Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Замедленная флуоресценция хлорофилла хвойных в условиях техногенного загрязнения атмосферы

ВАК РФ 03.00.16, Экология

Текст научной работыДиссертация по биологии, кандидата биологических наук, Пахарькова, Нина Викторовна, Красноярск

о-/ у

МИНИСТЕРСТВО ОБЩЕГО И ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО

ОБРАЗОВАНИЯ РФ КРАСНОЯРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

Пахарькова Нина Викторовна

ЗАМЕДЛЕННАЯ ФЛУОРЕСЦЕНЦИЯ ХЛОРОФИЛЛА ХВОЙНЫХ В УСЛОВИЯХ ТЕХНОГЕННОГО ЗАГРЯЗНЕНИЯ АТМОСФЕРЫ

03.00.16. - экология

Диссертация на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Научный руководитель:

кандидат биологических наук, Григорьев Ю.С.

Красноярск 1999

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ * 4

ГЛАВА 1. Обзор литературы

1.1 Промышленное загрязнение атмосферы 8

1.2. Влияние загрязнения воздуха на некоторые виды хвойных 12

1.3. Флуоресцентные методы в оценке состояния растений.

1.3.1. Структурно-функциональная организация фотосинтетического аппарата 21

1.3.2. Замедленная флуоресценция хлорофилла как показатель состояния растений 22

1.4 Анализ реакции растительной клетки на экстремальные воздействия.

1.4.1. Изменения фотосинтетического аппарата хвойных в связи с переходом в состояние зимнего покоя 24

1.4.2. Анализ реакции растительной клетки на тепловой стресс 31 ГЛАВА 2. Объекты и методы исследований 38 ГЛАВА 3. Анатомо-морфологические особенности хвои и побегов сосны обыкновенной, произрастающей в районах, различных по уровню загрязнения атмосферного воздуха 49 ГЛАВА 4. Замедленная флуоресценция хвойных, произрастающих в районах с различным уровнем техногенного загрязнения воздуха

4.1. Сезонная динамика замедленной флуоресценции хвойных 59

4.2. Особенности прохождения фазы зимнего покоя сосны обыкновенной,

произрастающей в районах с различным уровнем загрязнения 64

ГЛАВА 5. Влияние теплового стресса на замедленную флуоресценцию хвои сосны обыкновенной 75

ЗАКЛЮЧЕНИЕ ' 92

ВЫВОДЫ 94

ЛИТЕРАТУРА 96

ВВЕДЕНИЕ

Загрязнение окружающей среды является острой экологической проблемой, особенно в городских и промышленных районах. Воздействие токсикантов приводит к значительному ухудшению состояния и даже гибели лесов на обширных территориях. Поэтому актуальной задачей является поиск объективных и достаточно простых в исполнении методов ранней диагностики техногенного загрязнения природной среды. Симптомы острого повреждения растений токсическими газами высоких концентраций достаточно хорошо изучены (Лукьянец, 1979; Николаевский, 1979; Алексеев, 1982; 1989; 1990; Крючков, 1991 и другие). Значительно сложнее определить повреждающее действие воздушных токсикантов на том уровне, когда изменения еще обратимы. Удобным и перспективным методом, несущим информацию о функционировании первичных реакций фотосинтеза, позволяющим быстро оценить величину токсического воздействия на растения, является метод регистрации замедленной флуоресценции хлорофилла (Маторин и др., 1985; Гаевский, Моргун, 1993), так как состояние фотосинтетического аппарата в значительной степени соответствует общему состоянию растения (Веселовский, Веселова, 1990).

Древесные растения в настоящее время широко применяются в биоиндикационных исследованиях качества воздуха (Гудериан, 1979; Биоиндикация..., 1988; Жиллет, 1988). Выбор представителей семейства сосновых (Ртасеае) в качестве объекта исследований обусловлен их

широкой распространенностью, хозяйственной значимостью и возможностью круглогодичного использования (Мамаев, 1972; Правдин, 1975; Молотков* и др., 1982; Рожков, Михайлова, 1989; Шавнин, Фомин, 1993).

Цели и задачи исследований:

Целью работы являлось изучение влияния комплексного атмосферного загрязнения на деревья сосны обыкновенной (Pinus sylvestris), ели сибирской (Picea obovata) и лиственницы сибирской (Larix sibirica) и установление возможности применения методов регистрации замедленной флуоресценции для биоиндикации воздушных загрязнений.

Достижение указанной цели предполагало решение следующих задач:

• изучить анатомо-морфологические изменения хвои и побегов хвойных деревьев под влиянием загрязнения воздуха;

• изучить годовую динамику замедленной флуоресценции хлорофилла хвои сосны обыкновенной, ели сибирской и лиственницы сибирской в естественных условиях и в условиях промышленного загрязнения воздуха;

• изучить возможность применения теплового стресса в качестве дополнительного фактора, позволяющего выявить скрытые повреждения фотосинтетического аппарата хвои, характерные для слабого хронического загрязнения.

Научная новизна заключается в следующих основных результатах исследований, впервые полученных автором в ходе работы над диссертацией и выносимых на защиту:

• реакция хвойных на тепловой стресс, оцениваемая по изменению интенсивности замедленной флуоресценции хвои сосны обыкновенной, является хорошим индикаторным признаком чистоты атмосферы;

• в условиях загрязнения окружающей среды снижается глубина зимнего покоя деревьев сосны обыкновенной.

Практическая значимость.

Представленная работа является составной частью исследований, направленных на разработку и совершенствование флуоресцентных методов и создание аппаратуры для биоиндикации комплексного загрязнения атмосферного воздуха по древесным растениям. Результаты исследования могут быть использованы при проведении работ по оценке состояния древостоев хвойных, для создания системы ранней диагностики изменений состояния растительного покрова в результате воздействия техногенного загрязнения атмосферы, а также возможно включение разработанных методов в общую схему экологического мониторинга урбанизированных территорий.

Апробация работы.

Материалы диссертации представлены на международной конференции "Фундаментальные и прикладные проблемы охраны окружающей среды" (Томск, 1995), на конгрессах Международного общества SETAC (Ванкувер, 1995; Амстердам, 1996; Сан-Франциско, 1997; Санкт-Петербург, 1998), на Международном экологическом конгрессе (Воронеж, 1996), на VII Всероссийском симпозиуме "Коррекция гомеостаза" (Красноярск, 1996), на Международной конференции "Экологически чистые технологические процессы в решении проблем охраны окружающей среды" (Иркутск, 1996), на Международной научной конференции "Влияние атмосферного загрязнения и других антропогенных и природных факторов на дестабилизацию состояния лесов Центральной и Восточной Европы" (Москва, 1996) и других.

Исследования по теме работы были поддержаны грантом по фундаментальным проблемам охраны окружающей среды и экологии человека Минобразования (95-22-3. 0-53) 1996-97 года.

Объем и структура работы.

Работа состоит из введения, 5 глав, выводов и списка цитируемой литературы. Работа изложена на 111 страницах машинописного текста, включает 26 иллюстраций и 10 таблиц.

Работа выполнена на кафедре экологии КрасГУ в период обучения в заочной аспирантуре в 1994-1998 годах.

По материалам исследований опубликовано 17 работ.

ГЛАВА 1. Обзор литературы.

1.1 Промышленное загрязнение атмосферы.

Бурный рост промышленности и автотранспорта ведет к значительному загрязнению природной среды, в первую очередь атмосферы. Так как эволюция растительности совершалась в условиях достаточно чистого атмосферного воздуха, современные виды растений, в том числе хвойные, не обладают специфической приспособленностью к действию токсичных газов (Кулагин, 1974). Вредное влияние загрязненного воздуха на растения происходит. как путем прямого действия газов на ассимиляционный аппарат, так и путем косвенного влияния через почву. Причем прямое действие кислых газов приводит к отмиранию отдельных органов растений, ухудшению их роста и урожайности. Трудно дать полную характеристику всех вредных эксгалатов, так как их количество и удельный вес в загрязненном воздухе быстро изменяются, в результате взаимодействия веществ образуются новые соединения, нередко даже более токсичные, чем исходные компоненты (Николаевский, 1979).

Эксгалаты, выбрасываемые в атмосферу, по величине частиц, электромагнитному спектру и скорости оседания в воздухе под влиянием силы тяжести можно условно разделить на пыль (диаметр частиц от 0,5 до 2000 мкм, спектр в инфракрасной области от 420 до 0,7 мкм, скорость

оседания близка или соответствует закону Стокса); пары и туманы (диаметр частиц от 0,03 до 100 мкм, спектр в видимой области, скорость оседания меньше, чем у пыли); дым (размер частиц от 0,01 до 1 мкм, спектр в ультрафиолетовой области, скорость движения частиц в результате броуновского движения превышает скорость оседания) (Катц, 1962). В состав пыли могут входить литейный песок, удобрения, пылевидный уголь, цемент, летучая зола, частицы почвы. Кроме того, она содержит разнообразные соединения, образующиеся при переработке и сжигании сырья как кислого, так и щелочного характера, а также различные соли, сажу и т. п. В составе паров и туманов возможны различные испарения: туман кислот, пары окислов цинка, хлористого аммония, сернистого газа и т. д. В состав дыма входит нефтяной, смоляной, углеродный дым и газы (Николаевский, 1979).

По химическому составу (с учетом токсического действия на растения) эксгалаты можно разделить на: кислые газы, обладающие наибольшей токсичностью для растений (фтор, хлор, сернистый и серный газы, оксиды азота, угарный газ, оксиды фосфора, сероводород); пары кислот (соляной, азотной, хлорной, фосфорной, серной и органических, туман серной и соляной кислот); оксиды металлов (свинца, мышьяка, селена, цинка, магния и других); щелочные газы (аммиак); пары металлов (ртуть); различные органические газы и канцерогенные вещества (предельные и непредельные углеводороды, фенол, четыреххлористый углерод, сероуглерод и др.).

Характер действия различных кислых газов и паров кислот, по-видимому, сходен и заключается в нарушении физиолого-биохимических процессов в результате подкисления протоплазмы клетки (Томас, 1962; Николаевский, Казанцева, 1966). Последнее ведет к прекращению фотосинтеза, усилению деятельности окислительных процессов (Красинский, 1950). Пары кислот часто вызывают появление ожогов на поверхности листьев. Аммиак, как и кислые газы, проникает в мезофилл, и повреждающее действие его связано, вероятно, с подщелачиванием клеточной среды и нарушением транспорта электронов. Значительной фитотоксичностью обладают канцерогенные вещества, но характер их действия на растения изучен слабо. Пыль нарушает температурный и водный режим растений, поглощение световой энергии и газообмен (Ершов, 1957; Илькун, 1971). Кроме того, растворимые соединения в составе пыли зачастую проникают в клетки вместе с влагой и вызывают нарушения, сходные с действием газов или солей. Воздушная среда вокруг многих промышленных предприятий, в том числе алюминиевых заводов, характеризуется наличием комплекса загрязнителей, действующих одновременно. В таких условиях можно ожидать изменения фитотоксической активности выбросов в сторону ее усиления или ослабления. Обычно выделяют четыре типа воздействия смесей токсикантов: суммацию (аддитивный эффект), синергизм, доминирование и антогонизм (Рожков, Михайлова, 1989). Суммацией называют те случаи, когда величина повреждения от смеси токсикантов

соответствует сумме повреждений, вызываемых каждым веществом в отдельности; при синергизме конечное повреждение больше, чем сумма отдельных повреждений; при антагонизме растение получает меньшее повреждение от всех веществ, чем от каждого в отдельности. Доминирование какого-либо токсиканта проявляется в том, что при воздействии смеси, его содержащей, величина повреждения остается такой же, как и при одиночном влиянии этого токсиканта. Проявление того или иного типа воздействия смеси токсикантов на растительный организм во многом зависит от их концентрации, продолжительности и порядка действия, а также от физико-географических условий (Yang et al., 1982). Синергизм чаще наблюдается при действии смесей токсикантов высоких концентраций (Гудериан, 1979). При низком содержании в атмосфере кислых газов возможны эффекты суммации или доминирования (Bennett, Hill, 1974). Комбинации загрязнителей, приводящие к ослаблению их повреждающего действия крайне редки, например, в случае одновременного присутствия в атмосфере кислых и щелочных газов, окислителей и восстановителей (Тарабрин, Башкатов, 1986). Все вышеизложенное подтверждает необходимость развития методов, позволяющих адекватно оценивать степень повреждения растений всем комплексом токсических веществ.

1.2. Влияние загрязнения воздуха на некоторые виды хвойных.

Предприятия черной и цветной металлургии, нефтеперерабатывающей, целлюлозно-бумажной и химической промышленности, теплоэлектростанции, автотранспорт относятся к основным источникам выбросов кислых газов в атмосферу. Среди последних двуокись серы, сероводород, окислы азота, хлор, фтористый водород выделяются как наиболее сильные токсиканты для растительных организмов. При воздействии различных доз токсикантов на растения можно выделить четыре типа повреждений, отличающихся по характеру и глубине расстройства метаболизма: острое, капельно-ожоговое, кумулятивное и скрытое. Острые повреждения вызываются воздействием высоких концентраций поллютантов. Поражение развивается в течение нескольких часов (дней) и проявляется в виде хлороза с последующей некротизацией тканей хвои или всего побега. У лиственницы пораженная хвоя быстро высыхает и опадает. Восстановление ее происходит за счет пробуждения почек будущего года на брахибластах. Зачатки хвои будущего года у этой породы развиваются на конусе нарастания брахибласта одновременно с хвоей текущего года, и в случае утраты последней вторичная хвоя отрастает в то же лето. У ели при остром поражении хвоя опадает также относительно быстро, тогда как у сосны сохраняется на ветвях в течение длительного времени. В том случае, когда при повреждении хвои двухлетние побеги сосны сохраняют

жизнеспособность, в их вершинной части из спящих почек развиваются плотно сидящие группы коротких ауксибластов. Хвоя на них имеет вид обособленных пучков (Рожков, Михайлова, 1989). Кислый газ, поступая в клетку через устьица или кутикулу, в значительных количествах накапливается в хлоропластах и приводит к подавлению фотосинтеза (Красинский, 1950). Капельно-ожоговые повреждения в отличие от острого поражения, охватывающего всю хвоинку и возникающего по всей кроне или большей ее части, проявляются в виде некрозных точек и более крупных пятен, перепоясывающих хвоинку и постепенно расширяющихся и чаще всего образуются при высокой влажности воздуха (Гудериан, 1979, Рожков, Михайлова, 1989). В подавляющем большинстве случаев на упругих хвоинках с сильно развитой кутикулой послеожоговый некроз начинается в апикальной части, затем распространяется к основанию (Биоиндикация..., 1988). Кумулятивное повреждение развивается при длительном действии низких концентраций токсикантов. Для этого типа повреждений характерно стойкое нарушение основных метаболических процессов, внешне выражающееся в уменьшении размеров и массы хвои, преждевременном их опадении, изреженности и суховершинности крон деревьев, депрессии роста, раннем старении. Кумулятивное повреждение со временем приводит к избыточному накоплению токсикантов в ассимиляционных органах и появлению некрозов. Вышеперечисленные типы повреждений определяются визуально или с помощью морфометрического анализа.

Скрытые повреждения вызываются очень низкими концентрациями токсикантов, действующими постоянно или периодически. К таким повреждениям " относятся нарушения физиолого-биохимических процессов (увеличение проницаемости мембран, изменение активности ряда ферментов, ингибирование фотосинтеза и т. д.). Накопление скрытых повреждений приводит к снижению роста и продуктивности растений, потере резистентности к климатическим факторам, патогенным микроорганизмам и насекомым. Латентные повреждения обратимы, они не ведут к стойкому расстройству метаболизма, и после прекращения действия загрязнителя нормальная жизнедеятельность растений восстанавливается. Именно на стадии скрытых повреждений необходимо наладить контроль за состоянием растений, подверженных действию промышленного загрязнения воздуха, что может быть достигнуто с помощью методов флуоресцентного анализа (Веселовский, Веселова, 1990, Гаевский, Моргун, 1993). Основной путь поступления загрязняющих веществ в растение - поглощение их в процессе газообмена через устьица, а также через клетки эпидермиса листьев и неодревесневших побегов (Николаевский, 1964, Эверт, 1970, Илькун, 1971, Илькун, Юдин, Кустовский, 1983). Поглощенные токсиканты растворяются в пленочной воде на поверхности листьев, и образующиеся ионы проникают через кутикулу к клеткам эпидермиса. Далее они мигрируют по свободному пространству к соседним клеткам мезофилла и проводящим сосудам, по которым разносятся в другие клетки и органы

(Негруцкий, Попов, Приседский, Еремка, 1981). При проникновении токсического вещества в к