Введение к работе
Актуальность темы. В окрестностях локальных источников техногенного загрязнения повреждение растений может привести к полной деградации природных комплексов (Donaubauer, 1983; Kabala, Singh, 2001; Kathryn et al., 2002; Федорова, 2005). Всвязи с этим актуальным представляется изучение ответных реакций живых организмов и, в первую очередь, растений, на промышленное загрязнение. Использование древесных растений в качестве объектов таких исследований объясняется их общепризнанной биосферной и средостабилизирующей функцией как фитофильтра на пути распространения поллютантов, в том числе тяжелых металлов (Pd, Си, Zn, Mn, Cd, Ni и др.) (Фокин, 1996; Гейфельбуйм, 2001; Усманов и др., 2001; Кулагин, 2005; Сухарева, 2006).
Произрастание растений в условиях санитарно-защитных насаждений (СЗН) металлургических предприятий г. Тулы сопряжено с высоким содержанием тяжелых металлов в почвах. Это приводит к их аккумуляции в органах растений, в результате чего наблюдаются множественные изменения в интенсивности и направленности многих метаболических реакций. Наиболее опасным последствием в этом случае считается развитие в клетках окислительного стресса, обязательным условием возникновения которого является избыточное образование активных форм кислорода (АФК) (Мерзляк, 1989; Scandalios, 1993; Скулачев, 1996; Bouvier et al„ 1998; Noctor, Foyer, 1998; Кулинекий, 1999; Asada, 1999; Van Breusegem et al., 2001; Полесская, 2007). В результате повышенной генерации АФК в клетках может произойти окисление лгошдов, углеводов, белков, повреждение ДНК и РНК, дезорганизация цитоскелета (Finkel, Holbrook, 2000; Scandalios, 2002; Колупаев, 2007).
Важнейшим механизмом устойчивости растений в условиях промышленного загрязнения является активизация биохимической многоуровневой и многокомпонентной системы антиоксидантний защиты. Наибольшее значение придается роли, выполняемой визкомолекулярньши метаболитами (аскорбиновая кислота, глутатион, пролин, каротиноиды, флавоноиды и др.) и антиоксидантными ферментами (супероксиддисмутаза, каталаза, пероксидазы) (Bhattacharjee, 1997; Prasad et al., 1999; Mittler, 2002; Molina et al, 2002; Schuetzenduebel, Polle, 2002; Трастова, Боровский, 2004; Xy и др., 2007). При этом многие особенности функционирования антиоксидаптной системы растений в техногенных условиях остаются неясными. До сих пор отсутствовали исследования, в которых были бы одновременно представлены отмеченные реакции антиоксидантной системы в пределах одного биологического объекта. Древесные растения представляют в этом аспекте особый интерес, поскольку они обладают высоким биологическим потенциалом при способности длительно депонировать токсичные соединения в многолетних органах (Кабата-Пендиас, 1989; Черненькова, 2002; Прасад, 2003; Федорова, 2005).
Цель н задачи исследования. Целью работы являлось комплексное изучение особенностей накопления низкомолекулярных метаболитов, проявляющих антиоксидантные свойства (флавоноиды, аскорбиновая кислота, глутатион, пролин), и изменения активности антиоксидантных ферментов (гваяколовая пероксидаза, каталаза) в листьях древесных растений в условиях промышленного загрязнения в связи с инициируемым окислительным стрессом.
Объектами исследования являлись 7 видов древесных растений, наиболее часто используемых при создании санитарно-защитных насаждений (Куринская, 2006; Егорова, 2007; Ведерников, 2008): рябина обыкновенная Sorbus auciiparia L., береза повислая Betula pendula Roth., тополь черный Populus nigra L., липа сердцевидная Tilia cordata Miller., клен остролистный Acer platanoides L., каштан конский обыкновенный Aesculus hippocastanum L., лиственница сибирская Larix sibirica Ledeb.
Для достижения поставленной цели решали следующие задачи:
оценить способность листьев древесных растений к аккумуляции тяжелых металлов (Си, Mn, Ni, Pb, Cd, Zn) в условиях промышленного загрязнения;
изучить особенности развития окислительного стресса в листьях древесных растений по комплексу признаков: содержание Н2О2 и фотосинтетических пигментов, интенсивность перекисного окисления липидов (ПОЛ), показатели водного обмена (содержание воды, осмотический потенциал, интенсивность транспирации);
изучить особенности накопления низкомолекулярных метаболитов, проявляющих антиоксидантные свойства (флавоноиды, аскорбиновая кислота, глутатион), а также пролина в листьях древесных растений в условиях техногенно загрязненной среды;
выявить особенности изменения активности антиоксидантных ферментов (каталаза, гваяколовая пероксидаза) под действием поллютантов в листьях древесных растений;
на основе полученных результатов выявить виды, наиболее устойчивые к произрастанию в условиях промышленного загрязнения.
Положения, выносимые на защиту:
-
При оценке экологического состояния почв санитарно-защитных насаждений промышленных предприятий г. Тулы установлены превышения ПДК (или ОДК) по Мп (в 4,7 раза), РЬ (в 1,5 раза) и Zn (в 2 раза).
-
По степени биогеохимической активности, характеризующей суммарную аккумуляционную способность в отношении тяжелых металлов, виды древесных растений образуют следующий ряд: P. nigra (3,1) > В. pendula (1,6) > Ac. platanoides (1,2) > Т. cordata = L. sibirica (1,0) > A. hippocastanum (0,9) > S. aucuparia (0,8).
3. Поллютанты инициируют в листьях древесных растений окислительный стресс,
выражающийся:
/ в образовании избыточного количества перекиси водорода, повреждении клеточных
мембран, снижении количества и изменении соотношения зеленых и желтых
фотосинтетических пигментов, нарушениях водного обмена; ^ в изменениях содержания низкомолекулярных метаболитов (флавоноиды, аскорбиновая
кислота, глутатион, пролин), проявляющих антиоксидантиые свойства, и активности
антиоксидантных ферментов (гваяколовая пероксидаза, каталаза).
4. Устойчивость древесных растений к воздействию промышленного загрязнения снижается
в ряду: L. sibirica - S. aucuparia = Ac. platanoides > A. hippocastanum > T. cordala >
B. pendula > P. nigra.
Научная новизна. Впервые проведено комплексное исследование биохимических механизмов устойчивости древесных растений, произрастающих в санитарно-защитных насаждениях промышленных предприятий на территории г. Тула. Получены результаты о количественном содержании 25 химических элементов в почвах урбоэкосистем. Определены виды древесных растений, обладающие наибольшей способностью к аккумуляции тяжелых металлов (Pd, Си, Zn, Mn, Cd, Ni) в листьях. Изучено развитие окислительного стресса в клетках ассимиляционных органов объектов исследования. Показано, что в условиях промышленного загрязнения происходят видоспецифичные изменения в содержании низкомолекулярных антиоксидантов (флавоноидов, аскорбиновой кислоты, глутатиона, пролина) и активности антиоксидантних ферментов (гваяколовой пероксидазы и каталазы). Проведенные исследоваїшя позволили ранжировать древесные растения санитарно-защитных полос по физиолого-биохимическим реакциям и устойчивости на промышленное загрязнение.
Теоретическое значение. Материалы диссертационного исследования дополняют и расширяют современное понимание механизмов, лежащих в основе устойчивости растений. Это, в перспективе, позволит разработать практические рекомендации по восстановлению нарушенных экосистем, а также создать систему мер, предупреждающих распространение токсических соединений в результате хозяйственной деятельности человека. Результаты исследования генотилически обусловленной экофизиологической реакции древесных растений особенно ценны для выявления потенциальных доноров хозяйственно-ценных признаков, в подборе исходного материала в селекции и интродукции растений, а также при разработке систем адаптивного земледелия.
Практическая значимость. Полученные результаты важны для понимания принципов функционирования антиоксидантной системы (АОС), взаимодействия её компонентов в обеспечении жизнедеятельности растений в условиях техногенной нагрузки. Они могут быть
использованы для совершенствования подходов и методов мониторинга промьппленного загрязнения. Физиолого-биохимические исследования позволили выявить наиболее устойчивые в данных условиях виды древесных растений, а также показать недостаточную обоснованность использования растений с низким антиоксидантным потенциалом для создания санитарно-защитных насаждений. Изученные характеристики (содержание и соотношение фотосинтетических пигментов, активность ПОЛ, компонентов антиоксидантной системы, показатели водного обмена) могут быть рекомендованы в качестве тестовых показателей при определении устойчивости других видов древесных растений.
Представленные в диссертационном исследовании результаты используютря в учебном процессе кафедры ботаники и технологии растениеводства, органической и биологической химии Тульского государственного педагогического университета им. Л. Н. Толстого в курсах лекций: «Экология растений», «Физиология растений», «Экологическая физиология растений», (Дендрология», «Биохимия с основами биорегуляцил организмов».
Публикации и апробация работы. По теме диссертации опубликована 21 работа, из них 2 статьи в журналах, рекомендованных ВАК. Результаты работы докладывались на международных, всероссийских и региональных конференциях: Экологическом форуме России (Тула, 2006); Международной конференции, посвященной 100-летию со дня рождения член-корр. АН СССР П.И. Лапина «Проблемы современной дендрологии» (Москва, 2009); VII Международном симпозиуме по фенольным соединениям «Фенольные соединения: фундаментальные и прикладные аспекты» (Москва, 2009); V Всероссийской научной конференции студентов и молодых ученых «Актуальные проблемы инновационного развития агропромышленного комплекса» (Астрахань, 2009); Международной конференции по анатомии, физиологии и экологии древесных растений, посвященной 100-летию со дня рождения А.А. Яценко-Хмелевского (С.-Петербург, 2009); Международной научно-практической конференции, посвященной 80-летию со дня рождения проф. Ю.З. Кулагина «Актуальные проблемы дендроэкологии и адаптации растений» (Уфа, 2009); VI Международной научно-практической конференции «Тяжелые металлы и радионуклиды в окружающей среде» (Семей, Казахстан, 2010); Всероссийской конференции с международным участием «Флора и растительность антропогенно нарушенных территорий» (Кемерово, 2010); V Международной научно-практической конференции «Урбоэкосистемы: проблемы и перспективы развития» (Ишим, 2010); П Международной научно-практической конференции преподавателей, молодых ученых, аспирантов и студентов «Инновационные процессы в АПК» (Москва, 2010); Всероссийской конференции «Третьи чтения, посвященные памяти профессора Ефремова Степана Ивановича» (Орел, 2010); III Международной конференции «Биоантиоксидант» (Москва, 2010); Всероссийском симпозиуме «Растения и
стресе» (Москва, 2010); Международной конференции «Environmental Pollution and Clean Bio/Phytoremediation» (Пиза, Италия, 2010).
Частично исследование было поддержано международным проектом Black Sea Economic Cooperation - Project Development Fund (Contract No. BSEC/PDF/0018/11.2008).
Структура u объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 7 глав, заключения, выводов и списка литературы. Материалы диссертации изложены на 188 страницах и содержат 9 таблиц и 19 рисунков. Список цитируемой литературы включает 362 наименование в т.ч. 197 иностранных.
Автор выражает глубокую признательность за сотрудничество и помощь в проведении исследований к.б.н., доценту кафедры ботаники и технологии растениеводства ТГПУ им. Л.Н. Толстого Гореловой СВ.; руководителю лаборатории химико-аналитических исследований Геологического института РАН, к.г.-м.н. Ляпунову СМ. и сотрудникам лаборатории - сн.с. Горбунову A3, и н.с. Окиной О.И.; заведующей лабораторией липидного и фенольного метаболизма Института физиологии растений РАН им. К.А. Тимирязева, д.б.н., профессору Загоскиной Н.В.
