Развитие отраслей народного хозяйства сопровождается урбанизацией территорий, ростом автопарка, развитием промышленности, сельского и лесного хозяйства, загрязнением среды, что негативно сказывается на здоровье человека. Учёными МГУ и Биоцентра РАН была предложена программа «Экополис», направленная на изучение загрязнения среды в городах и сёлах. Результаты исследований, осуществлённые по такой программе, успешно используются для разработки рекомендаций, направленных на оздоровление и сохранение окружающей среды. Как известно, наиболее эффективным способом решения экологической проблемы, направленной на оздоровление среды, является интенсификация зеленого строительства, защитного лесоразведения, создание лесных культур, противоэрозионных, приовражных насаждений, насаждений вдоль дорог и т.д. Однако и сами насаждения сегодня подвергаются значительному техногенному прессингу, поэтому целесообразно изучение не только толерантности видов растений, в том числе и декоративных кустарников, к абиотическим факторам, но и к техногенному загрязнению среды токсичными веществами, что будет способствовать созданию высокоэффективных, экологически устойчивых насаждений различного целевого назначения.
Рядом исследователей отмечается, что для нейтрализации отрицательного влияния загрязнителей в растениях вырабатывается свободный пролин, осмотически активное низкомолекулярное вещество, образующее гидрофильные коллоиды, удерживающее воду и защищающее растительные белки от разрушения (при неблагоприятных условиях). Причем наиболее устойчивые виды растений в условиях стресса отличаются повышенным содержанием пролина. Например, как отмечают Н.С. Репкина и Л.И. Тужилова, повышение устойчивости растений к загрязнению, сопровождается усилением накопления антиоксиданта – свободного пролина [6, 8].
Цель исследования: оценить возможность определения устойчивости декоративных кустарников к техногенному загрязнению окружающей среды урбанизированных территорий по накоплению свободного пролина в вегетативных органах (листьях), то есть исследовать роль свободного пролина в процессе адаптации разных видов из числа декоративных кустарников к токсичным веществам и использованию этого показателя в комплексном мониторинге степени загрязнения окружающей среды.
Материалы и методы исследований
Объектом исследований являлось определение содержания пролина в листьях двадцати видов декоративных кустарников, введённых в озеленение г. Балашова
Саратовской области:
1 – виды, широко введенные в озеленение: Syrínga vulgáris L., Amelanchier ovalis Med., Aronia melanocarpa (Michx.) Elliott, Ribes aureum L., Caragána arborescens Lam;
2 – виды, перспективные для широкого введения в озеленение: Euonymus verrucosus Scop, Lonicera tatarica L., Sambucus racemosa L., Symphoricarpos albus (L.) Blake, Viburnum opulus L., Euonymus verrucosus Scop, Amorpha fruticosa L., Cotoneaster lucidus Schlecht., Caragána arborescens Lam, Sorbaria sorbifolia (L.), Rósa canína L., Spiraea hypericifolia L., Philadelphus coronarius L.;
3 – виды, требующие дальнейшего изучения перспективности их широкого введения в озеленение: Physocarpus opulifolius (L.) Maxim, Tamarix gracilis Willd [1].
Проводилась оценка степени накопления пролина в вегетативных органах (листьях) различных видов декоративных кустарников по методике Бэйтса (Bates et al., 1973), приведенной в работах Н.С. Репкиной и Л.И. Тужиловой [6-8].
Метод основан на взаимодействии пролина с нингидриновым реактивом, образующим розово-красную окраску. Содержание свободного пролина определяли в двухграммовой навеске растительного материала, которую растирали в ступке с кварцевым песком в 20 мл водного раствора сульфосалициловой кислоты. Два миллилитра фильтрата смешивали в пробирке с притертой стеклянной пробкой с 2 мл кислого нингидрина (ninhydrin – органическое соединение, относящиеся к классам кетонов, спиртов и конденсированных карбоциклов вещество, применяемое для выявления и количественного определения α аминокислот) и 2 мл ледяной уксусной кислоты. Смесь выдерживали в течение одного часа на кипящей водяной бане, затем реакцию ограничивали в плотной струе холодной воды. В пробирки с охлажденной смесью приливают по 4 мл бензола, после чего интенсивно взбалтывали до перехода оранжевой окраски в органический растворитель. Верхний окрашенный слой сливали в кюветы /20 мм/ и с помощью фотоэлектроколориметра КФК-З или ФЭК-56М (прибор для определения концентрации вещества в растворе по величине поглощения монохроматического света) измеряли плотность окраски раствора. Экстинцию (от лат. exstinctio – гашение – ослабление пучка света при его распространении в веществе за счёт поглощения света и рассеяния света) определяли на синем светофильтре с длиной волны 520 нм. Концентрацию аминокислоты рассчитывали по калибровочной кривой, построенной на стандартных растворах пролина, и выражали в мг % на сырую массу.
Содержание свободного пролина вычислялось в мг %. По коэффициентам устойчивости, которые выражаются отношением содержания аминокислоты в пробе загрязненного района к таковому в контрольной зоне, определяли степень газоустойчивости растений. При этом выделяли три степени устойчивости: высокоустойчивые растения коэффициенты 7,3 и выше; среднеустойчивые (4,2-7,2) и слабоустойчивые (4,1 и ниже).
Отбор проб проводился на трёх загрязненных пробных площадях города Балашова: 1. КПТ 1 – за 2 мин. в 3 направлениях – 54 ед. автотранспорта, 2 – ул. Ленина 157 – за 2 мин. в 2 направлениях – 58 ед. автотранспорта, 3. ул. 30 лет Победы, 133 – за 2 мин. в 4 направлениях – 57 ед. автотранспорта. Контрольные образцы отбирались на трёх пробных площадях незагрязнённой территории: 1 – в районе станции юных натуралистов, 2 – в парке им. Куйбышева и 3 – территория Балашовского лесничества (на всех трех пробных площадях зарегистрировано единичное движение автотранспорта).
Результаты исследований и их обсуждение
Степень накопления пролина в вегетативных органах (листьях) различных видов декоративных кустарников, введенных в озеленение и парки города Балашова, а также Балашовского лесничества отражена в табл. 1.
Некоторые статистические показатели, характеризующие средние арифметические значения содержания пролина в контроле и опыте приведены в табл. 2.
По мере повышения устойчивости видов к токсичным веществам содержание свободного пролина в вегетативных органах (листьях) декоративных кустарников увеличивается (от 40,91±1,98 до 102,7±3,45 мг %). При этом коэффициент варьирования (Cv ) содержания пролина снижается с 13,7 до 8,22 %. Полученные показатели, определённые с доверительным интервалом на 95 % уровне, заслуживают доверия ввиду большой достоверности средних арифметических значений (вычисленный критерий Стьюдента (t) значительно превышает табличные значения) и показателя точности опыта (P), меньшего 5 %.
Таблица 1
Оценка устойчивости декоративных кустарников в городской среде (2013 год)
|
n|n |
Вид растений |
Содержание пролина, мг % |
Коэффициент устойчивости |
|
|
контроль |
опыт |
|||
|
Виды, отнесённые к группе слабой степени устойчивости |
||||
|
1 |
Crataegus sanguinea Pall. |
13,6 |
47,6 |
3,5 |
|
2 |
Euonymus verrucosus Scop |
11,9 |
40,5 |
3,4 |
|
3 |
Symphoricarpos albus (L.) Blake |
14,2 |
48,3 |
3,4 |
|
4 |
Tamarix gracilis Willd |
13,9 |
45,9 |
3,3 |
|
5 |
Amorpha fruticosa L. |
10,9 |
33,8 |
3,1 |
|
6 |
Physocarpus opulifolius (L.) Maxim |
11,7 |
37,4 |
3,2 |
|
7 |
Lonicera tatarica L. |
12,4 |
36,0 |
2,9 |
|
8 |
Spiraea hypericifolia L. |
12,6 |
37,8 |
3,0 |
|
Виды, отнесённые к группе средней степени устойчивости |
||||
|
9 |
Cotoneaster lucidus Schlecht. |
12,6 |
65,5 |
5,2 |
|
10 |
Viburnum opulus L. |
12,1 |
56,9 |
4,7 |
|
11 |
Amelanchier ovalis Med. |
13,1 |
55,1 |
4,2 |
|
12 |
Philadelphus coronarius L. |
14,0 |
70,4 |
5,0 |
|
13 |
Ribes aureum Pursh |
12,8 |
73,2 |
5,7 |
|
14 |
Sambucus racemosa L. |
11,8 |
69,6 |
5,9 |
|
Виды, отнесённые к группе высокой степени устойчивости |
||||
|
15 |
Aronia melanocarpa (Michx.) Elliott |
13,4 |
97,8 |
7,3 |
|
16 |
Juniperus sabina L. |
15,0 |
117,0 |
7,8 |
|
17 |
Sorbaria sorbifolia (L). |
11,7 |
95,9 |
8,2 |
|
18 |
Caragána arborescens Lam. |
13,5 |
108,0 |
8,0 |
|
19 |
Rósa canína L. |
12,2 |
102,5 |
8,4 |
|
20 |
Syrínga vulgáris L. |
12,7 |
95,3 |
7,5 |
Таблица 2
Статистические показатели, характеризующие содержание пролина, в мг % в контроле и опыте в разных группах устойчивости кустарников (2013 год)
|
Группа устойчивости |
M±m |
σ |
Cv |
P |
t |
|
Виды, отнесённые к группе слабой степени устойчивости |
|||||
|
Опыт, мг % |
40,91±1,98 |
5,61 |
13,7 |
4,85 |
20,59 |
|
Контроль, мг % |
12,65±0,41 |
1,16 |
9,18 |
3,24 |
30,77 |
|
Виды, отнесённые к группе средней степени устойчивости |
|||||
|
Опыт, мг % |
65,1±3,1 |
7,5 |
11,52 |
4,7 |
21,3 |
|
Контроль, мг % |
12,7±0,32 |
0,77 |
6,11 |
2,49 |
40,0 |
|
Виды, отнесённые к группе высокой степени устойчивости |
|||||
|
Опыт, мг % |
102,7±3,45 |
8,45 |
8,22 |
3,36 |
29,7 |
|
Контроль, мг % |
13,1 ±0,47 |
1,2 |
8,9 |
3,6 |
27,6 |
Из 20 видов, изученных в озеленении г. Балашова Саратовской области декоративных кустарников, 6 видов относятся к группе высокоустойчивых к загрязнению токсичными веществами окружающей среды: Aronia melanocarpa (Michx.) Elliott, Juniperus sabina L., Sorbaria sorbifolia (L.), Caragána arborescens Lam., Rósa canína L., Syrínga vulgáris L., 6 – к группе среднеустойчивых: Cotoneaster lucidus Schlecht., Viburnum Opulus L., Amelanchier ovalis Med., Philadelphus coronarius L., Ribes aureum Pursh, Sambucus racemosa L. и 8 видов отнесены к группе слабоустойчивых: Euonymus verrucosus Scop, Symphoricarpos albus (L.) Blake, Tamarix gracilis Willd, Amorpha fruticosa L., Physocarpus opulifolius L., Lonicera tatarica L., Spiraea hypericifolia L., Crataegus sanguinea Pall. Такое деление декоративных кустарников по степени устойчивости необходимо учитывать при создании и реконструкции насаждений различного целевого назначения.
Заключение
Адаптация растений к техногенному загрязнению токсичными веществами связана с комплексом действующих физиолого-биохимических механизмов. Важное место среди таких механизмов занимает процесс активации образования и накопления низкомолекулярных антиоксидантов пролина в ответ на загрязнение среды. Такое заключение подтверждается и работами ряда других исследователей А.И. Иванова, А.П. Стаценко, О.В. Сергеевой, Е.Е. Конкиной, Л.И. Тужиловой, В.В. Кузнецова, Н.И. Шевяковой и Н.С. Репкиной [2-4, 6-8]. Таким образом, определение пролина позволяет, с одной стороны, оценить устойчивость разных видов декоративных кустарников к загрязнению токсичными веществами, а с другой – использовать эти виды в качестве биоиндикаторов для мониторинга состояния среды. Исследования такого направления целесообразно продолжить.
Рецензенты:
Зайцева Е.В., д.б.н., профессор, зам. директора естественно-научного института, ФГБОУ ВПО «Брянский государственный университет им. академика И.Г. Петровского, г. Брянск;
Ларионов М.В., д.б.н., профессор кафедры биологии и экологии Балашовского института (филиала) ФГБОУВПО «Саратовский государственный университет имени Н.Г. Чернышевского», г. Саратов.
Работа поступила в редакцию 29.07.2014.