение интенсивности максимума кривых при температуре 55^. •о указывает на то, что появление пика на кривых ТИ22С при 55°С условлено фотосистемой 2.

Эти результаты подтверждены с помсщьэ флуоресцентной и проводной спектроскопии.

В этой главе представлены такте результаты исследования эемосвязи степени формирования пигментного аппарата хлоро-зстов с кинетическими кривыми ТИК. Показано, что вид кривой 5Х зависит от степени формирования фотосистем. В начальные '

Рис. I

Термоиндуцированные изменения выхода стационарной флуоресценции хлорофилла некоторых хлорофиллсодер-жащих систем

I - лавровый лист; 2 - стебель традесканции;

3 - клубень картофеля; 4 - лист фасоли;

& - хлорелла; б - смесь пигментов в касторовом масле.

. ь

и

Чй -10 -

о _I_I_1-1-1--1-'-1-I—<—^-1-о

ео 30 40 50 ЕО И)

Рис. 2

.Термоиндуцированное изменение выхода флуоресценции ,хлорофилла листа фасоли до и после облучения рубиновым лазером (Я =694,3 нм, I - контроль, 2 -¡облучение 4'Ю1* Вт/м2).

зы освещения этиолированных листьев растений фондируется $С-1, и кривых ТИФХ проявляется максимум только при 65°С, с узе-[вняег времени освещения на кривых появляется также пик в об-!тя 55°С. После шестичасового освещения интенсивность послед-'0 пика становится преобладающей. Эти результаты подтверждают од о тем, что высокотемпературные пики при 55°С и 65°С сбу-вло1Ш ЗС 2 и 5С I соответственно.

Для выяснения того, существует ли связь между электронным депортом и явлением ТИЗХ хлоропластов нош изучалось вляя-спзцифическях ингибиторов электронтранспортной цвпи, дкуро-ш ТИФХ хлореллы. Установили, что при торможении потока зло-5нов между первичным акцептором <СС 2 и пластохиноиовнм яулом мощью диурона пргиохояит разков возряотвняв интенсивности »ресцанция в области температур 25-40°С. Сильное изменение ^тическях кривых ШЕС проясхо.дит также при фиксации тилако-х мембран с помощью глутарового альдегида (рис. 3). С уве-ияем его концентрация пик высокотемпературного максимума ьшается я пря более высоких концентргшяз исчезает. Оцно-енно в области невысоких температур (?;5-43°С) интенсивность ресценция еяльно возрастает, при этом значение отношения ^55° увеличивается. На основании этих результатов эаклю-, что характер кинетических кривых ТИФХ отражает структур-гнкциональное состояние электронтранспортной цепя хлоро-гов. Это позволило использовать метод ТИФХ вместе с дру-бяофизическимя методами для сравнительного анализа различ-1отосинтезирущих организмов.

I этой главе диссертация представлены результаты исследо-кратковременного действия температуры, УФ излучения и ческих газов с применением метода ТШХ, индукции послесве-, произво.дной спектроскопия я других. Установлена ззаимо-между структурно-функциональным изменением тилакоидных ан хлоропластов и параметрами спектральных и фотометрик кинетических крявых. Это особенно важно для интерпрета-эзультатов, полученных в природных условиях. В частностя, ано, что под действием экстремальных температур происхо-шектявные нарушения тех или иных компонентов тилакоид-эмбран, что приводят к последовательному нарушению различ-¡еньев в первичных процессах фотосинтеза. Установлено, что

до нарушения процессов светопоглощения и.переноса энергии, сравнительно низкие температуры 'приводят в '"закрытое" состояние реакционный центр 2, что вызывает .торможение электронного транспорта в тилакоидных мембранах хлоропластов. Об этом свидетельствует увеличение значения.отношения у кри-

вых -ТК<2Х, понижение амплитуды индукционной .вспышки и.изменение переходов на индукционных кривых послесвечения без заметных изменений в оптических'спектрах поглощения хлоропластов. Сравнительно высокие температуры'(50-70°С) вызывают селективное повреждение '¡¡С 2 и К I. Можно.предположить, что при этом нарушается пространственная. связь мекду .реакционным центром и антеннами ¡вследствие конформационных изменений в пигмент-белковых комплексах. Это обосновывается наблюдаемыми изменениями состояния хлорофилла, превращения хлорофилла в феофитин, которые обнаруживается по спектрам поглощения.' Установлено, что лри действии экс .^емалышх температур происходит гипсохромное смещение .красного максимума полосы поглощения хлорофилла, появляются полосы поглощения феофотпна - (например, при 540 нм) и изменяется соотношение интенсивностей полос поглощения нативршх-. форм хлорофилла в производных спектрах поглоцения хлоропластов растений. '

Структурно-футациональные .селективные нарушения в тилакаид-..ных мембранах хлоропластов .установлены такне при изучении влияния УФ'излучения на .фотосинтетический аппарат. Показано, что в зависимости от дозы облучения происходят селективные нарушения различных .компонентов тилакоидных мембран, которые приводят к поочередному нарушению различных звеньев первичного процесса ф&тое^нтеза. Вце до нарушения процесса светопоглощения хло-роал&с?гхп (вследствие повреждения пигментного аппарата), происходит т&рмСжение электронного транспорта. Об этом свидетельствуют результаты .по изучению влияния УФ излучения на ТИФХ, индукцию послесвечения-и спектральные свойства фотосинтетического аппарата. С повышением.дозы, облучения у кинетичесгагх кривых : ТИФХ значение отношешш в03Растает» а ка индукцион-

ных кривых послесвечения отмечается падение интенсивности на -всей фазе индукции. Изучение этих параметров указывает на то, что 7® излучение визввает-нарушения в работе реакционного цен; тра ФС 2, как это считает:другие исследователя ( Левит, 1970)

, Рис..3

Териоиндуцнрованное изменение флуоресценции суспензии хлореллы в присутствии различных концентраций ГА.

I - контроль, 2 - 0,042^ ГА, 3 г 0,104^ ГА, 4 - 0,208$ ГА, 5 - 0,416% ГА, 6 - 0,833$ ГА 7 - 1,66б£ГА, 8 - З.ЗЗЗ-Я ГА.

Рис.]4 '

Спектр возбуждения флуоресценции листьев до и после обогащения воздуха- аммиаком . I - контроль; 2 - 6'10~^мг/л алыиака.

а такке нарушения электронного транспорта между ФС 2 и 4С I, как показано б работе (ТнвнннД90.3), хотя другие исследовате

(Уак£./псул ь , 1970 ), считают, что УФ излучение ингиби£ ет электронный транспорт между водой и 2. Под действием вы соких доз происходит также понижение значен;1я отношения «^о/

. что объясняется деградацией .пигментного аппарата ФС 2 и уменьшением количества пигментов. Это приводит к умекь кзнпа светопоглощения хлоропластами в красной и синей областя спектра.

Газообразные загрязнители атмосфеты (ш^, ио2> со2, со, э и др.) в зависимости от их концентрации и химической природы вызывают разного рода структурно-функциональные нарушения хло-ропластов. Газообразные соединения азота вызывают сильные ка-рушення первичных процессов фотосинтеза. При этом происходит увеличение светопоглощения в сине-фиолетовой области спектра. Методами спектроскопии и хроматографического анализа пигментов установлено, что повышение светопоглощения в этой области не связано с физико-химическими превращениями пигментов, а происходит при изменении спектральных свойств объекта за счет образования окрашенного соединения. Последний тызывает нарушения на других этапах первичного процесса фотосик.еза в том числе падение эффективности использования поглощенной световой энергии в сине-фиолетовой части спектра. Это было.показано при изучении спектров возбуждения флуоресценции хлорофилла а. в листьях растений (рис. 4), по сильному падению уровня сенсибилизированной флуоресценции хлорофилла £ .з данной области спектра. Образующееся вещество оказывает экранирующий эффект, т.е. часть поглощенной хлоропластами энергии не используется в процессе фотосинтеза, вследствие отсутствия переноса энергии маг-ду этим веществом и пигментами тилакоиДных мембран.' Под действием соединений азота происходит такде нарушение переноса энергии от сопровождающих пигментов к хлорофиллу а и транспорта электронов в гхлоропластах.

Транспорт электронов исследовали комплексными методами. На рис. 5. представлены кривые ТйФХ листьев салата. Очевидно, что с увеличением концентрации аммиака суммарная интенсивность флуоресценции хлорофилла падает, происходит увеличение отношения 2 о/з го. Это свидетельствует об увеличении количества образу-

Рис.15

Термоиндуцировашше изменения флуоресценции листьев салата ( »¿.-Нуа) до и после

действия аммиака.

I - контроль, 2 - ак 6'10~3мг/л, 3 -1,8'10^мг/л, 4 - 4;9"10"2мг/л.

А Б "

Рис.'6

Спектры ЗПР листьев растений vicia faba А - контроль (без обработки ашиаком), I - без освещения

2 - при освещении светом 707. Б - сигнал ЭПР, наблвдаеыы{ в темноте при обработке листа аммиаком. 0,62мг/ыл

Спектры ЭПР записаны при различном коэффициенте усиления спектрометра: 1,2 - К =4x10^;

3 - К « 2хЮ3; <1 - К X SxIO2.

кцегося "экранирующего" вещества с повышением концентраций аммиака и сарушением транспорта электронов между фотосистемами. С целхлэ проверки справедливости этого функционирование реакционных центров £С I и СС 2 исследовано методами ЭПР спектроскопии и индукции послесвечения. Результаты изучения, свободиора-диксльных парамагнитных центров листьев растений под действием смкпйка методом 2ЛР спектроскопии представлены на рис. 6-7. О кпк.тике фотопцдуцнрсванных окислителыго-ьосстаковптельных ггесрэдоас* ••роакцконного центра SC I судхяи по всдпчкне ссгна-ла SUP I от ?7qq. -Для преимущественного оозбуяденкя вС I исполь зовалк свст с длиной волны 707 нм, а для .ъезбукцения обоих фотосистем на ф-онс езота -7.07 нм применяли евзт 650 ни или белый свет. Зключенпо света "707 iai приводит к появления сигнала I, а при включении па его фоке света £50 нм вследствие притока электронов от £С 2 к Pr.QQ 'происходи? уменьшение стационарной кон-центррдии P7QQ к -умекьпенир сигнала. Под действием е:.з,-лака меня, ется вид ЕЕйетических кривых, благодаря топу, ¿то включение света 650 км па фоне .-сеста 707 т.: не приводит к уменьшению сигнала ЭПР I. Зтс свидетельствует о ток, что аммиак действительно вызывает снгвсЗаровакие электронного трглепорта меаду фото-СЕСтемамк.. Обработка. stzszsxou приводах; в воэиишозешш в темноте довольно 'иктьнедвногэ сигнала гПР.'.гаозкцого сирину Н гат;с 8 г. Возми .о, ■ он связан с образованно» вогества, ваг адэдего увеличение светапоглсщещш в еккв-фколеаовой области спектра.

Исследование "функционирования реакционного центра £0 2 ме-' тодсм индукции лослесвечеыш показано, что под действием аммиака меняется вид кинетических кривых, при этом изменяются быстрая i, медленная фаза .индукции. Эти изменения - свидетельствуют о взрушениистакае в -работе рэакциошого .центра £С 2 и торможении электронного транспорта. 'Ингибирование электронного транспорта било установлено тш-хе с помощью рэакц-та Хклла, При это;.; показано, что. даже-невысокие концентрации .а-,~:кака вызывают сильное падение скорости реакции Хилла. Акзлотггчные нарушения в первичных процессах.фотосинтеза растений были установлены при исследовании влияния'то2 на-первичные процессы фотосинтеза.

В тилакоЕдных мембранах своеобразное структурно-функциональ-: ное нарушение вызывает сернистый газ. Даже низкие концентрации ■ повреждают пигментный аппарат тилакоидов,, -уто влечет за собой

нарушения светопоглощения. При этом в спектрах поглощения фото-синтезируищих объектов обнаруживается уменьшение интенсивно :ти полос поглощения хлорофилла и появляются новые полосы поглощения, в частности при 540 нм. Природа данной полосы установлена с помощью спектроскопии я хроматографпческого анализа пигментов. Показано, что под действием сернистого газа происходит превращение порфнринозого ядра молекулы хлорофилла с образеванием феофитина, в основном за счет хлород>лла а. Сернистый газ нарушает я электронный транспорт, что "существенно сказывается на кинетических кривых индукции послесвечения (рис. б). Сравнительно низкие концентрации вызывают сильное повышение максимального уровня свечения, а высокие - понижение, т.е. наблюдается двухфазное изменение концентрационной зависимости. Ингибирова-нпв электронного транспорта было установлена также с применением реакции Хилла. С повышением концентрация гага происходи ■ падение скорости этой реакции. Считают (Штгмазаки и Сугиара,1980), что сернистый газ инактявяруат первичный донор электрона или сам реакционный цеитр цепи переноса электрона.

В отличие от вышеназванных газов, соединения углерода (СО^, СО) не вызывают нарушений светопоглощения хлоропластов. Однако они нарушает электронный транспорт в тллакоицных мембранах. При исследовании влияния углекислого газа на фотосинтетический аппарат растений нами установлено, что он вызывает специфические изменения кинетических кривых послесвечения, угнетая интенсивность индукционной вспышки и вызывая появление нового пика свечения после медленной фазы индукции. С увеличением концентрации газа интенсивность этого пика возрастает. Эти изменения объясняются специфическими нарушениями в электронном транспорте под действием высокой концентрации углекислого газа. Нарушение электронного транспорта под действием высоких концентраций СО2 и при его недостатке установили также методом исследования кинетики затухания послесвечения. Оба метода послесвечения показали, что высшие концентрация СО2 и его недостатог вызывают тср-мояение электронного транспорта между фотосистеламя я на участ-' ке от кислородвыделящейсистемы к реакционному центру 2С 2. При исследовании совместного действия С02 и света'на электронный транспорт у фотссинтетического аппарата хлореллы, установлено, что свет задищает фотосинтетический аппарат от вредного дей-

выклДтоо

ВКЛ. Л707

РИС. 7

Кинетика фотоиндуцированных изменений величины | сигнала ЭПР.

(§- 2,00) в листьях растений Vicia faba а) контроль, б) обработка листа 0,15мг/л аммиака,

3

СГГМ' ЬА

40

за

ео

ю

зо

го

10

№

•4

.S

30 60 90 120 Время сек.

СП

в) обработка листа 6,25 мг/л аммиака.

; Рис. ö

¡Индукционные кривые послесвечения листьев растений IPhaseolus vulgare до и после обработки сернистым газом. 1 I - контроль; 2 - 0,53кг/л; 3 - 0,79мг/л; 4 -'Х.Обмг/л;

' Я _ Т 1?un/»

о

ствия С02. Результаты наших исследований согласуются с сообще- ™ ниями других авторов, о том, что высокие концентрации С02 понижают скорость реакций Хилла ( Chanj с/975), а недостаток СОг сникает выделение Н* системой расщепления воды ( Khc.nnexКчэ&О). При исследовании действия окиси углерода на транспорт электронов методами индукции послесвечения и реакции Хилла, показано, что с увеличением концентрации СО происус^лт подавление реакции Хилла и обнаруживается значительное уменьшение интенсивности пика индукционной вспышки послесвечения, "irо свидетельствует

0 нарушении электронного транспорта.

ГЛАВА 4. ИССЛЕДОВАНИЕ СОТССИНТЕТИЧЕСКОГО АППАРАТА И ПЕРВИЧНЫХ ПРОЦЕССОВ ФОТОСИНТЕЗА РАСТЕНИЙ В

ЭЯСТРЫШШЫХ УСЛОВИЯХ ВЫСОКОГОРЬЯ ;

В этой главе представлены результаты исследования структурных особенностей тилакоидных мембран и первичных процессов фо-сосинтеза при физических загрязнениях атмосферы в природных ус-ювичх высокогорья. Исследование проводили на высоте 3200-3300

1 над уровнем цоря. на тят макросклоне горы Арагац в альпий-¡кой зоне, где отмечается высокий уровень солнечной радиации с 'Ф излучением, низкой температурой, низким парциальным давле-;ием углекислого газа и кислорода. В начале исследования проводили изучение особенностей процессов поглощения световой энер-'ии фотосинтетическшл'.аппаратом растений, обитающих в альпийс-:ой зоне. Анализ спектральных кривых поглощения экстрактов патентов и суспензий хлоропластов этих растений показал, что у олыпинства видов альпийских растений светопоглощение в видовой бласти обусловлено хлороЗилл&ми и каротиноидаш. Однако в пектрах поглощения у некоторых видов (Сагип caucasicum и др.)

у б'ольиинствп видов долинных растений, проникших в альпийскую ону (Humes: acetosa, Urtica dioica м др.) обнаружены полосы по-лощения антоцинтов. В этом отношении исключение составляет rtemisia piendens. Нами изучалось также накопление антоцианов растений Zea mayo после их перевозки из долины в альпийскую ону. Показано, что антоцианы в клетках этих растений накопли-аются за короткий срок. Появление их сигнализирует о нахожде-ш растений в эК01рёйаЖйых условиях атмосферы.

Установлена и изучена природа низкого уровня сзетопоглоще-

н;!Я у фотосинтетического аппарата альпийских растений методами спектрофотометряи и количественного анализа пигментов. При этс:.: отмочали низкое "содержание -хлорофилловых пигментов и вы- " сокое содержание каротиноидсз: хлорофилла я составляет 1,04 мг,\ -^-„орофилл в - 0,46 мг, а воротипоиды 0,46 i.tr на грамм сырого веса листьев. Для сравнения отметим, что долинное растение' Urtica dioica хорошо приспособилось к условиям высокогорья и содержание хлорофилла а у него достигает 2,70-мг, а хлорофилл в 1,00 мг на грамм листьев. Такое низкое содержание пигментов, по-видимому, специфически связано с особенностями формирования пигментеодержащих компонентов талакоидных мембран хлоропластов альпийских растений. Для исследования этих особенностей были использованы метода ТИФХ и низкотемпературной спектроскопии. Особенности организация тилакои.дных мембран заметно отражаются на кинетических кривых ТПЗХ в области высоких температур, где пики при 55°С и 65^3 хорошо выражены и идентифицированы, а значение отношения-J^o/Jg^o по сравнению с долинными растениями -низкое и в среднем составляет 1,11, а у растений Alchimilla grosshsinii иногда.меньше единицы. При этом у фотосинтетического аппарата альпийских растений нами установлены три типа кинетических кривых ТИФХ (рис. 9). Полученные результаты свидетельствует о специфической организация фотосистем тилакои.дных мембран хлоропластов этих растении.

С целью установления различия в молекулярной организации пигментного аппарата тялаиоидкых мембран нами нзучены низкотемпературные спектры флуоресценции и вторые производные спектра поглощения хлоропластов альпийских растений. При понижении температуры хлоропластов, до -196° в спектрах флуоресценции (рис. 10) наряду с. полосой Р685 нм проявлялись новые полосы Р695 нм и широкая полоса F735-750 нм. Последняя характеризуется малой 'интенсивностью по сравнению с долинными растениями, вследствие малого относительного содержания .длинноволновых форм хлорофилла. Наши результаты по изучению состава нативных форм пигментов хлоропластов альпийскях растений методом низкотемпературных вторых производных спектров (ряс.II), показали, что вышеуказанные качественные и количественные различия в пигментном аппарате тилакоидных мегбран не связаны с отсутствием той или иной 5'орыы, которые характерны для долинных растений, т.е. правило

2й 20 АН 50 60 ?0

Рис. 9

Типы к рае их термоицдудированншс изменений флуоресценции хлорофилла а листьев альпийских растений'в условиях высокогорья на горе Арагац.

I - первый тип; 2 - второй тип; 3 - третий тип.

рис. 10 тоа чао Анм

Структура полос низкотемпературных спектров флуоресценции хлоропластов альпийских растений.

1. Chamaesciadiuu 2. Trifoliua 3. Alchirailla acaule (Blob,) anbiguiua grosaheinil

Boiss Bieb. Juz.

.лверсальности тативных форм (Литвин $.<¿.,1965) справедливо такке для фотосинтетического аппарата альпийских растений. Однако у альпийских растений различная интенсивность полос поглощения свидетельствует о различиях в содержании различных натив-кых форм в тилакоидных мембранах. .

Б этой главе представлены также результаты исследования переноса энергии электронного возбуждения от сопровождающих пигментов к хлорофиллу а, в связи с изменением их относительного содержания по сравнению с долинными растениями. Установлено, что энергия от каротиноидов к от хлорофилла в достаточно эффективно переносится на коротковолновую (Хл ,682) и на длинноволновую (}ji 706) форму хлорофилла а. Выдвигается предположение о ток, что в хлоропластах альпийских растений существует целый ряд более благоприятных условий для переноса энергии от триплет-ного хлорофилла к каротиноидам. Благодаря этому молекулы хлорофилла лучше защищаются от фотодеструкции под действием высокогорного интенсивного света.

В этой главе в результате исследования транспорта электродов в тклакидных мембранах хлоропластов альпийских растений методами индукции люминесценции установлено, ч: о уровень электронного транспорта довольно низок. 3 таблице сопоставлены значения отноизнгя J2co/J55o кривых ТЖХ растений в условиях высокогорья и долины. JB условиях высокогорья оно гораздо выше (в средне." °,78), чем у тех не растений, произрастаю""« в условиях долины (в среднем 0,55), т.е. в условиях высокогорья происходит сильное тормэкекпе транспорта электронов между фотосистемами. Исследование медленной индукции флуоресценции хлорофилла листьев альпийских растений показало, что вид кривых у различных растений несколько отличаются, однако они аналогичны кривым долинных растений. Сначала проявляется полоса ДР перехода, которая састро претерпевает спад' (Ре), вслед за этим следует ин-теныииый переход, а завершающий переход отличается особенно медленным спадом'до уровня Т. Но этой причине значение отношения Jct /ju достигает 0,69, что почти на 30-40% больше по сравнению с тем ко отношением у долинных растений. Таким образом, это свидетельствует о низком уровне транспорта электронов в тйлакопдных мембранах хлоропластов альпийских растений. Аналогичные результаты получены при исследовании электронного транспорта методом индукции послесвечения.

-21-

N

ч Таблица

Отношение J^o/З^о а кривых ШЕХ фотосинтетического аппарата альпийских и долинных растений

Еид растений

В условиях

i высокогорья j долины

Primula algida Adaas 0,72+0,04 0,61+0,03

Veronica gentianoidea Yahl. 0,76+0,03 0,53+0,02

Campanula tridentata Sehreb. 0,78+0,04 ■ 0,52+0,05

Myösitla alpestris Schrai&t 0,85+0,04 ■ - .

Ranunculus aragazii Grosoh. 0,72^0,05 - '.

Taraxacum atevenii (Spr.) Dc. 0,74+0,02 0,62+0,02

Trifolium ambiguuxa BieSb. 0,79+0,02 0,56^3,02

3ibbaldia parviflora Willd . 0,70+0,04 0,53+0,04

Shaaaesciadium acaule (Bieb.) . 0,82+0,05 -

2irsiura obvallatum Bieb 0,77+0,02 -

atraganta incertus Ledsb. 0,86+0,05 0,55+0,06

Vlchiailla grosahsiraii luz. 0,80+0,02 0,62+0,04

íepeta Supina Stsv. 0,61+0,02 -

irigarcn venustus Botsch. 0,58+0,02 -

Jeshampaia cae3pidosa Bcauv. • 0,73+0,04 0,52+0,03

K5haseolu3 vulgare L. 0,84+0,04 0,49+0,03

Zea mays 1,. 0,87+0,05 0,46+0,03

Для установления роли УФ излучения и температуры в формиро-ании индукционных кривых поатесзоченяя фотосинтетяческого ап-эрата альпийских растений, исследовано действие этих факторов а послесвечение этих растений. Установлено, что с увеличением зры их воздействия происходит паденлз амплитуды индукционной 5пыппи. Для практики выяснили, важный факт, что УФ облучение )зой 0,3408 эрг/см2 вызывает падение аг,шлитуды у дсшшных ютений почти на 45^, а у альпийских - лишь на 10%. Очевидно, ■о данный параметр можно использовать для сценки УФ устойчи-сти растений. Аналогичные результаты получены такие при ис-едовании действия температуры.

Для выяснения того, как влияет низкий уровень электронного экспорта на скорость фотосинтеза использован радиометрический

метод с применением изотопа С14. Установлено, что у альпийских растений в среднем скорость фотосинтеза составляет I кмоль/сг.Г * Данный факт мокко объяснить тем, что УФ излечение и температура по-видимому, вызывают нарушения в транспорте электронов главным образом на уровне <Ю 2 ц мало действует на ЗС I, что обеспечивает циклическое фотофосфорилирование и энергию для фиксации углекислого газа.

ГЛАВА 5. ИССЛЕДОВАНИЕ ФОТОСИНГЕТИЧЕСКСГО АППАРАТА РАСТЕНИИ И

ПЕРВИЧНЫ! ПРОЦЕССОВ йОЗШШТЕЗА В ПРИРОДНЫХ УСЛОВИЯХ ЖМЧБЗКОГО ЗАГРЯЗНЕНИЯ АЯЛОСФЕШ

В этой главе представлены результаты исследования структурой особенностей тилакопщшх мембран и первичных процессов фотосинтеза при длительном действии химического загрязнения атмосферы промышленных городов. В начале представлены результаты исследования влияния выбросов Кироваканского химического комбината, где производится меламнн, карбамид, циануровая кислота, азо: пая кислота к др. При этом атмосфера загрязняется главным образом соединениями азота (iro2 - 2t5 тыс. т/гоц, HH-j - 2,1 тыс. т/год), а такке ацетоном, карбамидом, ртутьи, сурьмой и др.

Исследование процесса поглощения световой энергии фотосин-гетлческим аппаратом древесных растений, произрастающих е зоне действия химического комбината, показало, что светопоглощение, как начальный этап первичного процесса фотосинтеза, контролируется химическими загрязнитыями атмосферы. Основание;.; такого заключения являются результаты, полученные при исследовании спектральных свойств хлоропластов и их окрашенных компонентов. Изучение низкотемпературных спектров суспензий хлоропластов растений, произрастающих в зоне сильного действия хиглического комбината, показало, что кроме общеизвестных полос поглощения хлорофилловых и каротиноидных пигментов, проявляются новые полосы при 520-530 юл, при 572-578 нм,- а также интенсивная полоса в коротковолновой области спектра (400-500 юл). При этом установлено, что степень и характер изменения светопоглощения зависит от вида растения. В спектрах поглощения рюропластоз некоторых газонеустойчивых видов растений (Robinia pseucoacacia, Populus gracilis, Acer trautvetter ) обнаруживается падение

светопоглощендя s волосах хяорофаллов, a такие выявляется полоса поглощения нрй 572-578 нм. Однако у ГазоусТойчивых видов растений (Aesculus hippoenstebun, Juglans regia ) происходит увеличение светопоглещеняя фотосинтэтяческим аппаратом во всех полосах поглощения пигментов, а такие в коротковолновой области (400-500 im), приблизительно нз 75% (рис.12).

С целью установления природы'изменений в спектрах поглощения изолированных хлороплзстоз у различных зидод, нами исследованы экстракты листьев и хлорояластов биохимическими и биофизическими мэтодагля. С применением сяентройятомстряческого и хрохлатографяческого анализа экстрактов покаг.ано, что а зоне сильного действия жшлнчеокого комбината в фотосякт.етлчЕском ад-парзте расаачий клесте- с фотосинтетячеонями яиилент&'ли существуют другие окрапенные ващестяа. Количественный анализ пигментов показал, что фотосяятвтяческяй аппарат у различное видов Формируется неодинаковым количеством хлорсх',к;^;ов и каротяисидов. У гззоус'тойчивых вядсв некяплпзается достаточно высокое количество пягментоз, а у неуатойчявкх - низкое. Возникла необходимость выявить особенности формирования яыгеытсодврдащ'цс компонентов тялакеядннх' мембран хлоропластов при сильном загрязнении атмосферы. Дяя. репаняя этой задачи nsisr ясяользованн'. методы TilSX а' нязкоталпаратураой спептрсскодни., Установлено, -что в зоне сильного: дейс'твяя'халячеокого кс'-лбяыатя - у фотос'ин- ■ тетячаского аппарата неустойчивых видов гдцатичзская нрявая ТК<ЕК KiieeT низков значение отнопенкя j^o/j'^o. *то-'оввдвтелъ-ствуэт о плохом форкйрзззйЕЯ тшштидЕых мембран, в чаотноатя ЗЯ 2. В связи с эт2м 2сслзд0велз езменэкия у катиднызс" форм • хлорофилла при загрязнения азлосфзры методом йязкотемиератур-ной производией "слекгроскопял. Установила, что яря загрязнения атмосферы стасеяь л характер язмекэняй s этих саактрэх зависят от вяда psoTfixrü. -Ксрагрзводяэ этих спектров со янтеясязносза 5оркы 675 на, дзяа псзясснсоть устаповягь, что загрязнение атмосферы хгютеоягм коибянатом вызывает неравцомеряое яозрзздэ-ше у болвпяяетва йягментных форм, При этом больсо всего псв-зеждаэтея форма 6-8 пгд, 682 да я 693 ел. 3: отягчяо от ■

topua 662 ем набдэдгзтея уволяченяв янтаясяваостя полосы при-; ¡лнзятзльнэ ¿га 502,'"йл-э••с^здэтзльотвувг о ростз лкзячветга."кошерных форм zatopeÇïfâca» У тялпкоэдеых мгабран зжороясастшг.

о +

Рис.II

боо го 4о бо во roo еа Лил

без

7U3 Дни

Рис.12

'[Спектр поглощения экстрактов, получениях из листьев |.растений • ЛеБои1из hipocastanuи , произраставших: 0,3-0,4км-и I- 3-4 км от химического комбината.

Низкотемпературные вторые производные спектров поглощения' хлоропластов альпийских растений Cbanaeeciadum acaule.

-25-

N

газоусточивнх видов растений происходит угнетение формирования длинноволновых форм (682 нм, 693 юл» 698 нм) и стимуляция коротковолновых форм (648 ил, 66.9 нм).

Нами проведено такне специальное исследование дал выяснения природа обнаруженного нами сильного повышенна светопогло-щения ("гиперхромия") в коротковолновой области спектра, особенно у газоустойчивых видов растений, при сильном загрязнения атмосферы. Исследование экстрактов листьев и хлоропластов хро-матографяческкми и сдектральндал методами показало, что это явление связано на с увеличением или превращением фотоспктатл-ческих или других пигментов, а о превращением других неокрашенных веществ. С целью установления природы вещества ответственного за явление "гиперхрошш" г коротковолновой области спектра, наш выделано это вещество из экстракта и подвергнуто спектрально-флуоресцентному анализу. На основании этого, лалто-фиолетовый хромофор этого вещества идентифицирован нами как . нитрофенол, который вызывает увеличение светопоглощения в коротковолновой части фотосинтезирупщих объектов. Нами предложен механизм образования нитрофэнолоэых веществ ("нитрофенолышй эффект") в растительных метках, при загрязнении атмосферы. Установлено, что данный эффект вызывают газообравдца соединения ззота. Последние, поглощаясь клетками, вступают в реакцию с воюй, при этом образуют азотиотую и азотную киолоту, которые ааимодействуэт с фенодьными соединениями и превращают их з итрофенольные соединения.'

В этой глава представлены также результаты изучения пере-оса энергии электронного возбуждения пигментов при загрязнении шосферы методом сенсибилизированной флуоресценции. Установ-эно значительное падение эффективности переноса энергии от эротковолновых пигментов на хлорофилл я. Показано, что эти ¡рушения обусловлены как изменением в пигментном аппарата, 1К и "нитрофзнолышк" эффектом. В последнем случав дополки-1аьяое лозкЕоаие светопоглощения нэ приводит к повышешаа Переса энергии на хлорофилл, а наоборот, вследствие экранируащэ-зффекта нитрофенола падает эффективность переноса поглощек-й оветовой анэргии, так как они не обмениваются энергией вктронного возбуадения.

На следующем этапе нака был изучен транспорт электронов в

чосинтетическом аппарате при загрязнении атмосферы хишчес--. комбинатом. Установлено, что у хлоропластов древесных растений- происходят различного рода нарушения в транспорте электронов. Методами ТШЖ, индукции и затухания послесвечения показано, что происходит торможение потока электронов между. Ю 2 и аС I,. а также на акцепторной стороне $С 2. При загрязнений атмосферы соединениями азота у древесных, растений одной из причин нарушения электронного транспорта является влияние образовавшегося нитрофенола. Установлено,-что под действием о-нитро-фэкола происходит нарушение процесса восстановления первичного акцептора электронов и замедляется падение электрохимического градиента на.мембране с повышением стационарного уровня послесвечения (е) . ...

• В этой главе представлены также результаты исследования структурно-функциональных особенностей фотосинтетического аппарата высокогорных и культурных растений под действием загрязненного воздуха г.Еревана. Показано, что фотосинтетичеокий аппарат у некоторых высокогорных растений адаптируется к зтиа условиям а хорошо формируются тилакоядные мембраны с высоким . содержанием пигментов в <£С 2. Результаты исследования электронного транспорта показали, что происходит его:активация. Однако исследование кратковременного действия загрязненного воздуха г.Еревана на фотосинтетический аппарат культурных растений, выращенных в условиях чистого высокогорного воздуха, показало. -что происходит сильное падение уровня электронного транспорта.,-' ' '." _ ' ■

ГЛАЗА 6. ПРИКЛАДНОЕ ПРИМЕНЕНИЕ- РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЯ.

- ПЕРСПЕКТКШ Ш0ФК2ИЧЕСК0Г0 МОНИТОРИНГА АШОСФЕЩ

; В этой глазе представлены современные;проблемы мониторинга земной атмосферы. В настоящее время мониторинг ".воздушной среды.осуществляется по физическим, химическим и биологическим показателям. При мониторинге атмоссЬерн в качестве критерия ! оценки его состояния используют ГЩК веществ..Однако в настоящее время количество и ассортимент выбрасываемых веществ в атмосферу значительно возрос. Сложившаяся-ситуация, зятрудняет -мониторинг атмосферы, т.к. за последнее десятилетие из огромного числа веществ ПДК установлено лить для- малого количества

веществ я их смесей. Немаловажное значение имеет наличие явления синергизма и антагонистических, свойств у многочисленных • загрязнителей, а тагасе возникновение новых токсических веществ под воздействием излучения и реакций мезду загрязнителями. Мониторинг атмосферы представляет собой весьма трудную задачу.. Б связи с этим удобным методом является бг-лвдикацкл, в частности, определение загрязненности воздушна:; среды с помощью растений (фитоиндикация). Однако существус.. целый ряд причин, уменьшающих ценность фитолпдикации, в частности, сезонный, характер и неравномерное распределение фитоиндпкаторов л другие. В связи с этим в настояцее время.разработка и использование быстрых и точных методов контроля за состоянием атмосферы является весьма актуальным. Б этом отнесении перспективны!.! является применение.современных достгогений биофизики для контроля за состоянием атмосферы (биофизический мониторинг).В связи с этим в этой главе представлены наш разработки и результаты их использования для биофизического мониторинга и других лракти- -ческих целей. Общие принципы предложенными нами разработок в основном изложены в авторских свидетельствах наших изобретений (.№ 1254360 , приоритет от 5 марта 1985 ;Ге 256007 , приоритет от . 28.02.1990 ; И 954053 , приоритет от 5-ноября 1980 ; 11 1561669 , ■ приоритет от 29 декабря-1987). С помощь» разработанных нами способов, .аппаратуры.и-заранее подготовленных программ.были проведены локальные (региональные) сист&мные наблюдения в промышленных загрязненных центрах и дана.оценка состояния атмосферы.'.' ■ . - -

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

На основании анализа-совокупности полученных в нашей работе данных моянозаключить, что самым-слабым звеном в процессе фотосинтеза при действии хпипчоекпх и.физических загрязнителей атмосферы являются первичные этапы фотосинтеза (поглощение света, перенос энергии к реакционным центрам, разделение зарядов, транспорт электронов). Ход реакций повреждения, тилакоидных мембран в значительной мера зависит от химической и структурной гетерогенности мембран и от различной чувствительности лх компонентов к конкретна,у загрязнителю атмосферы. Характер наруше-. ния первичных процессов фотосинтеза ■ обусловлен природой загряз-

-¿о-

нктеля и интенсивностью воздействия, а также от вида растений. При ¡загрязнении атмосферы химическими и физическими агентами гроле-одят относительно избирательные изменения компонентов т;:лг'7<с:гг;ных мембран, которые становятся причиной различных нарушен nil в процессах светопоглощения, переноса энергии электронного возбуждения и в транспорте электронов, т.е. эти процессы зависят от загрязнения атмосферы. При химическом загрязнении от?.:ос£ера происходят различные нарушения в светопоглощянии фото-с^-тстнческого аппарата, в том числе кроме общеизвестных полос поглощения хлорофилловых и каротиноицных пигментов, проявляются тегс-е новые полосы при 520-530 нм, 572-578 нм, а также ин-тгиопзисл полоса в коротковолновой облаоти спактра (400-500 нм). Характер изменений свотопоглощения зависит тзгс*е от вида раоте-i'x'ii i! с"!; 1С"' ичеокого загрязнения. Изменения в процессе светопоглощения хлоропластами обусловлены как количеством и качеством изменения лигглентсодеряащих компонентов тилакоидных мембран, так и ^образованием других окрашенных компонентов в клетках и хлоропластах. У газонеустойчивых видов падение све-тспоглощеиия происходит за счет повреждения различшх пигментов v.r. катпвшх форм, а таюсе химического превращения хлоро-ф:-1ла в фео'птпн с возникновением новых полос, как это установлено при действии кислых газов, особенно сернистого газа. Однако у газоустойчивых еидов растений увеличение светопоглощения происходит за счет накопления фотосинтетических пигментов и образования нитрофенольных соединений. Последние образуются под действием соединений азота. Под действием химических заг-ря?"-.'.телеЛ падает таюхе эффективность переноса энергии в тила-лкх мембранах хлоропластов. В частности, в результате экранирующего действия нитрофенола падает эффективность исполь-зозак;'" энергии в сине-фиолетовой области спектра т.к. отсутствует перенос энергии от нитрофенола к пигментам.

3 отношении химических загрязнителей атмосферы наиболее 'чувствительны:.! звеном в первичных процессах фотосинтеза является электродный транспорт. Токсические газы в основном вызывают селективное нарушение в различных частях электронтран-спортной цепи хлоропластов. Соединения углерода вызывают различнее нарушения в транспорте электронов. Углекислый газ, как в высокой, так и в низкой концентрациях, вызывает торможение

анспорта электронов 'мквду фотосистемами и угнетение фосфорк-рования. Сернистый газ повреждает реакционный центр я пер-чный донор электронов, особенно $С 2. Соединения азота нару-от транспорт электронов, главным образом между фотосистемами. I этом сильное действие оказывает образовавшийся нитрофенол.

Впервые в условиях высокогорья, на еысотв 3200-3300 м над >внем моря исследованы особенности пигментсбдеряэцих ксмло-[?ов тилакоипных мембран и первичных процессов фотосинтеза у >Ш1йских растений. В течение длительной эволюции з фотосяк-чгческом аппарате альпийских растений произошли перестройки птивнс-защитного характера. Сформировались хлоропласта и их :акоидные мембраны с высокой устойчивостью к УФ излучению и лмому интенсивному свету и низкш температурам. Фотосистемы акоидных мембран хлорспластоз альпийских растений сфор>,яро-ы с низким содержанием хлорофилловых пигментов п высоким сэ-канием каротпноидов. Для хлоропластов характерен низкий уро-ь транспорта электронов. Высокое содержание каротшюлдсв Зходамо .для защиты фотосистем от фотодаструктязного дейст-высоногорного солнечного излучения я, по-видимому, для ¡печения оптимальной организации транспорта, элоктронсз.

ШВОД1

1. Разработан комплекс методов и создан ряд высскочувст-льных спектральных и фотометрических установок оригинально не тру кции для исследования структурной организации фото-етического аппарата и первичных процессов фотосинтеза рзс-й при загрязнении атмосферы долин и высокогорья.

2. Показано, что разнообразие повреждений первичных прост фотосинтеза и их регуляции при- действия загрязнителей зферы определяется химической и структурной гетерогенностью хоидннх мембран, различной чувствительностью их комлонен-

а также природой экстремальных физических к химических эров загрязнителей атмосферы.

5. Установлено, что светологлощение, как начальный этап , ¡янтеза нарушается при действии токсических газоз и их ¡й в природных услошях. Падение светопоглацения обуслов-избирателышм повреждением отдельных спектральных форм 'филловых пигментов, особенно длинноволновых форм.

4. Обнаружено и изучено явление "гиперхромии" в сине-фиолетовой. области спектра при загрязнении атмосферы. Установлено, что в основе этого явления лежит появление нитрофейольных соединений ("нитрофенольный эффект") хлоропластов. '

5. Повреждение пигментного аппарата тилакоидных.мембран и образ1—>ние китрофенолов вызывает различные нарушения в процессе переноса энергии электронного возбуждения и использования поглощенной энергии особенно в сине-фиолетовой области спектра.

6. Транспорт электронов является наиболее чувствительным к действию газообразных загрязнителей атмосферы звеном в первичных процессах фотосинтеза. Он подвергается изменению даже при, кратковременном загрязнении атмосферы умеренными концентрациями химических загрязнителей.

7. Установлено, что кратковременное действие физических загрязнителей атмосферы (температура, интенсивный свет, УФ излучение) вызывает селективное повреждение тилакоидных мембран

и нарушения в первичных процессах фотосинтеза. Показано, что под действием различных температур и различны: длин волн лазерного излучения происходит селективное повреждение СО 2 и 50 I и их нативных пигментных форм. Благодаря этому и применению ингибиторного анализа выяснена природа двухвершинного характера кинетических кривых ТИФХ хлоропластов. Установлено, что максимумы при 55° и 65°С обусловлены инактивацией 20 2 и 20 I, соответственно.

8. Систематически исследовано влияние физических загрязнителей атмосферы на первичные процессы фотосинтеза альпийских растений в природных условиях высокогорья. Показано, что у альпийских растений формируются компоненты фотосинтетических мембран с низким содержанием хлорофилловых пигментов и высот,! содержанием каротиноидов. Показано, что низкое содержание хлорофилла не связано с отсутствием какой-либо фотосистемы или натиъной формы хлорофилла. Сфорлулировано представление о том, что высокое содержание каротиноидов в мембранах хлоропластов альпийских растений имеет адаптивно-защитный характер (защита фотосинтетического аппарата от фотодеструктивного действия интенсивного" высокогорного солнечного излучения и синглетного кислорода).

.9. Установлено, что скорость электронного транспорта в хло-

ропластах алышйских растений заметно ниже, чем у долинных растений, особенно на участке между двумя фотосистемами. Это обь-ясняется различием в качестве и количестве компонентов электрон-транспортной цепи, а также их конформационным состоянием в экстремальных световых и температурных условиях.

Наряду с теоретическими проблемами решен ряд прикладных задач. В частности, установлены оптические биофизические критерии для экспресс-диагностики состояния хлоропластов и предложены тест-объекты для фитоиндикации и биофизического мониторинга загрязнения атмосферы.

СШЮОК РАБОТ. ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО МАТЕРИАЛАМ ДИССЕРТАЦИИ

1. Джавршян Дж.М. Спектральные исследования влияния экстремальных факторов (аммиака;'температуры и дефицита воды) на листья растений//? сб.: Вопросы водообмена культурных растений. Уч. записки гос. университета Казани, Т.124, Кн. 7, 1965,

С.103-108.

2. Джавршян Дж.М. Исследование спектральных свойств изолированных хлоропластов при псмсади универсального прибора на базе ЗФ-Ю//"Молэкулярная биофизика". Тез. Всесоюз. конф. молодых ученых, Пущино, 1966, : С.164-165.

3. Джавршян Дж.М.-Быстрое разделение основных пигментов ли-:та меч. С-14 с помощью бумажной хроматографии//Научная конф.

[О геолого-минералогическим, географическим и бяологопочвеннш :аукам за 1965 г. Изд. КГУ, 1966, ■ С.127-128.

4. Джавршян Дж.М. К вопрооу об изучении оптических свойств отосинтетического аппарата/Дез. докл. совещания "Фотосинтез

использование энергии солнечной'рвотацаи". Душанбе, 1967, .49-50.

5. Джавршян Дж.М. К вопросу о действии температуры на опти-эские свойства фотосинтетичесиого аппарата/УВ сб.: "Фушшио-зльные особенности хлоропластов". Изд. КГУ, 1969, - С.19-26.

6. Джавршян Дж.М, Действие УФ радиации на фотосинтетический шарат растений//В сб.: "Функциональные особенности хлоропла-•ов". Изд. КГУ,. 1969, С.23-34.

7. Джавршян Дж.М. Оптические свойства листьев растений, по-ченных из облученных с емян//Биол.журн. Армении, Т.ХХШ, ¡Ы. 1970, С.80-86.

6. Дкавршян ДеЛ,1. Об оводненности листьев растений и об их спектральных свойствах//Учен.записки ЕГУ естеств.. наук, I, 1970, •С.45-49.

9. Джавршян Дк.М. К вопросу исследования спектральных свойсч суспензии хлореллы//Тез.докл. П Бсесоюз. конф, "Биосинтез и биофизика популяций", Красноярск, .1969, С.25.

10. Дкавршян Дк.М. Обратио-регистрирующая спектрофотометра и ее применение в биологии//Е. Молодой ученый работник ЕГУ, 1970,2(12), С.143-152.'

11. Дкгвршяа Jk.M.,- Ванян П.А., Степанян O.K., Паносян Г.А. К вопросу о спектроскопии светорассеиващих биологических сред,// Тез. докл. Ш Всесоюз. конф. "Управляемый биосинтез и биофизика популяций", Красноярск, 1973, 0.44.

12. ДгазрЕян Дк.М. К вопросу о действии, экстремальных факторов на спектральные свойства фотосинтетического аппарата// Первый симп.'по молекулярной и прикладной биофизике с-х растений, Краснодар, 1974, С.18.

13. Дкавриян Де.М., Айрапетян Г.А. Некоторые вопросы спек-трэфотометрки хлореллк//Сообщение Института а: рохимических проблем и гидропоглпа: АН Арм ССР, С. -

14. Дадиваиян А.К., Дкаврпян Дк.М., Агасарян В.Ю., Айрапетян Г.А. Подвижность ориентированных относительно полимерных цепей молекул краснтеля//Высокомолекуляркые соединения. -Т.ХХШ, 1981, С.674-677.

15.. Дзсазршян Де.М., Тихонов А.Н. Свободнорадккальнке пара-магкптные центры и замедленная флуоресценция листьев бобов под действием аммпана//Виол. к. Армении, ХХХУ, JJ5, 1982, С.335-337.

16. ^кнвриян Дд.М., Тарчевский И.А., Мелканян хз.З. О тер-i,^устойчивости фотосинтетического аппарата после действия света высоко/ интенсивноетл/М Ресяуб. науч. сессия по вопросам, Гревап, I9d2, С.44.

17. Джавршян Дк.1Л. Экспрессное определение газоустойчивос-тл растений//Авторское свидетельство Jé 954053. Приоритет от

5 ноября 1980 г.

18. Днавршян Спектрально-флуоресцентное исследован;!е вели некоторых ультраструктурных (конфэрмацконных) перестроек аотосинтезирувдих мембран в первичном процессе фотосинтеза// Первый Всесоюз. бкофиз. съезд. Москва, 1982, - Т.37, - С.35.

19. Джавршян Дк.М. Действие лазерного излучения на теру.о-индуцированное изменение выхода флуоресценции и послесвечения хлорофилловых растительных клеток/Дез.докл.Всесоюз. конф. "Проблемы фотоэнергетики растений и повышение урожа№ости", -Львов, 1984, С.42.

20. Днавршян Дк.М., Ванян П.А., Степанян С.К. Модель морфогенеза реконструировашшх фотосинтетических систем//Вопр. биологии I межвузовский сборник трудов. ■ Выл. 3, Ереван, 1984,

С.96-102.

21. Дж.авраян Дж.М. Биологические преобразования солнечной энергии при фотосинтезе механизмы его регуляции //Вопр. биология (межвузовский сборник"научных трудов), Вап.З, Ереван, 1984, С.88-95. .

22. Дкавршян Дж.М. Способ исследования биологических объектов/Авторское свидетельство !Ь I25436C, 1986 (Приоритет от

5 марта 1985 г.).

23. Дкавршян Дж.М. Способ определения токсичности ятмосфер-юго воэдуха//Авгорскоо свидетельство & I56I669, 1987 (Приоритет от 29 декабря 198? г.).

24. Дкавршян Дж.М. Изучение темпераяурно-зависимыь перехода уровня флуоресценции хлорофилла а фотосинтетичэского апла-iaTa альпийских растеняй//Биофазика, XXXI7, • Выл. I, 1989, .171.

25. Джавршн Дж.М. Возможность применения фотосйнтезирукь iix объектов для биофизического мониторинга загрязнения ашос-еры//Тез. международного свмп. Работы по изучению атмосферного ограничного слоя в городских условиях загрязнения атмосферы, реван, 1988, С.61-62.

26. Диавршян Дя.М. Люминесценция молекул хлорофилла и перечные процессы фотосинтеза у альйяйских растений/Дез. докл. республ. конф. "Достижения фаз.хим.биологии я биотехнологии и геи их внедрения", Ереван. 1989, ■ С.43-44.

27. Джаврдян Дж.М., Степанян С.К. Исследование электронного >анспорта фотосинтетического аппарата растений при загрязне-

:и атмосферы/Дез .докл. Ш республ. конф. "Достижения физ.хим. ологии к биотехнологии я пути их внедрения", Ереван, 1989, 44.

28. Джавршян Дж.М. Изучение пигментной системы листьев.

-34-г

ЭиШТТЛТЗОВЭННЫХ К условном альпийской зоны горы Арагац//Эколо-гил, 1990, С.84-85.

29. Дг.аври^н &.1.1. Индукционные переходы замедленной флуоресценции хлорофилла при обогащении атмосферного воздуха ток-с:гч ес:-:и;ли газагли//Баой:зика, Т. 35, 1990, С.381.

30. £™авр2ян &..М. Способ определения токсичности воздуха, загрязненного газообразными соединениями азота//Авторское свидетельство 3 256007, 1991 (Приоритет от 28.02.1990 г.).

31. Любимов В.Ю., Гарц С.?.!., Дяавршян Дя.М. Фотосинтез высокогорных Сд-растений//Фотосинтез и фотобиотехнология. Тез. докл. и сообщений международной конф, (16-23 июля 1991 г., Пудино), Пудино, 1991.

32- Дглврлвш Дж.М. .Хачатрян Ы.У. Исследование термопндуцирован-ного выхода флуоресценции некоторых хлорофиллсодеркашпс едете: //Биол.лурн.Арг.1ешш,1980,Т.Х1Ш11,Ш,С.1216-1219. '

33- ЛЬавраян Дз.М.,Хачатрян К.М.О природе, термоидцуцированного изменения флуоресценции хлорофилла фотосинтетического ашара-та//$2зпологяя растений,1981,Т.28,К,С. 948-'.952.