Центр эколого Центр эколого-ноосферных исследований НАН

ANNALS OF AGRARIAN SCIENCE, vol. 10, no. 1, 2012
ИЗВЕСТИЯ АГРАРНОЙ НАУКИ, Том 10, Ном. 1, 2012
FORESTRY ЛЕСОВОДСТВО
ОСОБЕННОСТИ МЕТАБОЛИЗМА РАСТЕНИЙ В УСЛОВИЯХ Г. ЕРЕВАНА
Г.С.Нерсисян, А.А.Оганисян
эколого--ноосферных исследований НАН РА
Центр эколого
ул. Абовяна 68, Ереван, 0025, Республика Армения; jaklin8@mail.ru; hovhas@gmail.com
Поступила в редакцию: 21.11.11; одобрена к печати: 19.01.12
Изучены некоторые аспекты метаболизма растений в условиях загрязнения среды
тяжелыми металлами и хлором. В зонах сильного загрязнения города Еревана в
листьях растений увеличивалось содержание общего азота: у устойчивых видов это
происходило за счет белковой формы. На загрязненных территориях в середине
вегетации происходило резкое снижение соотношений азот/металл и азот/хлор.
Изучение количественных изменений форм азота, особенно белкового, а также
значений соотношений азот/токсикант, могут служить критериями как для
определения устойчивости вида, так и для оценки степени загрязнения
территории.
Важным фактором для здоровья и безопасности городского населения является
наличие зеленых зон. Растительность – это природный фильтр: очищает и освежает воздух,
уменьшает количество пыли, снижает воздействие шума и т.д. В городских условиях часто
снижается жизнестойкость и ухудшается состояние растений, сокращается ассортимент
деревьев и кустарников. Это вызвано загрязненностью среды различными токсикантами,
недостаточной плодородностью городских почв, а также наличием больших территорий,
покрытых асфальтом, бетоном и мусором.
Влияние загрязнения окружающей среды на растения проявляется как в видимых
(морфологических, физиологических) повреждениях различных органов, так и во внешне
незаметных изменениях метаболизма. Растения способны поглощать из окружающей среды
одни элементы и избегать накопления других, тем самым создавая для своего метаболизма
особую среду, отличающуюся от внешней среды [1-4].
Высокая чувствительность растений к воздействию различных токсикантов позволяет
использовать параметры их жизнедеятельности как индикаторы состояния среды, а
изучение их стрессового метаболизма дает возможность выявить физиолого-биохимические
критерии ранней диагностики повреждений растений в зонах техногенеза [2].
В экосистемах городов Армении в последние годы обнаруживаются высокие
концентрации различных токсикантов, которые негативно влияют на растения, однако
механизмы этого воздействия мало изучены.
Ереван, столица республики, крупный экономический центр с развитой
промышленностью, интенсивным движением транспорта, и наблюдаемым в последние годы
широкомасштабным строительством. Одновременно в городе сильно сократились площади
зеленых зон и ухудшилось состояние растительности, поэтому особенно актуальны
исследования метаболизма растений, направленные на повышение их экологической
устойчивости.
Целью данного исследования было изучение особенностей метаболизма и
экологической устойчивости некоторых видов древесных растений в условиях г.Еревана.
ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ
Исследования проведены в течение 2005-2007гг. в г. Ереване. Объектами исследования
были наиболее распространенные в городе виды деревьев: робиния лжеакация (Robinia
pseudoacacia L.), ясень обыкновенный (Fraxinus excelsior L.), тополь белый (Populus alba L.),
шелковица белая (Morus alba L.) и виноград культурный (Vitis vinifera L.). По результатам
анализов почв и растений г. Еревана [5,6] были выявлены участки комплексного загрязнения
хлором и тяжелыми металлами: вокруг Станции очистки вод, около Ереванского озера, в
ущелье реки Раздан (ул. Багратунянц и под Киевским мостом), около озера в районе
Эребуни и на автотрассе Нубарашен (около городской свалки) [7]. На этих пилотных
участках были исследованы некоторые особенности метаболизма и экологической
устойчивости растений. В почвах этих участков были определены содержания общего азота
по общепринятой методике [8], а в листьях растений – общего, белкового и небелкового
азота экспресс-методом [9].
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Оценка состояния растений на наиболее загрязненных участках выявила видимые
морфологические повреждения только у деревьев, произрастающих на следующих
территориях: в радиусе 1 км от НПО ''Наирит'' и предприятия ''Чистое железо'', в
окрестностях городской свалки. На этих участках в листьях деревьев были обнаружены
высокие концентрации токсикантов: хлора- выше 1.2%, СПК тяжелых металлов превышало
15.0. Видимые повреждения листьев были наиболее выражены в середине вегетации (июль).
Полученные при фенологических исследованиях данные показали, что ясень
обыкновенный и робиния лжеакация проявляли высокую устойчивость к загрязнению
хлором и тяжелыми металлами, а у тополя белого были обнаружены сильно ослабевшие и
усыхающие особи, связанные, в основном, со старением.
Морфологические изменения вегетативных органов свидетельствовали об изменениях
в метаболизме растений. Важную роль в жизнедеятельности последних играет азотный
обмен, интенсивность и направленность которого зависит от биологических особенностей
вида, климатических условий, экологической гибкости и стадий онтогенеза.
В почвах г. Еревана среднее содержание азота составляло 0.28-0.29% [10]. Нами были
изучены особенности азотного обмена в листьях древесных растений г. Еревана. Результаты
исследований выявили, что в листьях деревьев города средние содержания азота колебались
в пределах 1.16-2.5%. Несколько выше концентрации азота у робинии лжеакации (табл. 1).
Табл.
Табл. 1. Содержание азота в листьях деревьев г. Еревана, %
Вид деревьев
Шелковица белая
Робиния лжеакация
Ясень обыкновенный
Тополь белый
Виноград культурный
Содержание азота
Минимальное Максимальное
0.82-1.84
1.76-2.76
1.22-1.91
1.88-2.74
0.74-1.55
1.87-2.46
0.82-1.68
2.02-2.52
0.97-1.52
1.93-2.71
Среднее
1.31-2.41
1.48-2.50
1.16-2.01
1.36-2.04
1.29-2.19
Была изучена также сезонная динамика содержаний азота в течение 2005-2006 гг.
Накопление азота в растениях зависит не только от особенностей видов, но и от стадий
вегетации, что и подтвердили наши исследования. Результаты двухлетних исследований показали, что в 2006 году содержания азота были выше, по сравнению с данными 2005 года,
что особенно заметно у робинии лжеакации и шелковицы белой (рис. 1).
2.5
2.0
N (%)
1.5
1.0
0.5
0.0
май
ноябрь
2005
Робиния лжеакация
Тополь белый
Виноград культурный
май
ноябрь
2006
Ясень обыкновенный
Шелковица белая
Рис. 1. Динамика средних содержаний азота в листьях деревьев г. Еревана
Отмечено изменение концентраций азота в течение вегетации: в ее начале они были
выше, чем в конце, что вполне закономерно, ввиду того, что азот в процессе вегетации
активно используется растением. Достоверность данных потверждена коэффициентом
ранговой коррелляции Спирмана с применением программы Statistica 6.0.
Дальнейшие исследования нами были проведены на трех декоративных видах
растений, поскольку они чаще используются в озеленении города. Обнаружено,что
концентрации азота в растениях зависели от уровня загрязнения территории. На наиболее
проблемных участках с высоким уровнем загрязнения хлором и тяжелыми металлами
обнаружено повышение содержаний азота (рис.2). По-видимому, это связано с высокими
концентрациями металлов, поскольку известно, что некоторые микроэлементы, в частности
медь и молибден, активно участвуют в метаболизме растений [2,4].
2.5
2.0
Робиния лжеакация
N ( %)
1.5
Ясень обыкновенный
Тополь белый
1.0
Средний
0.5
0.0
5
7
8
10
11
13
Точки пробоотбора
Рис. 2. Содержание общего азота в декоративных растениях на участках
с высоким уровнем загрязнения
В таблице 2 приводятся значения соотношений азот/металл (Cu, Zn, Mo, Pb, Mn, Ni),
азот/хлор, а также азот/сумма металлов (N/∑т.м.) в листьях растений фоновых, загрязненных и
сильно загрязненных участков в середине вегетации.
Табл.
Табл. 2. Значения соотношений азот/металл и азот/хлор в листьях растений
загрязненных участков
Вид
деревьев
Вариант
Фон
Робиния
Зона загрязнения
лжеакация
Зона сильного
загрязнения*
Фон
Ясень обыкновен- Зона загрязнения
ный
Зона сильного
загрязнения*
Фон
Зона загрязнения
Тополь белый
Зона сильного
загрязнения*
N/Cu
N/Mo
N/Zn
N/∑т.м
N/Cl
1870
917.1
32258
10645
840
614
176
145
3.3
1.78
330
4954
461
96.5
1.16
949
846.7
50000
7022
631
775
126.5
130
2.5
1.9
259.5
5105
327
79.59
1.48
833
670
36585
7414
559.7
533.5
121
111.6
2.5
2.1
624
6496
364
113.9
1.66
* - зона сильного загрязнения с видимыми повреждениями растений
Было обнаружено снижение значений соотношений N/металл и N/Cl: N/Cu- в 1.2-5.7;
N/Zn- 1.1-1.9; N/Zметал.- 1.1-1.8; N/Cl- 1.2-2.85; N/Mo- 3.3-9.8 раз. Картина более выражена у
робинии лжеакации и ясеня обыкновенного. Во время появления видимых повреждений это
снижение было более резким, особенно у вышеуказанных видов в значениях N/Cu и N/Mo:
соответственно в 3.7-5.7 и 6.5-9.8 раз (рис. 3).
2000
N/ Cu
1800
Фон
Зона загрязнения
Зона сильного загрязнения
40000
1400
35000
1200
30000
1000
25000
800
20000
600
15000
400
10000
200
5000
Фон
Зона загрязнения
Зона сильного загрязнения
45000
1600
0
N/ Mo
50000
0
Робиния
лжеакация
Ясень
обыкновенный
Тополь
белый
Робиния
лж еакация
Ясень
обыкновенный
Тополь
белый
Рис. 3. Значения соотношений азот/металл в листьях растений загрязненных участков
Таким образом, изменения значений соотношений азот/металл (особенно Cu и Mo) и
азот/хлор можно использовать как для диагностики патологических процессов в растениях
техногенных территорий, так и для оценки уровня загрязнения и экологической
устойчивости видов.
Устойчивость видов растений в условиях техногенеза можно определить также при
изучении различных форм азота. Наличие высоких концентраций тяжелых металлов в
растениях может привести к увеличению содержания белков, которые в свою очередь
способны связывать металлы, тем самым защищая клетки от их токсического воздействия. У
устойчивых видов под воздействием токсикантов происходит увеличение белкового азота, а
у неустойчивых- накопление небелковых форм азота [2; 11].
Нами были изучены содержания общего, белкового и небелкового азота в листьях
растений, произрастающих на сильно загрязненных (тяжелые металлы, хлор, пыль) участках
города. Как тест-объекты были выбраны робиния лжеакация и вяз мелколистный.
Выявлено, что у робинии лжеакации доля белкового азота в среднем составляла 65.6%,
а небелкового- 34.4% от общего, в то время как у вяза- соответственно 68.1% и 31.9%. В
сильно загрязненных зонах в листьях обоих видов содержание общего азота увеличилось и
достигло максимума, особенно у робинии лжеакации- в 1.4-2.3 раза. Однако если у
лжеакации это произошло за счет белкового, то у вяза- за счет небелкового азота (рис. 4).
Рис. 4. Соотношение белкового и небелкового азота в различных видах деревьев
(% от общего)
В загрязненной зоне доля белкового азота в листьях робинии лжеакации увеличилась
до 75.4% от общего, а небелкового- уменьшилось на 9.8 единиц по сравнению со средним
значением. У вяза мелколистного уменьшилась процентная доля белковой формы до 65.5%,
а небелкового азота- увеличилась на 2.6 единиц. Наши исследования выявили, что робиния
лжеакация является газопылеустойчивым и металлоустойчивым видом, а вяз мелколистный
принадлежит к группе среднеустойчивых видов [12, 13].
Полученные результаты свидетельствуют о том, что азотный обмен растений зависит от
устойчивости видов к токсикантам. Увеличение общего азота наряду с белковой формой
является активной защитно-приспособительной реакцией, направленной на метаболизацию
токсикантов и увеличение устойчивости растений к неблагоприятным условиям среды.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
- Изменения эколого-биохимических показателей растений обнаруживаются до
появления видимых повреждений листьев и могут являться индикационными признаками
для ранней диагностики патологических процессов в растениях.
Листья деревьев г. Еревана накапливали азот в зависимости от видовых
особенностей, стадии вегетации, степени загрязнения территории. В зонах сильного
загрязнения в растениях увеличивалось содержание общего азота: у устойчивых видов это
происходит за счет белковой формы.
Значения соотношений азота и металлов, а также азота и хлора в листьях
растений подвергаются изменениям: на загрязненных территориях в середине вегетации
наблюдается их резкое снижение.
Изучение количественных изменений форм азота, особенно белкового, а также
значений соотношений азот/металл и азот/хлор, могут служить критериями как для
определения устойчивости вида, так и для оценки степени загрязнения территории.
Изучение поглотительного потенциала и эколого-биохимических особенностей
растений позволяет выявить устойчивые виды для функционального озеленения
территорий.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Попов В.А., Негруцкая Г.М., Шишмарев А.Т., Рошковский А.Д. Изменение содержаний
нитросоединений в листьях древесных растений под влиянием оксидов азота и аммония //
Физиолого-биохимические механизмы изменчивости и устойчивости растений, 1981, с. 116126. Popov V.A., Negrutskaya G.M., Shishmaryov A.T., Roshkovskiy A.D. Changing the contents of
nitro compounds in the leaves of woody plants under the influence of nitrogen oxides and ammonia
// Physiological and biochemical mechanisms of climate variability and resistance in plants, 1981,
pp.116-126.
2. Сергейчик С.А. Растения и экология // Минск, 1997, 220 с. Sergeichik S.A. Plants and
ecology. Minsk, 1997, 220 pp.
3. Тарабрин В.П., Кондратюк Е.Г., Башкатов В.Г. и др. Фитотоксичность органических и
неорганических загрязнителей // Киев, 1986, 216 с. Tarabrin V.P., Kondratyuk E.G., Bashkatov
V.G. et al. Phytotoxicity and other organic and inorganic pollutants // Kiev, 1986, 216 pp.
4. Черных Н.А., Овчаренко М.М. Тяжелые металлы и радионуклиды в биогеоценозах //
“Агроконсалт”, М., 2002, 200 с. Chernikh N.A., Ovcharenko M.M. Heavy Metals and
Radionuclides in Biogeocoenoses // “Agrokonsalt”, Moscow, 2002, 200 pp.
5. Нерсисян Г.С. Распределение и накопление хлора в почвах и растениях г. Еревана //
Вестник МАНЭБ, т. 15, № 5, вып. 1, 2010, с. 42-45. Nersisyan G.S. Distribution and accumulation
of chloride in soils and plants in Yerevan // Vestnik MANEB, v.15, №5, issue 1, Saint-Petersburg,
Russia, 2010, pp. 42-45.
6. Нерсисян Г.С., Оганесян А.А. Особенности поглощения и накопления тяжелых
металлов древесными растениями в г. Ереване // Известия аграрной науки, т.8, № 3, 2010, с.
140-144. Nersisyan G.S., Hovhannisyan H.A. Features of absorption and accumulation of heavy
metals by woody plants in Yerevan // Annals of Agrarian Sciences, vol.8, № 3, 2010, pp.140-144.
7. Нерсисян Г.С. Ecological and biochemical features of woody plants in the city of Yerevan
technogenesis // Автореф. дис. . . . канд. биол. наук, Ереван, 2011, 23 с. (in Armenian, in
Russian). Nersisyan G.S. Ecologo-biochemical Peculiarities of Arboreus Plants Under Conditions of
Technogenesis of the City of Yerevan // Autiref. dis. . . kand. boil. science, Yerevan, 2011, 23 pp..
8. Аринушкина Е.В. Руководство по химическому анализу почв // Изд-во МГУ, M., 1970,
487 с. Arinushkina E.V. Guidelines for Chemical Analysis of Soils // Moscow State University
Press, Moscow, 1970, 487 pp.
9. Маргарян А.А.,Оганесян А.А. Экспресс-микрометод колориметрического определения
фракций азота в растениях. Информационный листок // АрмНИИНТИ, 28, Ереван, 1979, 4 с.
Margarian A.A., Hovhannisyam H.A. Rapid micro-colorimetric determination of nitrogen
fractions in plants. Newletter // ArmRISTI, 28, Yerevan, 1979, 4 pp.
10. Нерсисян Г.С. Динамика накопления азота в растениях г. Еревана // Информационные
технологии и менеджмент, 10, Ереван, 2007, с. 123-129. Nersisyan G.S. The Dynamics of Nitrogen
Accumulation in Plants Growing in Yerevan City // Information Technologies and Management, 10,
2007, pp. 123-129 (in Armenian).
11. Илькун Г.М. Газаустойчивость растений // “Наукова думка”, Киев, 1971, 145 c.Ilkun
G.M. Gas Resistance of Plants // “Naukova dumka”, Kiev, 1971, 145 pp.
12. Оганесян А.А, Аветисян М.Г., Нерсисян Г.С. Фитоиндикация свинцового загрязнения в
г. Ереване // Вестник МАНЭБ, т.13, № 4, вып. 2, 2008, с. 54-56. Hovhannisyan H.A., Avetisyan
M.H., Nersisyan G.S. Phytoindication of pollution with lead in Yerevan // Vestnik MANEB, v.13, №
4, issue 2, 2008, pp. 54-56.
13. Оганесян А.А., Мурадян А.А., Нерсисян Г.С., Аветисян М.Г. Оценка состояния зеленых
насаждений города Еревана // Информационные технологии и менеджмент, 5, Ереван, 2008, с.
53-60. Hovhannisyan H.A., Muradyan A.H., Nersisyan G.S., Avetisyan M.H. Assesing the state of
green plantation in the city of Yerevan // Information Technologies and Management”, 5, 2008, pp.
53-60 (in Armenian).
PECULIARITIES OF METABOLISM
METABOLISM OF PLANTS UNDER CONDITIONS
OF THE CITY OF YEREVAN
G.S.Nersisyan, H.A.Hovhannisyan
The article considers some aspects of metabolism of plants under conditions of environmental
pollution with heavy metals and chlorine. Leaves of plants growing in severely polluted zones of
Yerevan displayed increasing contents of total nitrogen, and in tolerant species this occurred at the
expense of a protein form. On polluted sites, in the mid of vegetation period a drastic decrease of
nitrogen/metal and nitrogen/chlorine correlation was detectable. Studying quantitative changes in
forms of nitrogen and especially of protein nitrogen and values of nitrogen/toxicant relations may
serve as criteria when indicating the species tolerance and assessing pollution levels of sites.