Study of the dynamics of ecological and biochemical parameters of Aegopodium podagraria leaf in the gradient of soil pollution with heavy metals in recreational areas of Nizhny Novgorod

Full Text

Введение

Тяжелые металлы (ТМ) являются одними из наиболее распространённых загрязнителей почв урбанизированных территорий, что во многом обусловлено поступлением этих поллютантов в окружающую среду при функционировании автомобильного транспорта [1–3]. ТМ поступают в окружающую среду в составе выхлопов (ранее при использовании этилированного бензина – Pb, сейчас в составе дизельного топлива – Cd). Кроме того, автомобильный транспорт является источником поступления в окружающую среду большого количества взвешенных твердых веществ (сажа, продукты износа кузовов, тормозных колодок, двигателей, шин, а также дорожного покрытия, нагар, аэрозоли, масла и др.), которые состоят из мелкодисперных частиц PM10, содержащих в том числе ТМ (Cu, Cd, Cr, Ni, Zn и др.) [1; 4]. Хотя ТМ выбрасываются автотранспортом в небольших количествах, они активно накапливаются в почве, так как способны связываться с компонентами гумуса и глинистыми минералами [5]. При этом миграция ТМ из гумусового горизонта в более глубокие горизонты почвы происходит медленно. Например, по некоторым оценкам период полуудаления свинца из почвы составляет 740–5900 лет, цинка – 70–510 лет, кадмия – 13–110 лет, меди – 310–1500 лет [6; 7].

Сныть обыкновенная (Aegopodium podagraria L.) широко представлена в парках и скверах городов Европейской части России. Рекреационные зоны городов, расположенные вблизи автодорог, часто подвергаются загрязнению почвы ТМ. В то же время устойчивость сныти к воздействию тяжелых металлов и возможность использования показателей ее листа в биоиндикации изучена недостаточно хорошо.

Ранее на основе данных одного сезона наблюдения нами был оценен ряд биохимических и морфологических показателей листа A. podagraria и их связь с содержанием некоторых ТМ в почве [8]. Однако, многолетний анализ такой связи не проводился.

Среди биохимических показателей растений одними из наиболее важных для оценки стрессовых эффектов поллютантов являются содержание фотосинтетических пигментов и интенсивность перекисного окисления липидов (ПОЛ) в листе. Интенсивность ПОЛ считается неспецифическим показателем стресса у растений при воздействии стресс-факторов любой природы, включая поллютанты [9–11]. В свою очередь, уровень хлорофиллов и каротинодидов в листе отражает способность растений поддерживать процесс фотосинтеза в стрессовых условиях [7; 12; 13]. Известно, что показатели растений связанные с процессом роста, в том числе масса и площадь листа, являются важными индикаторами интегрального ответа растений на стрессовые условия среды [7].

Целью исследования было изучение динамики интенсивности ПОЛ, содержания фотосинтетических пигментов в листе A. podagraria, а также массы и площади ее листа в градиенте загрязнения почвы тяжелыми металлами в рекреационных зонах г. Нижнего Новгорода.

Результаты исследования важны для оценки биоиндикационного значения изученных показателей, а также выявления закономерностей устойчивости растений к хроническому воздействию тяжелых металлов в условиях урбоэкосистем.

Материалы и методика исследований

Объектами исследования являлись образцы почвы и листья A. podagraria, собранные в 4 рекреационных зонах нагорных районов г. Нижнего Новгорода – лесопарк «Щелоковский хутор», парк им. А.С. Пушкина, сквер на территории ННГУ им. Н.И. Лобачевского, парк им. И.П. Кулибина. Условным контролем являлся лесопарк «Щелоковский хутор», представляющий собой естественный массив широколиственного леса, расположенный на окраине города вдали от источников загрязнения. Контрольный участок имеет серые лесные почвы с неморальным широкотравьем богатого видового состава [8]. Для изученных загрязненных участков основным источников поступления ТМ являются автодороги с интенсивным трафиком, расположенные у границ данных рекреационных зон. Эти зоны расположены на урбаноземах и имеют искусственные насаждения [8]. Исследование проводили в течение трех лет (2016, 2019 и 2021 гг.) в одних и тех же ценопопуляциях A. podagraria.

В 2016 г. в 4 рекреационных зонах по методу конверта были взяты образцы почвы (из горизонта А1) для определения валового содержания ТМ. Содержание ТМ (Cu, Pb, Zn, Cr) в почвах были выполнены в НИИ Химии при ННГУ им. Н.И. Лобачевского методом атомно-адсорбционной спектроскопии (для экстракции из почвы ТМ использовали концентрированную HNO₃). Показатель суммарной токсической нагрузки (Z) на почвы [14; 15] загрязненных рекреационных зон был почти в 2–3 раза выше, чем на почвы контрольного участка (табл. 1) [8].

В мае каждого года наблюдения закладывали 10 пробных площадок (каждая площадка 1 × 1 м) в каждой из 4 рекреационных зон (табл. 1). С каждой пробной площадки собирали 20 листьев с разных растений и объединяли в одну биологическую повторность для исследования ПОЛ (1 площадка – биологическая повторность, 10 повторностей для каждого участка, n = 10) [8]. Интенсивность ПОЛ оценивали: 1) по содержанию ТБК-активных продуктов ПОЛ, среди которых наиболее массовым является малоновый диальдегид (МДА) [19]; 2) по уровню диеновых конъюгатов по методике И.Д. Стальной (1977 г.) [20] и 3) оснований Шиффа – по методике И.А. Волчегорского с соавт. [21] с незначительными модификациями [8]. Содержание хлорофиллов и каротиноидов определяли в тех же листьях, что и продукты ПОЛ, согласно общепринятой методике, для экстрагирования пигментов использовали 80% ацетон [8; 22].

Таблица 1 – Валовое содержание тяжелых металлов (ТМ) в почвах изученных участков рекреационных зон г. Нижнего Новгорода (данные из статьи Савинова с соавт. [8] с изменениями, внесенными автором данной статьи)

Примечание. Z – показатель суммарной токсической нагрузки; * – p < 0,05; ** – p < 0,01 по отношению к контролю. Участки: 1 – лесопарк Щелоковский хутор; 2 – парк им. А.С. Пушкина; 3 – сквер на территории ННГУ им. Н.И. Лобачевского; 4 – парк им. И.П. Кулибина.

В 2021 г. наряду с биохимическими показателями оценивали массу и площадь листьев. Для этого с каждой из 10 пробных площадок в данной рекреационной зоне собирали по 5 листьев (n = 50 для каждой рекреационной зоны). Сырую массу листа определяли, взвешивая листья в день сбора на лабораторных весах с точностью до 1 мг. Затем сырые листья сканировали и определяли в программе LeafArea площадь листа в мм². Далее пронумерованные маркером листья высушивали сначала при комнатной температуре, затем в термостате при +60°C до абсолютно сухого состояния и взвешивали снова. Удельную площадь листа (SLA – specific leaf area) рассчитывали для каждого листа путем деления его абсолютной площади на сухую массу [23].

Результаты анализа уровня продуктов ПОЛ и пигментов в листьях A. podagraria, полученные нами в 2016 г. были опубликованы в статье А.Б. Савинова с соавторами [8]. Данные за 2019 и 2021 гг. были получены автором данной статьи и ранее не публиковались.

Статистический анализ результатов исследований проводили с помощью программ Statistica 12 и Биостатистика 4.03, используя однофакторный и двухфакторный дисперсионный анализ, а также t-критерий Стьюдента с поправкой Бонферрони для множественных парных сравнений. Нормальность выборочных распределений оценивали с помощью теста Шапиро–Уилка. Кроме того, был проведен корреляционный анализ по Пирсону для выявления связи между различными показателями листа и содержанием ТМ в почве.

Результаты исследований и их обсуждение

Результаты исследований показали, что в разные годы наблюдения отмечались качественно сходные ответы биохимических показателей листа на загрязнение почвы ТМ. Содержание фотосинтетических пигментов на загрязненных участках снижалось относительно контроля для всех лет наблюдения (табл. 2). В 2016 и 2019 гг. было выявлено снижение уровня хлорофиллов и каротиноидов на всех загрязненных участках, а в 2021 г. только на двух участках с наиболее высоким содержание ТМ в почве (табл. 2).

В то же время содержание различных продуктов ПОЛ в листе растений на загрязненных участках, напротив, было ниже контроля или не отличалось от контрольных значений во все годы наблюдения (табл. 2). Кроме того, в 2021 г. выявлено уменьшение массы (сухой и сырой) и площади листа (абсолютной и удельной) на загрязненном участке «сквер ННГУ» относительно контроля (табл. 3), что сопровождалось снижением уровня хлорофиллов и каротиноидов в данной ценопопуляции сныти во все годы наблюдения (табл. 2).

Таблица 2 – Содержание продуктов перекисного окисления липидов и фотосинтетических пигментов в листьях сныти в рекреационных зонах г. Нижнего Новгорода в течение трех лет наблюдения

Примечание. * – p < 0,05 по сравнению с контролем (выделено жирным шрифтом). В таблице представлено выборочное среднее ± стандартная ошибка (n = 10). Участки: К – контрольный участок – лесопарк Щелоковский хутор; 1 – парк им. А.С. Пушкина; 2 – сквер на территории ННГУ им. Н.И. Лобачевского; 3 – парк им. И.П. Кулибина. ДК – диеновые конъюгаты, МДА – малоновый диальдегид, ОШ – основания Шиффа, Хл – хлорофилл, Кар – каротиноиды.

Таблица 3 – Масса и площадь листьев, а также содержание в них воды и сухого вещества у сныти, произрастающей в рекреационных зонах г. Нижнего Новгорода в 2021 г.

Примечание. * – p < 0,05 по сравнению с контролем (выделено жирным шрифтом). В таблице представлено выборочное среднее ± стандартная ошибка (n = 10). SLA – leaf specific area.

Двухфакторный дисперсионный анализ показал, что факторы «Год наблюдения» и «Рекреационная зона» статистически значимо влияли на содержание всех продуктов ПОЛ и фотосинтетических пигментов в листе (p < 0,05). Например, для уровня диеновых конъюгатов и хлорофилла b у растений были получены следующие результаты для фактора «Год наблюдения»: F = 83; p = 0,001 (диены) и F = 34; p = 0,001 (хлорофилл b). Аналогично для фактора «Рекреационная зона» было показано: F = 14; p = 0,001 (диены) и F = 56; p = 0,001 (хлорофилл b). Однофакторный дисперсионный анализ для массы (сырая и сухая) и площади (абсолютная и удельная) листа выявил значимое влияние фактора «Рекреационная зона» (F = 19; p = 0,001). Таким образом, результаты дисперсионного анализа указывают на межгодовые различия для изученных биохимических показателей, а также на возможное влияние загрязнения почвы ТМ на уровень продуктов ПОЛ и пигментов в листе, а также массу и площадь листа A. podagraria, в годы наблюдения, для которых не проводился анализ валового содержания ТМ в почве. Об этом свидетельствует показанное дисперсионным анализом статистически значимое влияние фактора «Участок» на изученные биохимические показатели листа во все годы наблюдения, а также его массу и площадь в 2021 г. Кроме того, известно, что накопление ТМ в почве при функционировании автотранспорта происходит медленно, так как ТМ поступают в небольших количествах в окружающую среду преимущественно в составе мелкодисперсной пыли [1]. Поэтому в период с 2016 по 2021 гг. маловероятно существенное изменение уровня ТМ в почве изученных рекреационных зон, для которых основным источником ТМ являются расположенные по периметру этих зон автодороги.

Корреляционный анализ связи изученных биохимических показателей листа с валовым содержанием ТМ в почве показал статически значимую корреляцию по Пирсону только с медью. В 2016 г. для некоторых пигментов отмечалась сильная отрицательная корреляция с валовым содержание меди: хлорофилл a (r = −0,97; p = 0,003) и хлорофилл b (r = −0,98; p = 0,016), что указывало на значительный токсический эффект меди на состояние фотосинтетического аппарата [8]. В 2019 г. для фотосинтетических пигментов также были получены сильные обратные корреляции с валовым содержанием меди в почве (хлорофилл a: r = −0,95; p = 0,049; каротиноиды: r = −0,96; p = 0,039). Хорошо известна способность ТМ снижать уровень фотосинтетических пигментов путем нарушения их биосинтеза, а также разрушения хлорофиллов [7]. По-видимому, среди изученных ТМ медь вносит наибольший вклад в выявленный токсический эффект загрязненной почвы, так как в восставленной форме может быть донором электрона и влиять на редокс-статус клеток растений.

Для некоторых продуктов ПОЛ также была выявлена сильная отрицательная корреляция с содержанием меди в почве. В 2016 г. уровень конечных продуктов ПОЛ оснований Шиффа демонстрировал данную связь (r = −0,98; p = 0,016) [8]. Известно, что сильные стрессоры увеличивают интенсивность ПОЛ у растений [10; 11]. Однако при явлении гормезиса (стимуляция низкими дозами стрессора и ингибирование его высокими дозами) возможно снижение ПОЛ за счет значительной активации антиоксидантной защиты [24; 25]. По-видимому, ТМ вызывали горметическую стимуляцию антиоксидантной защиты в листе A. podagraria. Однако, на фоне снижения уровня ПОЛ отмечались ингибирующие эффекты ТМ в отношении фотосинтетических пигментов, а также массы и площади листа, что вероятно можно рассматривать как проявление адаптационного компромисса (стимуляция одних показателей организма на фоне ингибирования других) [26; 27]. Это явление хорошо известно для гормезиса и может наблюдаться при переходе от низкодозового стресса к высокодозовому стрессу. При этом защитные системы растений, в том числе антиоксидантная, ингибируются в последнюю очередь при увеличении дозы стрессора, так как являются наиболее критически важными для выживания в стрессовых условиях среды [27].

Для массы и площади листа не были выявлены корреляции с содержанием меди в почве, что, по-видимому, обусловлено опосредованными эффектами тяжелых металлов на процессы роста листа через нарушение биохимических процессов, в частности, снижения эффективности функционирования фотосинтетического аппарата из-за снижения содержания фотосинтетических пигментов.

Таким образом, нами показано разнонаправленное изменение изученных биохимических показателей листа в градиенте загрязнения почвы ТМ, что нужно учитывать при выборе биоиндикационных показателей A. podagraria. Уровень хлорофиллов был наиболее чувствительным к загрязнению почвы ТМ среди изученных показателей листа, что проявлялось в снижении содержания этих пигментов во все годы наблюдения на загрязненных участках.

Выводы

1. В течение 3 лет наблюдения на 3 загрязненных участках зафиксировано снижение уровня хлорофиллов и каротиноидов в листеA. podagraria относительно контроля, что сопровождалось уменьшением массы (сырой и сухой) и площади (абсолютной и удельной) листьев на участке с наиболее высоким содержание меди в почве в 2021 г.
2. Вместо типичного для сильного стресса увеличения интенсивности ПОЛ нами в течение 3 лет наблюдения показано снижение этого показателя на загрязненных участках относительно контроля, что может быть связано с явлением гормезиса и указывает на способностьA. podagraria поддерживать перекисный гомеостаз даже в условиях загрязнения почвы ТМ.
3. Дисперсионный анализ показал межгодовые различия для уровня всех пигментов и продуктов ПОЛ в листе растений на всех участках, а также влияние уровня загрязнения на все изученные показатели листа.
4. В 2016 и 2019 гг. были выявлены сильные обратные корреляции между уровнем фотосинтетических пигментов и валовым содержание меди в почве, что, вероятно, обусловлено более высокой биологической активностью меди по сравнению в другими изученными ТМ.

About the authors

Elena Aleksandrovna Erofeeva

Author for correspondence.
Email: ele77785674@yandex.ru

doctor of biological sciences, professor of Ecology Department

References

Supplementary files