Оценка влияния антропогенной нагрузки на замедленную флуоресценцию высших растений урбанизированных территорий

Размещено на http://www.allbest.ru

Оценка влияния антропогенной нагрузки на замедленную флуоресценцию высших растений урбанизированных территорий

Современная урбанизация является одним из важнейших факторов антропогенного воздействия на природу, формирующих глобальную экологическую ситуацию. Территории городов и пригородных зон постоянно испытывают повышенную антропогенную нагрузку, что влечет за собой деградацию и перерождение зональных естественных биоценозов, приводит к снижению их общей продуктивности, нарушениям метаболизма, как отдельных живых организмов, так и целых экосистем. Высокий уровень техногенной нагрузки в городе предполагает разработку и внедрение объективных методов контроля загрязнения для оценки текущего состояния и тенденций развития ситуации в будущем.

Следует отметить, что конечная цель самого экологического контроля состоит не в выяснении превышения предельно допустимых норм контролируемых параметров, то есть степени загрязнения окружающей среды, а в оценке влияния этих параметров на биологические объекты. Поэтому эффективнее получать информацию о том, как загрязнение действует непосредственно на живые организмы. С этой точки зрения наиболее удобным индикатором являются растения, так как они подвержены непрерывному влиянию существующих вредных факторов и остро реагируют на них.

Таким образом, встает вопрос о создании метода оценки функционального состояния самих растений. Принципиальное значение в этом отношении имеет получение информации задолго до того, как результат внешних воздействий на организмы проявится в видимых признаках, таких, как изменение формы и задержка роста клеток, уменьшение численности клеточной популяции и общей биомассы. В зеленных клетках техногенные загрязнения на начальных стадиях вызывают заметные изменения в физиолого-биохимических процессах, особенно в фотосинтезирующих хлоропластах. Нарушается функционирование фотосинтетических мембран и отключаются электронтранспортные процессы, приводящие к выделению кислорода. Эти нарушения резко снижают способность растений противостоять антропогенным воздействиям и поддерживать состояние окружающей среды. Поэтому опасность техногенных загрязнений рекомендуется определять по регистрации интенсивности фотосинтеза растений, которая является самой чувствительной функцией растительной клетки /1/.

Характер изменения процесса фотосинтеза непосредственно отражается в изменении флуоресценции хлорофилла в фотосинтетических мембранах клеток. По так называемым индукционным кривым флуоресценции представляется возможным судить не только об эффективности энергозапасающих процессов фотосинтеза, но и о состояние мембран хлоропластов или даже экологических систем /2/.

Источником флуоресценции в растительной клетке являются светособирающие молекулы пигментов, причем подавляющая часть флуоресценции в нормальных условиях обусловлена хлорофиллом а фотосистемы 2.

Флуоресценция - это один из путей рассеяния энергии, захваченной пигментом во время облучения. После поглощения кванта света хлорофиллом энергия в течение 10-8-10*9 с находится в физической форме (возбужденная молекула), после чего происходит ее переход в тепло, выделение в виде лучистой энергии (флуоресценции) или утилизация в химических связях продуктов фотосинтеза /3/.

Соотношение различных путей использования энергии поглощенных квантов света может изменяться в зависимости от функциональной активности фотосинтетического аппарата.

При активном фотосинтезе, когда все РЦ находятся в открытом рабочем состоянии, в условиях слабого освещения почти вся поглощенная энергия света используется в процессе фотосинтеза. Неиспользованная часть энергии электронного возбуждения (не более 3-5%) переходит в энергию света флуоресценции в виде так называемой фоновой флуоресценции F0. Как правило, в нормальных условиях величина F0 мала, что говорит об активном использовании клетками энергии поглощенного света. Но если при каких-либо воздействиях нарушается состояние фотосинтетических мембран, то центры (РЦ) переходят в неактивное (закрытое) состояние, когда происходит прекращение потока электронов в первичных процессах фотосинтеза. В этих условиях поглощенная энергия света уже не может использоваться в фотосинтезе, поэтому и флуоресценция хлорофилла возрастает.

Замедленная флуоресценция (ЗФ) заключается в том, что после светового возбуждения в фотосинтезирующих клетках наблюдается слабое (сверхслабое), длительно затухающее свечение, испускаемое хлорофиллом. Такое свечение возникает уже после прекращения действия возбуждающего света за счет энергии, выделяемой в ходе темновых реакций первичных фотопродуктов фотосинтеза в РЦ.

Изменения флуоресценции хлорофилла iп vivо, связанные с изменением в скорости фотосинтеза, приписываются изменениям в строении или в структуре хлорофиллового комплекса. Прослеживая временной ход интенсивности флуоресценции, можно получить также сведения о роли синглетных состояний в зарождении фотохимической реакции, так как флуоресценция является показателем выхода первичного фотохимического процесса. Таким образом, по изменениям интенсивности флуоресценции можно судить о кинетике фотохимических реакций в процессе фотосинтеза.

Возможность проведения исследования фотосинтетической активности без повреждения исследуемых объектов, относительная простота измерений и высокая информативность получаемых данных составляют преимущества метода оценки состояния растения на основе регистрации флуоресценции хлорофилла. флуоресценция хлорофилл растение фотосинтетический

Этот метод был положен в основу нашей работы по оценке влияния антропогенной нагрузки на растительные организмы.

Материалом для исследований послужили три вида древесных растений: клен, вяз мелколистный (карагач) и тополь. Выбор видов растений определялся их наибольшей распространенностью в пределах города. Для каждой из пород использовались особи примерно одного возраста. В лабораторию материал доставлялся в виде срезанных веток, длиной 20-25 см, погруженных нижней частью в емкости с водой. Период от начала сбора образцов до момента регистрации замедленной флуоресценции не превышал двух часов, что обеспечивало минимальное влияние на них увядания, а также изменения внешних и внутренних факторов. Для каждой породы сбор всех образцов проводился в течение одного дня. Пробы отбирались на территории 20 улиц, расположенных в разных районах города, различающихся по техническим категориям, структуре и интенсивности проходящих по ним транспортных потоков.

Для регистрации замедленной флуоресценции использовали высокочувствительную установку /4/, сконструированную на основе электронных блоков системы «Вектор». Данная установка позволяет индуцировать и регистрировать послесвечение отдельных листовых пластинок. (Рисунок 1а и б).

Отделенный лист, помещается в кювету из светопроводящего материала, расположенную под фотоумножителем ФЭУ-82 с сурьмяно-цезиевым катодом, чувствительным в красной области спектра (4). С помощью блока управления (3) подается запирающее напряжение на динод ФЭУ (5) и одновременно с этим импульс на светодиоды (4), в результате чего происходит облучение объекта в течение - 0,1 сек. По истечении этого времени подается напряжение на запуск счетного одноканального прибора ПСО (8), который регистрирует импульсы после их усиления (6,7).

Размещено на http://www.allbest.ru

Рисунок 1 - Схема устройства для регистрации замедленной флуоресценции хлорофилла

Кинетическая кривая замедленной флуоресценции нами рассматривалась в виде суммы двух экспонент:

,

где G, D - коэффициенты, зависящие от содержания хлорофилла в растении, имп.;

a, b - постоянные связанные с перераспределением энергии в растении, .

Результаты и их обсуждение

На основании результатов проведенных нами исследований можно представить следующую сравнительную характеристику параметров замедленной флуоресценции в зависимости от вида растения и улиц.

Таблица 1 - Сравнительная характеристика параметров замедленной флуоресценции G, D, a, b

По результатам проведенного анализа установлено, что показатели замедленной флуоресценции листьев изученных пород деревьев по-разному реагируют на уровень техногенного загрязнения территории в местах своего произрастания. Учитывая наличие взаимосвязи между количеством примесей в воздухе над дорожным полотном и интенсивностью транспортного потока, особенно на дорогах высокой технической категории (таковыми являются улицы общегородского и районного значения), а также технологическими параметрами дороги, определяющими скорость движения по ней можно сделать следующий вывод.

Как следует из таблицы растения, произрастающие на улицах с высоким уровнем антропогенной нагрузки (пр.Гагарина, ул. Терешковой, пр. Победы, ул. Цвиллинга, пр. Парковый) характеризуются более высоким уровнем замедленной флуоресценции, чем растения - на улицах с низкой антропогенной нагрузкой (ул. Уральская, Илекское шоссе, Беляевское шоссе).

Список источников

1. Быкова Л.А., Ефремов И.В. Экологическая оценка изменения состояния фотосинтетического аппарата растений в результате загрязнения агроландшафтов гербицидами// Проблемы геоэкологии, охраны окружающей среды и управление качеством экосистем. Всероссийская научно-практическая конференция. - Оренбург, ИПК ГОУ ОГУ, 2006. - С. 81-84.

2. Рубин А.Б. Биофизические методы в экологическом мониторинге//Соросовский Образовательный Журнал.- 2000. - № 4.

3. Люминесценция растений: Теоретические и практические аспекты/ В.А. Веселовский, Т.В. Веселова. - М.: Наука, 1990. - 200 с.

4. Ефремов И.В., Межуева Л.В., Быкова Л.А. Устройство для регистрации замедленной флуоресценции. Решение о выдаче патента на изобретение от 11.06.02 г., по з-ке № 2002115607.

Размещено на Allbest.ru