Влияние антропогенных факторов на содержание фотосинтетических пигментов в листьях древесных растений в городских условиях

Листья – это основные органы древесных растений, которые способны осуществлять фотосинтез

В настоящее время среди ученых исследователей нет единого мнения относительно изменений в составе пигментного комплекса в ответ на действия антропогенных факторов. В одних случаях, авторы отмечают

Целью нашей работы было изучить содержание фотосинтетических пигментов древесных растений в зависимости от антропогенных факторов в городской среде.

Объектами исследования служили древесные растения 5 видов: липа мелколистная (Tilla cordata Mill.), тополь бальзамический (Populus balsamitera L.), клен остролистный (Acer platanoides), клен американский (Acer negundo L.), береза повислая (Betula pendula). Данные виды древесных растений входят в основной состав насаждений и активно участвуют в сохранении окружающей природной среды и защите человека от негативных антропогенных воздействий

Листья для лабораторного эксперимента отбирали с 10 деревьев каждого изучаемого вида (по 30 штук с дерева). Отбиралась для исследования средняя листовая проба, лабораторный анализ проводился в четырехкратной повторности.

Концентрацию пигментов (хлорофилл а, хлорофилл b, каротиноиды) определяли на спектрофотометре (спектрофотометр ПЭ-5400 ВИ, Россия) в ацетоновых вытяжках с длинами волн 662, 644, 440,5 нм. и рассчитывали по уравнениям Холма-Веттштейна. После установления концентрации пигментов в экстракте рассчитывали их количественное содержание (Х, мг/г) по формуле:

,

где V – объем спиртового экстракта, мл;

С – концентрация пигмента в спиртовом растворе, мг/л;

m – навеска, г.

Полученные данные были обработаны статистически с использованием компьютерных программ MicrosoftExcel

Наиболее значимыми физиологическими показателями, характеризующими фотосинтетический процесс исследуемых древесных растений в условиях города Нижнего Новгорода являются пигменты (хлорофилл а, b, каротиноиды) (табл. 1).

В опыте установлено, что наиболее высокое содержание хлорофилла а обнаружено у липы мелколистной в контрольном варианте. Достоверное превышение по данному показателю составило 4,3-10,1%, соответственно к изучаемым видам растений (рис. 1).

Рисунок 1 - Влияние антропогенных факторов на содержание хлорофилла а в листьях древесных растений

DOI:10.23649/JAE.2023.40.15.2

Есть мнение, что под влиянием антропогенных факторов в условиях города происходит уменьшение содержания хлорофиллов а и b в составе пигментного комплекса. Причем, авторы отмечают более сильное снижение хлорофилла а, по сравнению с хлорофиллом b

[10]

. Результаты нашего лабораторного исследования подтверждают данное предположение вышеназванных исследователей. В опыте было отмечено уменьшение содержания хлорофилла а у всех изучаемых видов растений, по сравнению с контрольными вариантами на 0,07-0,22 мг/г сухого вещества, соответственно. Однако, снижение хлорофилла а у вида Betulla pendula было несущественным, в пределах ошибки опыта. Таким образом, результаты показали, что под влиянием антропогенных факторов у липы мелколистной, тополя бальзамического, клена остролистного и клена американского произошло заметное снижение хлорофилла а, что предопределяет его адаптационные возможности. Об этом свидетельствуют и данные исследователей

[3]

,

[8]

, которые в своих статьях отмечают, что некоторые лиственные растения в неблагоприятных антропогенных городских условиях испытывают снижение концентрации хлорофилла а в листьях.

Наибольшее содержание хлорофилла b было отмечено у клена остролистного и клена американского в контрольном варианте (рис. 2). Абсолютные показатели содержания хлорофилла b в листовых пробах клена американского ниже, чем у клена остролистного, т.е. разница не превышает ошибку опыта. Превышение по данному показателю составило 7,1-45,7%, соответственно по видам растений.

Рисунок 2 - Влияние антропогенных факторов на содержание хлорофилла b в листьях древесных растений

DOI:10.23649/JAE.2023.40.15.3

Известно, что высокое содержание хлорофилла b обеспечивает некоторую устойчивость видам растений и, видимо способно выполнять защитную функцию, заключающуюся в предотвращении разрушения хлорофилла а

[9]

,

[10]

.

В опыте также было выявлено достоверное повышение хлорофилла b в контрольных вариантах у тополя бальзамического, клена остролистного, клена американского и березы повислой. Превышение по данному показателю составило 3,1-7,3%, соответственно. Исключение составляет липа мелколистная. В этом случае содержание хлорофилла b уменьшилось в контрольном варианте на 84,6%, по сравнению с данным показателем у растений, произрастающих вдоль автомагистрали. Кроме этого, одним из важных показателей является соотношение зеленых пигментов, так как возрастающее влияние антропогенных факторов в той или иной степени изменяют оптимальное соотношение данных пигментов, тем самым снижается продуктивность фотосинтеза

По мнению некоторых исследователей, отношение хлорофиллов а/ b у растений показывает высокую потенциальную фотосинтетическую активность. В ходе опыта было установлено, что отношение 1:2 характерно только для липы мелколистной в контрольном варианте. У остальных растений произошло снижение данного показателя, что, видимо, связано с нарушением анатомо-фотосинтетических функций хлоропластов и отдельных клеточных компонентов

Результаты исследований показали, что наибольше содержание каротиноидов было обнаружено у клена американского на 4,1-13,8% на опытном варианте, и на 7,6-35,1% в контрольном варианте, по сравнению с другими видами растений (рис. 3).

Рисунок 3 - Влияние антропогенных факторов на содержание каротиноидов в листьях древесных растений

DOI:10.23649/JAE.2023.40.15.4

В результате эксперимента по исследованию пигментов произошло увеличение содержания каротиноидов у всех исследуемых видов растений, произрастающих в насаждениях вдоль автомагистрали. Причем, достоверное увеличение содержания каротиноидов было отмечено лишь у липы мелколистной (на 15,8%) и березы повислой (на 22,4%), по сравнению с контрольными вариантами. Есть мнение, что каротиноиды в условиях антропогенного загрязнения компенсируют недостаток хлорофилла а

[6]

, другие авторы не отмечают его защитных свойств для стабилизации хлорофилла

[11]

,

[12]

, поэтому явной закономерности выявить не представляется возможным.

Установлено, что в сравнении с контрольными вариантами (сквер) уменьшается содержание хлорофилла а на 1,7-14,8% у всех изучаемых растений, увеличивается содержание хлорофилла b на 3,1-7,3 % у всех растений, за исключением Tilla Cordata Mill. и повышается содержание каротиноидов на 4,6-22,4 %, соответственно. Показатель отношения хорофиллов а/b, характеризующий высокую фотосинтетическую активность листьев соответствовал отношению ½ у вида Tilla Cordata Mill. в контрольном варианте.

В итоге, можно предположить, что изменение содержания пигментного состава растения зависит от биологической характеристики вида и приспособленности растений к местопроизрастанию с определенной характеристикой окружающей среды.