*112520*

Флуоресцентный мониторинг древесных пород в условиях мегаполиса

Д.И.Орехов, Д.Н.Маторин, Ю.П.Козлов

Кафедра биофизики биологического ф-та МГУ им.М.В.Ломоносова miteor86@mail.ru

В статье рассматриваются вопросы изучения основных изменений параметров флуоресценции фотосинтетического аппарата древесных пород (береза, тополь, можжевельник) под влиянием загрязнения в САО г. Москвы.

Ключевые слова: флуоресценция, хлорофилл, квантовый выход, фотосинтез, относительный электронный транспорт.

Введение.

Флуоресцентные методы оценки безопасности экологической обстановки в крупных городах имеют большую актуальность. Измерение параметров флуоресценции хлорофилла «а» методом фитоиндикации является информативным, экспрессным, и не требует предварительной пробоподготовки. Такие параметры как величина квантового выхода Fv/Fm – отношение уровня переменной флуоресценции к максимальной, фотохимическое тушение (qP), нефотохимическое тушение (qN), угол наклона электронного транспорта помогают изучить изменения, происходящие под влиянием загрязнения в древесных породах. Квантовый выход показывает долю использованной энергии света растениями для реакций фотосинтеза, своего рода это значение «КПД» клетки растения, способность улавливать и направлять энергию света в процесс синтеза необходимых растению веществ (углеводов). Чем больше значение квантового выхода, тем больший процент энергии улавливается растениями для фотосинтеза. У растений, произрастающих в экологически благоприятных районах, данный показатель бывает достаточно высоким 0,7 — 0,8 (в летний сезон), что соответствует эффективному улавливанию энергии света . По значению квантового выхода можно проследить за фазами вхождения в покой и выхода растениями из состояния покоя.

Материалы и методы.

Объектами исследований служили высечки коры и листья (хвоя) деревьев, произрастающие в микрорайоне Западное Дегунино САО г.Москвы, по функциональному состоянию которых определялась их устойчивость к загрязнителям. Образцы коры и листьев деревьев брались 2 раза в месяц с октября 2009 года по апрель 2010 года. Для экспериментов были отобраны модельные деревья. Деревья были сравнительно одного возраста и развития. Опытными считались деревья, произрастающие в местах сильного загрязнения атмосферы вблизи автодороги (Дмитровское шоссе). Для контроля выбирались деревья из относительно чистых мест обитания (пруд, школа), защищенных от действия газов. Все измерения проводились, на одних и тех же ветках с нижней части на высоте 1,5-2 метра от земли в утренние часы. Повторность измерений 10 кратная. Непосредственно перед началом анализа у побегов отделялся участок коры (0,5 — 1,5 см²) с одного и того же места по длине. Листья и побеги перед началом проведения измерений выдерживались в темноте около 10 минут в увлажненном состоянии. Активность фотосинтетического аппарата листьев и феллодермы регистрировались по параметрам флуоресценции на импульсном портативном флуорометре PAM – 210 (Walz, Германия): 1) Квантовый выход флуоресценции - Fv/Fm, 2) Скорость относительного электронного транспорта, 3) Коэффициенты фотохимического и нефотохимического тушения флуоресценции хлорофилла при разных интенсивностях света (от 0 до 786 мкЕ) определяли с использованием компьютерной программы PamVin.

Результаты и их обсуждение.

Внешний вид растения не всегда отражает его физиологическое состояние. Например, квантовый выход может оставаться еще на большом уровне, а электронный транспорт заранее уже начинает подавляться и снижать свою активность в ответ на снижение температуры или на действия поллютанта. При этом не вся световая энергия, улавливаемая растениями идет на процесс фотосинтеза. Энергия может как поглощаться, так и обратно отражаться и выделяться в виде флуоресценции или выделения тепла. Все эти процессы взаимно конкурируют друг с другом [3].

Начало данного исследования соответствует октябрьскому месяцу 2009 года — вхождение в покой. Значения квантового выхода тополя у шоссе соответствуют 0,2, а вблизи школы 0,3-0,56 — заметна разница в 3 раза.(рис.1) Также заметная разница в значениях фотохимического тушения: 0,81-0,55 у школы и 0,35-0,37 - у дороги.(рис.2)

При похолодании (ноябрь) начинаются сглаживаться значения по квантовому выходу, при сравнении можжевельника и березы, значения у шоссе 0,29-0,31, у пруда и школы соответственно 0,56-0,5. По-видимому, начинают приостанавливаться основные физиологические процессы и значения параметров фотосинтеза нивелируются. В целом активность на том же уровне, что и у тополя в конце октября. У можжевельника рядом с шоссе угол наклона электронного транспорта несколько больше по значениям, хотя квантовый выход намного ниже, чем у пруда. Это можно объяснить тем, что близость автомобильной дороги заметно продлевает время вхождения в покой, тогда как в нормальных условиях (пруд) фотосинтез должен уже снижать свою активность заблаговременно. К тому же, можжевельник является хвойной породой, следовательно, фотосинтез продолжается в течение всего года и, в связи с невозможностью сброса листвы в осеннее время, можжевельник вынужден искать альтернативные адаптивные пути механизма устойчивости к загрязнению, поэтому наблюдается увеличение скорости потока электронов в транспортной цепи [1]. В декабре у тополя больше уровень между самым низким уровнем квантового выхода и самым высоким, чем у березы. У тополя максимальный уровень квантового выхода фотосинтеза на пруду 0,58; 0,36-0,4 у школы и 0,2 на шоссе — закономерное снижение. У березы значения квантового выхода фотосинтеза на пруду 0,42; на шоссе 0,32 — более явная индифферентность березы (более низкие значения) по сравнению с тополем. По нефотохимическому тушению интересен момент обратной картины, если в октябре у шоссе и школы у тополя qN=1,49 и 0,34, соответственно, то уже в декабре 0,21 и 0,55. При неглубоком покое растение может активировать фотосинтез в ответ на ранние оттепели, а затем погибнуть под действием заморозков. Кроме того, в октябре использовались листья, а в декабре феллодерма коры тополя. Меньшая чувствительность феллодермы к повышенному загрязнению обусловлена более низким газообменом со средой [2]. Кроме того, растение вынуждено компенсировать фотосинтез после сбрасывания листвы. Поэтому у школы с меньшим загрязнением отключение реакционных центров больше проявлено, тогда как у шоссе уже снижается активность, и сопротивляемость падает. Еще следует принять во внимание тот факт, что, хотя и визуально деревья схожи по размерам, их возраст и индивидуальные отличия также могут сильно различаться, даже в пределах одного и того же вида [4]. В январе и феврале очень глубокий покой у тополя и значения сильно снижены, у шоссе активность почти нулевая, света мало, собственно и хлорофилл практически выгоревший, как таковой отсутствует, и равен 0,01. Этот факт объясняет, почему деревья практически сухие в больших городах зимой.

В марте начинается выход из покоя у тополей на пруду, тогда как на шоссе они по-прежнему в сильном покое. Квантовый выход, на пруду и на шоссе, у тополей соответствует 0,37-0,3-0,25 и 0,18-0,07. Квантовый выход фотосинтеза у берез у школы и шоссе соответственно 0,18-0,22 и 0,02-0,15. Причем, у берез более индифферентные значения и у школы, и у шоссе. Срок выхода из покоя также зависит и от степени повреждения дерева перед вхождением в покой, поэтому не всегда будут значения соответствовать ожидаемому результату [3].

В апреле происходило закономерное изменение активности деревьев в зависимости от местоположения. По значениям квантового выхода и электронного транспорта хорошо видна зависимость влияния автотрассы на деревья. По квантовому выходу значения между шоссе и прудом у тополя составляли 0,2 и 0,32 соответственно, у березы 0,15 и 0,34 соответственно, а у можжевельника 0,13 и 0,27-0,32. Также заметно возрастание давления стресса у тополя по значениям нефотохимического тушения (рис.3), как и в октябре, рядом с шоссе происходит закрытие реакционных центров в ответ на загрязнение, у березы и можжевельника эти значения равны нулю, что свидетельствует о сильном подавлении рядом с шоссе и недостатком энергии для фотосинтеза возле пруда.

Апрель характеризовался выравниванием фотосинтетических параметров, что связано с началом вегетационного периода, связанного с процессом созревания листьев из почек. В связи с началом наступления вегетационного сезона, к концу апреля начинают активироваться основные физиологические параметры, среднесуточная температура, тем временем, становится уже +14+15С. У березы заметны различия в значениях квантового выхода рядом с шоссе и вдали от дороги (рис.4) Можжевельник и береза более адекватно реагируют на воздействие загрязнения воздуха, по сравнению с тополем, который не реагирует на воздействия автотранспорта , что связано с более ранним началом цветения, чем у березы. У можжевельника активность явно ниже, чем у березы (возле шоссе), но у березы активность в 1,5 раза ниже тополя. Надо учитывать также, что деревья часто возле дороги раньше выходят из покоя и позже впадают в него, в силу чего, у них период зимнего покоя короче, эта особенность выявляется у разных видов в разное время [5]. Это объясняет большую чувствительность тополя по сравнению с березой к удлинению дня и к увеличению светового режима в конце апреля, что объясняет его более ранние сроки созревания, чем у березы. Значения скорости электронного транспорта у шоссе ниже, чем у вдали от шоссе(табл.)

Таким образом, в городе у дороги с высокой интенсивностью автомобильного движения активность фотосинтеза заметно снижена по сравнению с парковой, дворовой и школьной зонами, где уровень активности фотосинтеза обычно выше. Причем, в разные сезоны растения и вдоль дорог, и во дворах изменяют свою активность в зависимости от температурных и влажностных параметров.

Выводы.

1. Удалось выявить сезонные изменения основных фотосинтезирующих параметров деревьев (Fv/Fm, ETR, qP, qN,) на разном удалении от дороги. Рядом с дорогой деревья, подверженные большему стрессу, чем в отдалении, раньше выходят из покоя и их длина вегетационного сезона продлевается, в силу чего растения быстрее исчерпывают свои внутренние защитные резервы.

2. Наиболее чувствительный период в жизни деревьев к загрязнению воздуха связан с началом созревания и роста, приходящийся на март — апрель.

3. По мере приближения к шоссе значения Fv/Fm уменьшаются, активность ETR уменьшается , но перед началом периода вегетации у березы и тополя значения у шоссе нивелируются по сравнению с удаленными от шоссе районами, угол наклона снижается так же, фотохимическое тушение qP до марта также снижается, после марта увеличивается, нефотохимическое тушение qN возрастает у шоссе до момента вхождения в покой, после наступления покоя понижается(декабрь). Количество хлорофилла увеличивается пропорционально увеличению среднемесячных значений температуры и влажности.

Список литературы.

1.Рубин А.Б., Кренделева Т.Е. Регуляция первичных процессов фотосинтеза // Успехи биологической химии. Пущино. 2003. Т.43. С.225-266.

2. Рубин А. Б. Биофизика фотосинтеза и методы экологического мониторинга // Технология живых систем. 2005. Т.2. С.47-68.

3. А.А.Алексеев, В.А. Осипов, Д.Н.Маторин. Метод определения функционального состояния растений по флуоресценции хлорофилла . - Якутск, 2006. - С.5 - 16

4. Bukhov N. G., Sridharan G., Egorova E. A., Carpentier R. Changes in polyphasic chlorophyll a fluorescence induction curve upon inhibition of donor or acceptor side of photosystem II in isolated thylakoids // Biochim. et Biophys. Acta 2004. 1657. P.121-130.

5.Buschmann C., Langsdorf G., Lichtenthaler H.K. Imaging of the blue, green, and red fluorescence emission of plants: an overview // Photosynthetica. 2000. Vol.38. №4. P.483-491.

Study parameters of fluorescence clorophyll in leaves of tree plants in different environmental conditions of Moscow.

D.I. Orekhov, D.N. Matorin, Y.P. Kozlov

In the article are considered the study of fundamental changes in the parameters of fluorescence of the photosynthetic apparatus of trees (birch, poplar, juniper), under the influence of pollution in the NAO, Moscow (Zapadnoye Degunino).

Keywords: fluorescence, chlorophyll, quantum yield, photosynthesis, rate of photosynthetic electron transport.

Сведения об авторах:

Орехов Дмитрий Игоревич, эколог специалист, аспирант, зав.лабораторией физико-химической экологии кафедры системной экологии экологического факультета РУДН, 4999056733, miteor86@mail.ru