Влияние сернистого ангидрида на листовую пластинку некоторых пород деревьев

В настоящее время исследования промышленной среды и связанные с ними теоретические и прикладные экологические проблемы, несомненно, актуальны. В последние десятилетия наблюдается интенсивное насыщение атмосферы газообразными и пылевидными отходами промышленных предприятий (Воскресенская, 2005). Они вызывают ухудшение условий существования биоты, создавая угрозу здоровью населения, нарушению климата в локальных и глобальных масштабах (Калверт, 1988). В связи с этим остро ощущается потребность в научно-обоснованных методах мониторинга состояния окружающей среды, и в практических мероприятиях по предотвращению загрязнения атмосферы и сохранению оптимальных условий существования биосферы в целом (Илькун, 1982).

Загрязняющее вещество первоначально поступает в растение через устьица – отверстия, имеющееся на листьях,  в нормальных условиях использующиеся для газообмена. Диоксид серы, прежде всего, воздействует на клетки, которые регулируют открывание этих отверстий. Степень их открывания и факторы, влияющие на нее, в начальный период являются основными параметрами, определяющими интенсивность воздействия загрязнителей. Даже при очень малых концентрациях диоксид серы способен оказывать стимулирующее действие, в результате которого при достаточно высокой относительной влажности устьица остаются постоянно открытыми. В то же время при высоких концентрациях диоксида углерода устьица закрываются. Кроме того, в случае высокой влажности устьица открываются, в случае низкой – закрываются.

Попав в межклеточные пространства листа, загрязняющее вещество вступает в контакт с мембраной, окружающей клетку. При нарушении целостности этой полупроницаемой мембраны нарушается баланс питательных веществ и процесс поступления ионов.

Поступив в клетку, диоксид серы взаимодействует с органеллами – митохондриями и хлоропластами, в том  числе и с их мембранами, что может привести к весьма серьезным последствиям.

Однако сера необходима для нормального роста растений, и присутствие SO₂ может оказывать влияние и на усвояемость серы. Растения потребляют серу в восстановленном состоянии. В присутствии SO₂ основным продуктом становится сульфат; присутствует также цистеин, глютатион, и, по меньшей мере, одно не идентифицированное вещество. Основными промежуточными соединениями при восстановлении сульфатов являются сульфиты.

Растения как продуценты экосистем в течение всей жизни привязанные к локальной территории и подверженные влиянию двух сред – почвенной и воздушной, наиболее полно отражают весь комплекс воздействий на систему (Рунова, 2001). Наглядными морфометрическими показателями состояния древесных популяций являются: длина и ширина листовой пластинки, площадь листовой поверхности и удельная плотность листа, отражающие все многообразие действующих факторов.

Нами было проанализировано изменение морфометрических показателей древесины и листовых пластинок  древесных пород по методике Р.М. Клейн (1974).  

Объектами исследования  были выбраны разные по устойчивости древесные породы: из плодовых – Айва обыкновенная (Cydonia oblonga Mill.), из применяемых в озеленении – Вяз приземистый (Ulmus pumila L.) и Ясень сирийский (Fraxinus syriaca Boiss.), произрастающие на территории Мубарекского газоперерабатывающего завода (Опыт-1), Шуртаннефтгаз УДП (Опыт-2), Шуртанского газохимического комплекса (Опыт-3), характеризующимися повышенным содержание SО₂ в воздухе. Контролем служили эти же представители древесных пород, произрастающие в относительно чистой санитарной зоне города Карши. Агроклиматическая и производственная характеристика районов исследования представлена в  таблице 1.

Полученные результаты исследования были обработаны статистически по стандартной программе Microsoft Office Excel 2007.

Основными загрязнителем окружающей среды исследуемых промышленных зон является сернистый ангидрид.

Таблица 1 – Краткая характеристика районов исследования (2011-2015) 

Исследователями замечено, что вблизи предприятий, выбрасывающих в атмосферу большое количество пылевидных частиц, линейные размеры ассимиляционных органов и прирост побегов растений меньше в 2 – 5 раз по сравнению с растениями вне зоны запыления (Илькун, 1978).

Проведенные нами измерения длины сложного листа ясеня и простых листовых пластинок айвы и вяза показывают, что максимальная длина листовой пластинки отмечена у деревьев, произрастающих в контрольной зоне города Карши и на территории Опыта-3 (вяз 6,2±0,71; ясень 4,7±0,073; айва 7,9±0,14 и соответственно 6,1±0,67; 4,5±0,086; 7,5±0,20 мм), и разница между этими точками статистически незначима (Р>0,05) (табл. 2). В этих же исследуемых районах нами было выявлено минимальное содержание сернистого ангидрида в воздухе (табл.1).

Относительно близкие значения имеют показатели, полученные на территории Опыт-1 (вяз 5,8±0,65; ясень 4,4±0,061; айва 7,2±0,072 мм) и Опыт-2 (вяз 5,9±0,89; ясень 4,5±0,051; айва 7,5±0,18мм).

Таблица 2 – Средние значения морфометрических показателей исследуемых пород

Достоверная разница в изменении длины листа на этих объектах статистически относительно значимо отличается от условного контроля. И самая минимальная длина листовой пластинки была замечена в самых загрязненных районах исследования, на участке Опыт-1 (вяз 5,8±0,65; ясень 4,4±0,061; айва 7,2±0,072 см) и Опыт-2 (вяз 5,9±0,89; ясень 4,5±0,051; айва 7,5±0,18 см), где установлено самое высокое содержание SO₂. Эти значения статистически значимо отличаются от всех остальных.

Аналогичная картина характерна и для признака – «ширина листовой пластинки». Также нами установлено, что наиболее широкие листья на деревьях в контроле и в Опыте-3 (вяз 4,3±0,92; ясень 2,6±0,061; айва 4,6±0,071 см и соответственно вяз 4,4±0,086; ясень 2,4±0,040; айва 4,1±0,061 см). А наименьшая ширина листовой пластинки исследуемых пород снова отмечена на участке Опыт-1 (вяз 4,1±0,71; ясень 2,3±0,41; айва 4,1±0,065 см) и Опыт-2 (вяз 4,1±0,75; ясень 2,3±0,39; айва 4,3±0,051 см).

Двухфакторный дисперсионный анализ показал относительно статистически значимую разницу по ширине листа древесных пород между двумя последними опытными районами исследования и остальными районами.

Таким образом, данные двухфакторного дисперсионного анализа показывают статистически значимое влияние состояния воздушной среды района исследования на длину и ширину листовой пластинки исследуемых пород.

Также нами установлена обратная корреляционная зависимость между содержанием сернистого ангидрида в атмосферном воздухе и изменением параметров длины (r = - 0,85) и ширины (r = - 0,79) листа у вяза, длины (r = - 0,89) и ширины (r = - 0,84) листа у ясеня, длины (r = - 0,87) и ширины (r = - 0,82) листа у айвы. Кроме того, мы видим, что эти признаки коррелируют между собой (r = 0,90).

По литературным данным известно, что площадь листовой поверхности и удельная поверхностная плотность листа (УППЛ) являются диагностическими признаками устойчивости древесных растений в условиях городской среды (Андреева, 2005). Интенсивность фотосинтеза зависит от площади листовой пластинки, которая влияет и на продуктивность (Briggs, 1999; Ahmad, 1999; Lin, 2000). Косвенным показателем продуктивности является УППЛ.

При изучении такого морфометрического показателя, как площадь листовой пластинки, нами получены следующие результаты: наименьшая площадь листа характерно для деревьев участков Опыт-1 (вяз 23,8±1,02; ясень 30,36±1,42; айва 29,52±1,32см²), где и обнаружено относительно высокое содержание диоксида серы, затем по возрастанию площади листовой пластины и уменьшению содержания SO₂  в воздухе идут участок Опыт-2 (вяз 24,8±0,94; ясень 31,05±1,33; айва 30,75±0,64см²) и Опыт-3 (вяз 25,0±0,70,; ясень 32,4±1,06; айва 30,75±0,64см²) с почти одинаковыми результатами, и контрольный участок с наибольшей площадью листовой пластинки и наименьшим количеством сернистого ангидрида в воздухе.

Двухфакторный дисперсионный анализ показал достоверную разницу в изменении площади листа и влияния состояния воздушной среды районов исследования (Р<0,10).

Проведя корреляционный анализ данного признака, мы увидели, что существует обратная зависимость между площадью листовой пластинки и содержанием диоксида серы в воздухе. (r = - 0,90).

Существуют сведения, что удельная поверхностная плотность листа связывает процессы роста и фотосинтеза, так как отражает накопление сухого вещества единицей поверхности. Чем выше УППЛ, тем эффективнее идут процессы фотосинтеза, так как в расчете на единицу поверхности листа синтезируется большая биомасса (Кузьмина, 2001; Черыгин, 2005).

Наши исследования по измерению УППЛ показали, что с увеличением содержания сернистого ангидрида и пыли в воздухе увеличивается плотность листа. Так, на контрольных участках и на участке Опыт-3 отмечены относительно максимальные значения УППЛ, которые составили соответственно у вяза – 0,024±0,0011 г/см²; у ясеня – 0,036±0,0012; у айвы – 0,019±0,0054 и у вяза – 0,023±0,0009; у ясеня 0,031±0,0031; у айвы 0,017±0,0021 г/см² соответственно, тогда как в Опыте-1: у вяза –0,021±0,0018; у ясеня – 0,031±0,0011; у айвы – 0,017±0,0052 г/см²; и Опыте-2: у вяза – 0,024±0,0010; у ясеня – 0,033±0,0022; у айвы – 0,017±0,0024 г/см². Кроме того, именно на участках Опыт-1 и Опыт-2 нами обнаружено самое высокое содержание SO₂ и пыли. Также мы видим, что на контрольных участках плотность листа составила у вяза 0,024±0,0011; у ясеня – 0,036±0,0012; у айвы – 0,019±0,0054 г/см², что примерно в 1,15-1,2 раза больше, чем в Опыте-1. Двухфакторный дисперсионный анализ показал достоверную разницу в изменении удельной поверхностной плотности листа под влиянием состояния воздушной среды районов исследования (Р<0,10). Проведя корреляционный анализ данного признака, мы определили, что существует обратная зависимость между УППЛ листовой пластинки и содержанием диоксида серы в воздухе. (r = - 0,79).

Таким образом, анализируя относительное изменение морфометрических показателей, можно с уверенностью утверждать, что существует взаимосвязь между концентрацией сернистого ангидрида и морфометрическими показателями листовых пластинок исследованных пород, и следовательно удельная поверхностная плотность листа может служить надежным показателем степени загрязнения воздушной среды сернистым ангидридом.

Литература

1. Briggs W. R. // Annu. Rev. Cell Dev. Biol. 1999. V. 15. P. 33-62
2. Ahmad M. // Current Opinion in Plant Biology. 1999. V. 2. P. 230-235
3. Lin C. // Trends in plant science. 2000. V. 5. № 8. P. 337-342
4. Чекрыгин, В.В. Особенности регулирования светового режима в насаждениях яблони Западного Предкавказья / В.В Чекрыгин, к.б.н. // автореферат. - Краснодар, 2005. - 250 с.
5. Рунова, Е.М. Экологический мониторинг лесных биоценозов в зонах промышленных выбросов / Е.М. Рунова // Природные и интеллектуальные ресурсы Сибири. – Томск: ТГУ, 2004. – С. 132 – 135.
6. Клейн Р.М., Клейн Д.Т. Методы исследований растений. М.: “Мир”, 1974.  - 389 с.
7. Калверт, С. Защита атмосферы от промышленных загрязнений / С Калверт, Г. Инглунд. – М.: Металлургия, 1988. – 286 с.
8. Илькун, Г.М. Отфильтровывание воздуха от поллютантов древесными растениями / Г.М. Илькун. - Таллин, 1982. – 138 с.
9. Воскресенская О.Л. Скочилова и др. Организм и среда: факториальная экология / О.Л. Воскресенская, Е.А.– Йошкар-Ола, 2005. – 175 с.

 Literatura

1. Briggs W. R. // Annu. Rev. Cell Dev. Biol. 1999. V. 15. P. 33-62
2. Ahmad M. // Current Opinion in Plant Biology. 1999. V. 2. P. 230-235
3. Lin C. // Trends in plant science. 2000. V. 5. № 8. P. 337-342
4. Chekrygin, V.V. Osobennosti regulirovanija svetovogo rezhima v nasazhdenijah jabloni Zapadnogo Predkavkaz'ja / V.V Chekrygin, k.b.n. // avtoreferat. - Krasnodar, 2005. - 250 s.
5. Runova, E.M. Jekologicheskij monitoring lesnyh biocenozov v zonah promyshlennyh vybrosov / E.M. Runova // Prirodnye i intellektual'nye resursy Sibiri. – Tomsk: TGU, 2004. – S. 132 – 135.
6. Klejn R.M., Klejn D.T. Metody issledovanij rastenij. M.: “Mir”, 1974.  - 389 s.
7. Kalvert, S. Zashhita atmosfery ot promyshlennyh zagrjaznenij / S Kalvert, G. Inglund. – M.: Metallurgija, 1988. – 286 s.
8. Il'kun, G.M. Otfil'trovyvanie vozduha ot polljutantov drevesnymi rastenijami / G.M. Il'kun. - Tallin, 1982. – 138 s.
9. Voskresenskaja O.L. Skochilova i dr. Organizm i sreda: faktorial'naja jekologija / O.L. Voskresenskaja, E.A.– Joshkar-Ola, 2005. – 175 s.