CHANGES IN THE PIGMENT COMPLEX OF PICEA PUNGENS ENGELM. IN THE URBAN ENVIRONMENT

Старикова Е.А.¹, Воскресенская О.Л.², Сарбаева Е.В.³

¹Аспирант кафедры экологии, ²Доктор биологических наук, профессор, ³ORCID: 0000-0001-7274-0938, Кандидат биологических наук, доцент, ФГБОУ ВО «Марийский государственный университет»

ИЗМЕНЕНИЕ ПИГМЕНТНОГО КОМПЛЕКСА ЕЛИ КОЛЮЧЕЙ В УСЛОВИЯХ ГОРОДСКОЙ СРЕДЫ

Аннотация

Ель колючая (Picea pungens Engelm.) – широко распространенный вид хвойных растений, используемый в озеленении городов. В настоящей работе представлены результаты исследований содержания фотосинтетических пигментов (хлорофиллов а, b и каротиноидов) в хвое второго года жизни ели колючей, произрастающей в условиях городской среды. Выявлены изменения содержания пигментов в хвое изученного вида в промышленной зоне г. Йошкар-Олы по сравнению с парковой. Показана адаптивная роль хлорофиллов а и b, а также каротиноидов в различных функциональных зонах города.

Ключевые слова: Picea pungens Engelm., пигменты, загрязнение среды, охрана окружающей среды.

Starikova E.A.¹, Voskresenskaya O.L.², Sarbaeva E.V.³

¹Postgraduate student, ²PhD in Biology, Professor, ³ORCID: 0000-0001-7274-0938, PhD in Biology, Associate professor, Mari State University

CHANGES IN THE PIGMENT COMPLEX OF PICEA PUNGENS ENGELM. IN THE URBAN ENVIRONMENT

Abstract

Picea pungens Engelm. is a widespread species of coniferous plants, used for urban greening. The paper presents the results of researches on the photosynthetic pigment content (chlorophylls а, b and carotenoids) in needles of the Picea pungens in the second year of life in the urban environment. The authors of this paper revealed changes in the pigment content of needles of the studied species in the industrial zone of the city of Yoshkar-Ola compared to park. The study shows an adaptive role of chlorophylls а and b as well as carotenoids in different functional areas of the city.

Keywords: Picea pungens Engelm., pigments, pollution, environmental protection.

Антропогенные воздействия способствуют ухудшению окружающей среды. Растения в урбоэкосистемах поглощают и осаждают пыль, создают микроклимат, защищают от шума, выделяют кислород. Следовательно, физиолого-биохимические свойства ассимилирующих органов служат для ранней диагностики состояния растений. Они не только определяют рост и репродукцию, но и быстро реагируют на изменения состава окружающей среды. Одним из таких показателей является содержание хлорофиллов и каротиноидов, по их содержанию можно судить об адаптационных возможностях растений в изменяющихся экологических условиях.

Пигментный состав считается информативным и довольно часто используемым параметром, определяющим фотосинтетический аппарат растений. Вариации пигментов приводят к изменению активности фотосинтетического аппарата, скорости накопления ассимилянтов, и по цепи физиолого-биохимических процессов вызывают изменения в росте и продуктивности растений. Токсичные вещества, поступающие в атмосферу от предприятий и автотранспорта, уменьшают количество хлорофилла и каротиноидов, а также способствуют изменениям в структуре мембран хлоропластов, что негативно отражается на фотосинтезе [5, 6].

В настоящей работе дана оценка воздействия городской среды на содержание пигментов в хвое ели колючей.

Объекты и методы исследований

Исследования проводились в июле 2016 г. в г. Йошкар-Оле Республики Марий Эл, в различных функциональных зонах города, отличающихся уровнем загрязнения атмосферного воздуха: парковая зона – ЦПКиО им. ХХХ-летия ВЛКСМ, селитебная зона – бульвар Чавайна, и промышленная зона – улицы Строителей, 94 и Машиностроителей, 32. В 2015 году в г. Йошкар-Оле уменьшились средние концентрации всех определяемых примесей, кроме оксида углерода и формальдегида [4].

Объектом исследования являлась ель колючая (Picea pungens Engelm.) – вид, который распространен среди хвойных растений в озеленении г. Йошкар-Олы.

Сбор материала для определения фотосинтетических пигментов у ели колючей в каждом районе исследования проводился с особей средневозрастного генеративного состояния, отбиралась хвоя с побегов IV–V порядка с высоты вытянутой руки с южной стороны кроны. Хвою собирали в одинаковых условиях освещенности, которую оценивали с помощью люксметра «ТКА-ПКМ». Количество хлорофиллов а, b и каротиноидов в ацетоновых вытяжках определяли спектрофотометрическим методом на спектрофотометре ПромЭкоЛаб ПЭ-5400 В. Для расчета концентрации пигментов использовали формулу Wettstein для 100%-ного ацетона [3]. Полученные данные обработаны статистически с помощью программы «STATISTICA 6.0».

Результаты и их обсуждение

Хлорофилл а – главный функциональный пигмент, служащий донором энергии для фотосинтезирующих реакций, остальные пигменты лишь передают поглощенную ими энергию этому хлорофиллу.

В ходе исследования количественного состава пигментов в хвое ели колючей обнаружено, что наибольшее содержание хлорофилла а (0,85 мг/г) было в хвое растений, произрастающих в парковой зоне города. В 1,4 раза меньше количество хлорофилла а (0,59 мг/г) было обнаружено в хвое P. рungens, произрастающей в промышленной зоне г. Йошкар-Олы (рис. 1).

Рис.1 – Содержание хлорофиллов а и b, каротиноидов в хвое P. рungens, произрастающих в различных зонах г. Йошкар-Олы

1 – ЦПКиО им. ХХХ-летия ВЛКСМ; 2 – бульвар Чавайна;

3 – ул. Машиностроителей, 32; 4 – ул. Строителей, 94

На состав атмосферного воздуха г. Йошкар-Олы влияют выбросы оксиды углерода и азота, диоксида серы и азота, формальдегиды, взвешенные вещества, углеводороды и др. [9]. Кислые газы закисляют цитоплазму, изменяют работу транспортных систем. Тем самым повреждая мембраны хлоропластов, может снизиться интенсивность фотосинтеза, разрушиться хлорофилл а и каротиноиды. На пигментную систему неблагоприятно воздействуют хлор, сернистый газ.

В городской среде у растений меньше хлорофиллов, чем в листьях деревьев с лесопарковой зоны. Также отмечено, что в урбаносреде в основном изменяется содержание хлорофилла а, содержание же хлорофилла b относительно стабильно [8].

Хлорофилл b отличается от хлорофилла а тем, что СН₃-группы у 3-го углеродного атома – СОН-группа. Наибольшее количество хлорофилла b обнаружено в хвое P. рungens с парковой и селитебной зон города (0,56 мг/г). Минимальные значения количества данного пигмента, аналогично хлорофиллу а, были отмечены у особей P. pungens в промышленной зоне города (0,29 мг/г).

По мнению В.В. Тужилкиной, загрязняющие вещества ослабевают накопление хлорофилла b больше, чем хлорофилла а, что может уменьшить активность фотосинтетического аппарата и нарушить метаболизм растений [7].

Каротиноиды играют роль вспомогательных пигментов, передающих энергию поглощенных квантов хлорофиллу, выполняют защитную функцию в реакциях фотосинтеза, и вероятно, принимают участие в процессах выделения кислорода растениями на свету. Содержание каротиноидов в хвое деревьев, произрастающих в городских условиях изменялось от 0,19 до 0,22 мг/г сырого вещества. Проведенный статистический анализ не выявил существенных различий по содержанию каротиноидов в хвое P. рungens во всех исследуемых районах (P=0,0812; F=2,359).

Такие отношения как «хл_а/хл_b» и «(хл_а+b)/кар» чутко реагируют на антропогенное загрязнение окружающей среды. При действии загрязняющих веществ на атмосферный воздух первое отношение уменьшается, а второе – увеличивается.

Отношение хл_а/хл_b является одним из информативных параметров, способных охарактеризовать работу фотосинтетического аппарата. Чем больше хлорофилла а в отношении, тем активнее происходит интенсивность фотосинтеза. В норме данный показатель соответствует 2,0–3,0. Нами установлено, что наибольшее значение отношения хл_а/хл_b обнаружено в хвое ели колючей взятой для анализа из промышленной зоны города (2,12). У растений парковой и селитебной зон города это соотношение было наименьшим (1,56) (табл. 1). Некоторые исследователи указывают на то, что снижение величины отношения хлорофилла а к хлорофиллу b в условиях загрязнения газообразными токсичными веществами может говорить о газоустойчивости растений.

Оценка содержания суммы хлорофиллов в хвое ели колючей показала, что данный параметр был максимальным у растений из парковой зоны (1,41 мг/г). В 1,6 раза ниже содержание хлорофиллов а+b в хвое ели колючей, произрастающей в промышленной зоне города (0,88 мг/г).

Таблица 1 – Соотношение фотосинтетических пигментов в хвое ели колючей

Район исследования	Хла/b	Хла+b/кар
ЦПКиО им. ХХХ-летия ВЛКСМ	1,542	6,856
Бульвар Чавайна	1,556	6,446
Ул. Машиностроителей, 32	1,905	5,652
Ул. Строителей, 94	2,123	4,873

Согласно исследованиям Пашковой А.С. и Бухариной И.Л. пигментного комплекса хвойных растений в г. Ижевске ель колючая характеризуется как более устойчивый вид к загрязнению атмосферного воздуха, и реакция пигментного комплекса выражается только в условиях наибольшей загазованности. У ели колючей по сравнению с елью европейской в насаждениях города наблюдалась относительная стабильность содержания хлорофиллов а и b, а также более высокие концентрации хлорофилла а [1].

Известно, что по функциям молекулы хлорофиллов различаются, следовательно, необходимо изучать как общее содержание пигментов в хвое, так и соотношение зеленых и желтых пигментов [2].

В нормальных условиях соотношение суммы хлорофиллов к каротиноидам стабильно и быстро реагирует на действие факторов среды. Максимальное значение отношения хл_а+b/кар было отмечено у особей ели колючей, произрастающих в парковой и селитебной зонах города (табл. 1). Возможно, уменьшение данного отношения может свидетельствовать о снижении светособирающей способности пигментного комплекса. У растений содержание каротиноидов было в среднем в 5,8 раз ниже, чем зеленых пигментов.

Заключение

Таким образом, было установлено, что у ели колючей минимальное количество хлорофиллов а, b, каротиноидов, суммы хлорофиллов а+b, отношения хлорофилла а к хлорофиллу b содержалось в хвое ели колючей, произрастающей в промышленной зоне города – ул. Строителей, 94 и Машиностроителей, 32, а более высокие значения исследованных показателей обнаружены у растений в парковой зоне. С увеличением антропогенной нагрузки происходило снижение количественного состава пигментов по сравнению с парковой зоной города в среднем в 1,5 раза, исключение составило отношение хлорофиллов а/b, здесь наибольшее значение было отмечено в хвое ели колючей с промышленной зоны города.

Список литературы / References

1. Бухарина И.Л., Пашкова А.С. Особенности фотосинтетического аппарата ели колючей (Picea pungens ) и ели европейской (Picea abies L.) в условиях городской среды // Современные проблемы науки и образования. – 2015. – Выпуск № 3. – С. 1-8.
2. Воскресенская О.Л., Воскресенский В.С., Сарбаева Е.В., Ягдарова О.А. Влияние ультрафиолетовой радиации и параметров микроклимата на содержание пигментов в листьях березы повислой, произрастающей в условиях города // Вестник Удмуртского университета. Биология. Науки о земле. – 2014. – Вып. 3. – С. 39-45.
3. Гавриленко В.Ф., Ладыгина М.Е., Хандобина Л.М. Большой практикум по физиологии растений. Фотосинтез. Дыхание. – М.: Высш. шк., 1975. – 392 с.
4. Доклад об экологической ситуации в Республике Марий Эл за 2015 год. Ижевск: ООО «Принт-2», 2016. – 180 с.
5. Николаевский В.С. Биологические основы газоустойчивости растений. Новосибирск: Наука, 1979. – 280 с.
6. Сарбаева Е.В., Воскресенская О.Л. Некоторые аспекты устойчивости туи западной в городских экосистемах [Электронный ресурс] –2008. – Режим доступа: https://marsu.ru/science/libr/resours/thuja/gl5.html (дата обращения 31.08.2016).
7. Тужилкина В.В., Ладанова Н.В., Плюснина С.Н. Влияние техногенного загрязнения на фотосинтетический аппарат сосны // Экология. – 1998. – № 2. – С. 89-93.
8. Фролов А.К., Горышина Т.К. Особенности фотосинтетического аппарата некоторых древесных пород в городских условиях // Ботанический журнал. – 1982. – Т. 67. – Вып. 5. – С. 599-609.
9. Экологическая оценка городской среды: учебное пособие / Алябышева Е.А., Сарбаева Е.В., Воскресенская О.Л., Воскресенский В.С. Йошкар-Ола: Мар. гос. ун-т, 2013. – 96 с.

Список литературы латинскими символами / References in Roman script

1. Buharina I.L., Pashkova A.S. Osobennosti fotosinteticheskogo apparata eli koljuchej (Picea pungens Engelm.) i eli evropejskoj (Picea abies L.) v uslovijah gorodskoj sredy [About the features of the photosynthetic activity of conifers in the urban environment] // Sovremennye problemy nauki i obrazovanija. – 2015. –Vypusk № 3. – S. 1-8. [in Russian]
2. Voskresenskaja O.L., Voskresenskij V.S., Sarbaeva E.V., Jagdarova O.A. Vlijanie ul'trafioletovoj radiacii i parametrov mikroklimata na soderzhanie pigmentov v list'jah berezy povisloj, proizrastajushhej v uslovijah goroda [Influence of ultraviolet radiation and microclimate e parameters on the pigment count in leaves Betula pendula growing in urban conditions] // Vestnik Udmurtskogo universiteta. Biologija. Nauki o zemle. 2014. – Vyp. 3. – S. 39-45. [in Russian]
3. Gavrilenko V.F., Ladygina M.E., Handobina L.M. Bol'shoj praktikum po fiziologii rastenij. Fotosintez. Dyhanie [Large workshop on plant physiology. Photosynthesis. Breath.] – M.: Vyssh. shk., 1975. – 392 s. [in Russian]
4. Doklad ob jekologicheskoj situacii v Respublike Marij Jel za 2015 god [A report on the environmental situation in the Republic of Mari El in 2015.] Izhevsk: OOO «Print-2», 2016. – 180 s. [in Russian]
5. Nikolaevskij V.S. Biologicheskie osnovy gazoustojchivosti rastenij [Biological basis of gas resistance of plants] – Novosibirsk: Nauka, 1979. – 280 s. [in Russian]
6. Sarbaeva E.V., Voskresenskaja O.L. Nekotorye aspekty ustojchivosti tui zapadnoj v gorodskih jekosistemah [Some aspects of the sustainability of the Thuja occidentalis in urban ecosystems] [Jelektronnyj resurs] – 2008. – Rezhim dostupa: http: //marsu.ru/science/libr/resours/thuja/gl5.html (data obrashhenija 31.08.2016). [in Russian]
7. Tuzhilkina V.V., Ladanova N.V., Pljusnina S.N. Vlijanie tehnogennogo zagrjaznenija na fotosinteticheskij apparat sosny [Influence of technogenic pollution on the photosynthetic apparatus of pine] // Jekologija. – 1998. – № 2. – S. 89-93. [in Russian]
8. Frolov A.K., Goryshina T.K. Osobennosti fotosinteticheskogo apparata nekotoryh drevesnyh porod v gorodskih uslovijah [Features of the photosynthetic apparatus of some tree species in urban environments] // Botanicheskij zhurnal. – 1982. – T. 67. – Vyp. 5. – S. 599-609. [in Russian]
9. Jekologicheskaja ocenka gorodskoj sredy: uchebnoe posobie [Environmental assessment of the urban environment: a training manual] / E.A. Aljabysheva, E.V. Sarbaeva, O.L. Voskresenskaja, V.S. Voskresenskij. Joshkar-Ola: Mar. gos. un-t, 2013. – 96 s. [in Russian]