Еколого-фізіологічні особливості азотного обміну декоративних однорічних рослин як індикатора забруднення промислових територій залізом та хромом

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

дніпропетровський національний університет

УДК 502.3:581.5:504.054:504.73

Еколого-фізіологічні особливості азотного обміну декоративних однорічних рослин як індикатора забруднення промислових територій залізом та хромом

03.00.16 - екологія

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата біологічних наук

іванченко ольга євгенівна

Дніпропетровськ - 2006

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі садово-паркового господарства Дніпропетровського державного аграрного університету

Науковий керівник:доктор біологічних наук, професор Бессонова Валентина Петрівна, Дніпропетровський державний аграрний університет, кафедра садово-паркового господарства, завідувач

Офіційні опоненти:доктор біологічних наук, професор Сметана Микола Григорович, Криворізький технічний університет, кафедра прикладної екології, завідувач

кандидат біологічних наук Ліханов Артур Федорович, Донецький національний університет, кафедра ботаніки та екології, доцент

Провідна установа:Національний ботанічний сад ім. М.М. Гришка НАН України, м. Київ

Захист відбудеться „4” липня 2006 р. о 10:00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 08.051.04 для захисту дисертацій на здобуття наукового ступеня доктора біологічних наук у Дніпропетровському національному університеті за адресою: 49050, м. Дніпропетровськ, вул. Наукова, 13, корпус 17, біолого-екологічний факультет, ауд. 611.

З дисертацією можна ознайомитися у науковій бібліотеці Дніпропетровського національного університету за адресою: 49050, м. Дніпропетровськ, вул. Козакова, 8.

Автореферат розісланий „01” червня 2006 р.

Учений секретар

спеціалізованої вченої ради,

кандидат біологічних наук, доцент А.О. Дубина

забруднення залізо цвітіння рослина

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Серед численних екологічних чинників небажаної трансформації середовища особливо небезпечним є забруднення повітряного басейну промисловими викидами різноманітних хімічних речовин, у тому числі сполуками заліза та хрому, які є пріоритетними інгредієнтами викидів металургійних підприємств. Рослинні організми за умов техногенезу виконують не тільки естетичну, але й санітарно-гігієнічну роль, функціонуючи як універсальні природні фільтри. Еколого-фізіологічні реакції рослин на дію забруднення довкілля відіграють переважну роль у визначенні їх стійкості до несприятливих умов. Серед них особливе значення мають характеристики азотного обміну. У літературі є відомості про порушення перетворення азотвмісних сполук за дії фенолів (Фитотоксичность.., 1986), оксидів сірки (Сергейчик, 1984) і азоту (Коршиков, Гасанбекова, 1991), аміаку (Игнатенко, 1978). Вивчено зміну окремих показників асиміляції азоту під впливом деяких важких металів (Пельтихина, Щацкая, 1977; Єрьомка, 1991). Але глибокі та комплексні дослідження цього питання, а також дані з оптимізації і використання показників азотного обміну для екологічного фітомоніторингу довкілля майже відсутні. Це стосується і таких металів, як залізо та хром, особливо їх сумісної дії. У даній роботі вирішуються саме ці маловивчені аспекти важливої еколого-фізіологічної проблеми, що і визначає її актуальність.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дослідження проведені згідно з планом науково-дослідної роботи кафедри садово-паркового господарства Дніпропетровського державного аграрного університету “Еколого-біологічні аспекти фітооптимізації антропогенно трансформованого середовища Придніпровського економічного регіону за участю інтродуцентів та аборигенних видів” (2005-2007 рр.) (№ ДР 0105U001441) та в рамках держбюджетних тем Запорізького національного університету: “Динаміка продукційного процесу як основа інтегрального моніторингу для забезпечення ранньої індикації екологічних змін екосистем” (2000-2002 рр.) (№ ДР 0100U001730); “Фотосинтез і продуктивність фітоценозів за дії на рослини комплексу забруднювачів довкілля” (2003-2005 рр.) (№ ДР 0103U000728).

Мета і завдання дослідження. Мета роботи - установити вплив забруднення довкілля сполуками заліза та хрому на еколого-фізіологічні особливості азотного живлення декоративних однорічних рослин, виявити інформативні тест-показники та тест-об'єкти для фітоіндикаційних досліджень, оцінити можливість екологічного нормування росту і цвітіння рослин шляхом впливу на метаболізм азоту полістимуліну К.

Для досягнення мети необхідно було вирішити такі завдання:

– визначити характер динаміки накопичення заліза та хрому, за умов забруднення ними довкілля, декоративними однорічними рослинами на органному та тканевому рівнях;

– проаналізувати вплив надлишкових концентрацій заліза та хрому на морфометричні показники кореневих систем декоративних квітникових рослин та їх поглинальну здатність;

– виявити специфіку впливу надлишку Fe²⁺ та Cr³⁺ на поглинання нітратів і амонію декоративними однорічними рослинами та вміст цих форм азоту у вегетативних органах рослинних об'єктів;

– установити дію забруднення середовища вирощування сполуками заліза та хрому на характер змін активності ферментів асиміляції нітратного й амонійного азоту в органах квітникових рослин як індикатора стану довкілля;

– надати оцінку напрямку змін умісту форм азоту, білка та амінокислот у вегетативних органах, різних за толерантністю до надлишку сполук заліза та хрому декоративних однорічних рослин;

– на основі комплексного вивчення еколого-фізіологічних реакцій азотного обміну рослин у відповідь на дію токсичних концентрацій заліза та хрому виявити тест-параметри та тест-об'єкти для фітоіндикації стану довкілля;

– установити можливість екологічного нормування росту і цвітіння квітникових рослин шляхом оптимізації метаболізму азоту полістимуліном К за умов забруднення оточуючого середовища сполуками заліза та хрому.

Об'єкт дослідження - декоративні однорічні рослини промислових територій, забруднених сполуками заліза та хрому, а також умовно чистої зони.

Предмет дослідження - еколого-фізіологічні особливості азотного обміну різних за толерантністю до надлишку заліза та хрому видів декоративних однорічних рослин, тест-параметри та тест-об'єкти для фітоіндикації забруднення довкілля, екологічне нормування стану рослин полістимуліном К.

Методи дослідження. Стандартні методи польових та лабораторних екоморфологічних, екоанатомічних та екофізіологічних досліджень, метод атомно-абсорбційної спектрофотометрії, гістохімічні методи, методи спостереження, аналізу, синтезу, біометричний облік отриманих результатів.

Наукова новизна. Вивчено локалізацію заліза та хрому в тканинах органів декоративних однорічних рослин, запропоновано побальну шкалу акумуляції цих металів в гістологічних елементах дослідних об'єктів для оцінки рівня забруднення техногенних територій. Оригінальними є результати з визначення характеру сумісної дії надлишку Fe²⁺ та Cr³⁺ і кожного з них на поглинання нітратного та амонійного азоту рослинами, їх накопичення у вегетативних органах. Уперше досліджено дію фітотоксичних концентрацій заліза та хрому на активність ферментів асиміляції азоту (глутамінсинтетази, глутаматсинтази, глутаматдегідрогенази). На основі змін у перебігу реакцій асиміляції азоту виявлено тест-показники та тест-об'єкти для екологічного моніторингу стану довкілля, забрудненого сполуками цих елементів. Опрацьовано заходи екологічної оптимізації азотного обміну декоративних однорічних рослин, активації їх росту та цвітіння обробкою полістимуліном К.

Практичне значення одержаних результатів. Розроблені рекомендації щодо оптимізації азотного метаболізму декоративних однорічних рослин, їх росту та цвітіння за умов забруднення довкілля сполуками заліза та хрому. Рекомендовано побальну шкалу рівня локалізації цих металів у гістологічних елементах рослин за інтенсивністю гістохімічних реакцій для порівняння ступеня їх акумуляції в тканинах рослин, а також як експрес-метод визначення ступеня забруднення техногенних територій. Запропоновано інформативні тест-параметри та тест-об'єкти для моніторингу забруднення довкілля сполуками заліза та хрому, а також оцінки стану рослин за цих умов. Результати досліджень впроваджено в навчальний процес при викладанні курсів „Загальна екологія”, “Фізіологія рослин з основами біотехнології”, спецкурсу “Декоративне квітництво”. Розроблені практичні рекомендації використовуються цехом промислової естетики Запорізького електро-металургійного заводу “Дніпроспецсталь”, Державним комунальним ремонтно-будівельним підприємством “Зеленбуд” (м. Запоріжжя). Визначені тест-показники та тест-об'єкти рекомендовані до впровадження в регіоні Державним управлінням екології та природних ресурсів у Запорізькій області.

Особистий внесок здобувача. Дисертаційна робота виконана автором і є самостійним завершеним дослідженням. Здобувачем розроблена програма, відпрацьовано методи досліджень, виконано експеримент, проведено аналіз, узагальнення та інтерпретацію одержаних даних, сформульовано висновки і практичні рекомендації. У дисертаційну роботу включено ту частину опублікованого матеріалу, яка виконана автором особисто, тому співавтори публікацій претензій не мають. Доля особистої участі дисертанта у написанні та підготовці публікацій до друку складає 60-90 %.

Апробація роботи. Основні результати дисертації доповідались та обговорювались на Міжнародних конференціях „Проблеми сучасної екології” (Запоріжжя, 2002), „Проблеми збереження, відновлення та збагачення біорізноманітності в умовах антропогенно-зміненого середовища” (Кривий Ріг, 2005); Міжнародній науково-практичній конференції „Оптимізація агроландшафтів: раціональне використання, рекультивація, охорона” (Дніпропетровськ, 2003); IV Міжнародній науковій конференції „Промислова ботаніка: стан та перспективи розвитку” (Донецьк, 2003); ІІ Міжнародній науково-практичній конференції „Динаміка наукових досліджень `2003” (Дніпропетровськ, 2003); ІІ Міжнародній науковій конференції „Биотехнология - охране окружающей среды” (Москва, 2004); Міжнародній науковій конференції „Каразинські природознавчі студії” (Харків, 2004); науково-практичній конференції “Перспективные разработки науки и техники” (Бєлгород-Дніпропетровськ, 2004); ІІ Міжнародній науковій конференції „Відновлення порушених природних екосистем” (Донецьк, 2005); VI науково-практичній конференції „Стратегия выживания. Адаптация и реабилитация населения Украины в условиях техногенных перегрузок” (Дніпропетровськ, 2005); VIII Міжнародній науково-практичній конференції „Наука і освіта `2005”; Всеукраїнських науково-практичних конференціях „Фізіологія рослин та екологія” (Дніпропетровськ, 2003), „Екологічні дослідження у промислових регіонах України” (Дніпропетровськ, 2005); Міжнародній конференції молодих учених “Сучасні проблеми екології” (Запоріжжя, 2005).

Публікації. За темою дисертації опубліковано 25 робіт, серед яких 11 - статті у наукових фахових виданнях, що входять до переліку, затвердженого ВАК України, 14 - у матеріалах і тезах конференцій.

Структура і обсяг роботи. Дисертація складається із переліку умовних скорочень, вступу, 7 розділів, висновків і практичних рекомендацій, списку використаних джерел (467 публікацій, у тому числі 153 - іноземною мовою), додатків. Загальний обсяг дисертації становить 293 сторінки, з них основний зміст викладений на 165 сторінках машинописного тексту, який ілюстровано 53 таблицями, 41 рисунком, з яких 8 - фотографії.

основний зміст роботи

Обґрунтування проблеми дослідження (огляд літератури)

У розділі розглянуто джерела забруднення довкілля сполуками заліза та хрому, проаналізовано роботи науковців щодо впливу цих металів на еколого-фізіологічні реакції рослин, у тому числі і на метаболізм азоту, узагальнено інформацію про фітоіндикаційні дослідження як метод оцінки стану довкілля. Виявлено, що питання впливу надлишкових концентрацій заліза і хрому на аутекологічні аспекти азотного обміну декоративних однорічних рослин практично не вивчено. Можливість використання показників цієї ланки метаболізму рослин у фітоіндикації забруднення навколишнього середовища майже не досліджена.

Фізико-географічна та екологічна характеристика району досліджень. Об'єкти і методи досліджень

Надано стислу характеристику рельєфу, ґрунтового покриву, кліматичних та екологічних умов Запорізької області та її обласного центра. Дослідження проводились на ділянках, що були закладені на території Запорізького електрометалургійного заводу „Дніпроспецсталь” та прилеглих майданчиках (пріоритетні забруднювачі - сполуки заліза та хрому) і відрізнялися рівнем вмісту цих металів у ґрунті (ділянка 1 > ділянка 2 > ділянка 3). Контрольні рослини вирощували в умовно чистій зоні („Зеленгосп”). Як об'єкти дослідження використано 10 видів декоративних однорічних рослин. Вихідною передумовою для постановки польового експерименту було суворе додержування вирівняності агрохімічного фону при вирощуванні рослин. Розміщення ділянок у досліді з полістимуліном К проводили рендомізованим методом. Половину рослин дослідного і контрольного варіантів обробляли розчином цитокініну (10 мг/л діючої речовини) шляхом обприскування (40 мл/м²), інші - такою самою кількістю дистильованої води.

У модельному експерименті рослини вирощували у водній культурі на живильному середовищі Кнопа з додаванням мікроелементів за Хоглендом. Залізо та хром додавали у вигляді таких сполук: CrCl₃·6Н₂О та FeSO₄•7Н₂О. Оцінку морфометричних показників здійснювали за Р.М. Клейном і Д.Т. Клейном (1974), пошкодження листкової поверхні - за В.С. Ніколаєвським (1979), стан кореневих систем - за методиками у роботі Б.І. Якушева (1974). Кількість металів у зразках ґрунту і рослин визначали методом атомно-абсорбційної спектроскопії (Славин, 1971), локалізацію Fe і Cr у гістологічних елементах - гістохімічними методами (Кононский, 1976); уміст загального азоту - за Х.Н. Починком (1976), білкового і небілкового азоту - хлорамінним методом, білка - методом Лоурі, нітратного азоту - дисульфофеноловим методом, аміачного азоту - методом Конвея (Плешков, 1985), вільних амінокислот - на амінокислотному аналізаторі Т-339 (Штеменко, 1993); активність нітратредуктази - за Мульдером (Плешков, 1985), глутамінсинтетази - за А.В. Пушкіним із співавт. (1980), глутаматсинтази - за В.Р. Шатіловим із співавт. (1978), глутаматдегідрогенази - за прописом у роботі Г.Ш. Ткемаладзе (1981), інтенсивність пероксидного окиснення ненасичених жирних кислот у тканинах - за М.М. Мусієнко та ін. (2001).

Моніторинг стану довкілля за накопиченням заліза та хрому у вегетативних органах декоративних однорічних рослин

Накопичення інгредієнтів промислових викидів рослинами є інформативним показником стану довкілля за умов техногенного навантаження (Бессонова, 1991; Сметана, 2002). Установлено істотну акумуляцію заліза та хрому у вегетативних органах декоративних однорічних рослин, що зростали на ділянці електрометалургійного заводу, стосовно фонового рівня.

Таблиця 1 Коефіцієнт відносного накопичення заліза та хрому у вегетативних органах декоративних однорічних рослин за умов забруднення довкілля сполуками цих металів

Найбільш істотно важкі метали накопичуються в тканинах коренів, щодо листків дослідних об'єктів, причому у більшій мірі наприкінці вегетації. За рівнем умісту заліза і хрому в органах рослин їх можна ранжувати так: Begonia Ч Ч semperflorens ? Salvia splendens > Lathyrus odoratus = Calendula officinalis > >Petunia Ч hybrida > Tagetes patula. Для оцінки стану рослин і фітомоніторингу довкілля з використанням квітникових рослин доцільніше застосовувати не абсолютну кількість металів, а коефіцієнт їх відносного накопичення. Найінформативнішими тест-об'єктами за цим показником є Begonia Ч semperflorens, Calendula officinalis, Salvia splendens і Lathyrus odoratus (табл. 1).

Вивчено локалізацію заліза та хрому в гістологічних елементах органів квітникових рослин (табл. 2).

Таблиця 2 Інтенсивність гістохімічних реакцій у гістологічних елементах коренів Lathyrus odoratus, бали

Складено побальну шкалу локалізації металів за інтенсивністю гістохімічних реакцій тканин, яку можна використовувати для порівняння ступеня накопичення цих елементів в анатомічних структурах різних за стійкістю видів рослин, а також як експрес-метод для визначення рівня забруднення техногенних територій.

Вплив надлишку заліза та хрому на поглинання нітратів і амонію різними за толерантністю видами декоративних квітникових рослин

Одним із найважливіших етапів мінерального живлення рослин, на який впливають різні екологічні чинники, є надходження неорганічного азоту. Спостерігається гальмування поглинання нітратів і амонію квітниковими рослинами за умов впливу на них токсичних концентрацій Fe²⁺ та Cr³⁺. Залежно від тривалості вирощування рослин у середовищі, забрудненому важкими металами, посилюється їх негативний вплив, особливо у Lathyrus odoratus - чутливого за морфологічними ознаками виду. Уміст нітратного азоту у рослинах знижується за дії надлишку металів, у більшій мірі - у вегетативних органах Lathyrus odoratus. За ступенем токсичної дії варіанти досліду можна ранжувати так: Fe²⁺+Cr³⁺>Cr³⁺>Fe²⁺.

За дії важких металів збільшується кількість аміачного азоту в органах рослин, найбільш істотно у коренях Lathyrus odoratus. Підвищення його кількості в тканинах рослин на тлі дії заліза та хрому може бути наслідком прискореного розпаду білка і/або гальмування амінування органічних кислот і утворення амідів. Установлено інгібування активності ферментів, що каталізують реакції утворення глутамату і глутаміну - глутаматсинтази і глутамінсинтетази в органах рослин, що зазнали впливу фітотоксикантів.

Пригнічення надлишком Fe²⁺ і Cr³⁺ світлових реакцій фотосинтезу (фотохімічна активність хлоропластів, фотовідновлення НАДФ) діє негативно на асиміляцію азоту в листках декоративних квітникових рослин через місця взаємодії на рівні енергетичних еквівалентів і ферментів.

Однією з причин пригнічення поглинання NO₃- і NH₄⁺ є зменшення розмірів кореневої системи рослин, її абсорбуючої поверхні. Надлишок заліза і хрому спричиняє гальмування росту головного і бічних коренів, падіння об'єму кореневих систем, скорочення розмірів загальної, недіяльної і у більшій мірі діяльної кореневих поверхонь (табл. 3). Остання обумовлює поглинальну здатність рослин.

Таблиця 3 Вплив забруднення ґрунту сполуками заліза та хрому на діяльну і недіяльну поверхні кореневих систем декоративних однорічних рослин, м²

Зниження площі кореневої поверхні пояснюється в першу чергу інгібуванням росту та галуження коренів, пригніченням формування кореневих волосків, скороченням їх кількості на одиницю поверхні, а також зменшенням їх параметрів. Найменше пригнічення росту підземної частини встановлено у рослин Tagetes patulа, найбільше - у Lathyrus odoratus і Salvia splendens, що дає змогу використовувати останні як види-індикатори для оцінки навантаження довкілля сполуками заліза та хрому.

Фітоіндикація забруднення довкілля сполуками заліза та хрому за показниками азотного обміну декоративних однорічних рослин

Фітоіндикація забруднення довкілля може здійснюватися на різних рівнях організації живого. Велика увага приділяється розробці біохімічних методів тестування (Мэннинг, Федер, 1985; Биоиндикация.., 1988).

Біомоніторинг стану оточуючого середовища за зміною вмісту форм азоту у вегетативних органах декоративних квітникових рослин. За умов забруднення ґрунту сполуками заліза та хрому спостерігається падіння вмісту нітратів у листках квітникових рослин щодо контролю. У коренях рослинних об'єктів кількість NO₃- зменшується тільки на початку досліду, а надалі підвищується, що є наслідком найбільш істотного гальмування активності ключового ферменту асиміляції нітратів - нітратредуктази, ніж пригнічення їх поглинання за дії важких металів. Найінформативнішим тест-об'єктом для фітоіндикаційних досліджень за цим показником є Lathyrus odoratus, особливо у більш пізні строки вегетації. З цією метою рекомендуємо використовувати листки, бо саме в них установлено однонаправленість змін умісту нітратів протягом експерименту.

Надлишок заліза та хрому у ґрунті спричиняє збільшення концентрації аміачного азоту в тканинах органів рослин щодо норми. У листках відносно толерантних видів Xeranthemum annuum, Antirrhinum majus підвищення кількості NH₄⁺ спостерігається на тлі найбільшого рівня забруднення металами (ділянка 1), у той час як на ділянках 2 і 3 його вміст практично не змінюється порівняно з показниками у рослин умовно чистої зони (рис. 1).

Рис. 1. Уміст аміачного азоту в листках квітникових рослин залежно від рівня забруднення ґрунту сполуками заліза та хрому, % до контролю: I - Begonia Ч semperflorens; II - Lathyrus odoratus; III - Tagetes patula; IV - Petunia Ч hybrida; V - Antirrhinum majus; VI - Calendula officinalis; VII - Impatiens balsamina; VIII - Xeranthemum annuum; IX - Salvia splendens

У листках Begonia Ч semperflorens, Lathyrus odoratus, Calendula officinalis, Salvia splendens, Impatiens balsamina кількість амонійного азоту зростає стосовно контролю на всіх дослідних ділянках, суттєвіше - на ділянці 1. Begonia Ч semperflorens і Lathyrus odoratus, які характеризуються найбільшим умістом NH₄⁺ у листках щодо інших видів і мають чітко виражену реакцію „доза-ефект” доцільно використовувати у моніторингових дослідженнях.

Забруднення довкілля сполуками заліза та хрому не спричиняє змін у вмісті загального азоту у листках толерантного виду Tagetes patula, але суттєво зменшує у чутливого Lathyrus odoratus. Концентрація білкового азоту у Tagetes patula підвищується у всі періоди вимірювання, крім останнього, а у Lathyrus odoratus, навпаки, менша за контроль протягом усього досліду. Кількість небілкового азоту у Lathyrus odoratus зростає щодо контролю, а у Tagetes patula єдиного напрямку динаміки цього показника не виявлено. Для індикації стану довкілля доцільно використовувати зміни у вмісті небілкового азоту і співвідношення білковий/небілковий азот у листках видів-індикаторів Lathyrus odoratus і Impatiens balsamina, для яких характерна найбільш чітко виражена реакція „доза-ефект”.

Ферменти асиміляції нітратного й аміачного азоту в екологічній діагностиці впливу фітотоксичних концентрацій заліза та хрому. Лабільність ферментних систем у відповідь на дію стрес-чинників дає можливість використовувати зміни в їх активності для оцінки не тільки стану рослин, але й оточуючого середовища (Pachlich еt al., 1972; Виноградова и др., 1992). У модельному досліді встановлено пригнічення активності нітратредуктази за дії надлишку Fe²⁺ та Cr³⁺, у коренях - у більшій мірі, ніж у листках. За ступенем токсичної дії варіанти досліду можна розташувати так: Fe²⁺+Cr³⁺>Cr³⁺>Fe²⁺. Виявлено зниження ферментативної активності ніртатредуктази в органах квітникових рослин за умов підвищення інтенсивності забруднення. Проте рівень інгібування ензиму залежно від вмісту металів у ґрунті неоднаковий (рис. 2). Так, у Xeranthemum annuum і Antirrhinum majus падіння активності нітратредуктази спостерігається лише на 1-й і 2-й ділянках. На 3-й ділянці (низький рівень забруднення) активність ензиму не змінюється щодо норми, а ступінь зниження її активності у цих видів на 1-й і 2-й ділянках істотно не відрізняється за значеннями. У листках Petunia Ч hybrida в усіх дослідних варіантах ферментативна активність нижча за контроль, проте підвищення рівня забруднення істотно не змінює активність нітратредуктази у рослин різних ділянок. Impatiens balsamina і Lathyrus odoratus можна вважати найінформативнішими тест-об'єктами для індикації довкілля, оскільки саме в них виявлена найбільш пряма залежність гальмування активності ферменту від збільшення вмісту сполук заліза та хрому у ґрунті.

Як у модельному, так і в польовому дослідах виявлено інгібування активності глутамінсинтетази та глутаматсинтази в вегетативних органах декоративних однорічних рослин за умов забруднення середовища вирощування сполуками заліза та хрому (рис. 3). Зіставлення рівня пригнічення активності ферментів у дослідних видів свідчить, що він більший у Lathyrus odoratus, ніж у Tagetes patula. Найбільш істотний ступінь гальмування активності цих ензимів спостерігається наприкінці вегетації, що узгоджується з більшим рівнем накопичення в коренях і листках важких металів.

Рис. 2. Вплив різного рівня забруднення ґрунту сполуками заліза та хрому на активність нітратредуктази в листках декоративних однорічних рослин (липень), % до контролю: 1 - Antirrhinum majus; 2 - Begonia Ч semperflorens; 3 - Calendula officinalis; 4 - Lathyrus odoratus; 5 - Impatiens balsamina; 6 - Petunia Ч hybrida; 7 - Tagetes patula; 8 - Xeranthemum annuum

І ІІ

Рис. 3. Вплив забруднення ґрунту промислових територій сполуками заліза та хрому на активність глутамінсинтетази (І) і глутаматсинтази (ІІ) у вегетативних органах Tagetes patula (А) та Lathyrus odoratus (Б), % до контролю: 1 - листки; 2 - корені

Активність ензимів у коренях рослин зменшується у більшій мірі, ніж у листках, але з метою індикації доцільніше використовувати листки, оскільки це спрощує процедуру визначення. Як тест-об'єкти для фітомоніторингу довкілля за зміною активності глутамінсинтетази і глутаматсинтази рекомендуємо використовувати обидва види - Tagetes patula і Lathyrus odoratus, але в останнього характер цих змін виражений суттєвіше.

Активність глутаматдегідрогенази за умов забруднення навколишнього середовища залізом і хромом зазнає протилежних змін (рис. 4). Вивчення активності ферменту у листках рослин, що зростали на ділянках з різним умістом металів, показало, що у Begonia Ч semperflorens і Lathyrus odoratus збільшення цього показника відбувається тільки на тлі середнього і найменшого рівня забруднення (ділянки 2 і 3), у той час як у рослин 1-ї ділянки (високий рівень забруднення) активність ензиму інгібується стосовно контролю.

У Calendula officinalis і Salvia splendens на ділянках 1 і 2 активність глутаматдегідрогенази зростає щодо норми, а на 3-й ділянці - дещо знижується порівняно з 2-ю. У листках толерантних видів Xeranthemum аnnuum, Antirrhinum majus та Tagetes patula підвищення активності ферменту відбувається у рослин, що зростають на ділянці з найвищим рівнем забруднення. Проте у Tagetes patula на ділянках 2 і 3 показники збільшення активності глутаматдегідрогенази близькі за значеннями. Найбільш пропорційні зміни активності ензиму стосовно вмісту важких металів у ґрунті відбуваються у Xeranthemum annuum і Antirrhinum majus, які можна використовувати як тест-об'єкти для фітоіндикації забруднення довкілля залізом і хромом.

Екологічна роль білка та амінокислот у адаптації однорічних квітникових рослин до фітотоксичних концентрацій заліза та хрому

Виявлена видоспецифічність у вмісті білка у вегетативних органах квітникових рослин, які відрізняються за стійкістю до надлишку Fe²⁺ і Cr³⁺. У листках і стеблах чутливих видів Lathyrus odoratus і Salvia splendens кількість легкорозчинного білка знижується щодо контролю, а в коренях - підвищується. У стійкого Tagetes patula вміст цієї фракції білка на тлі надлишку Fe²⁺ та Cr³⁺ збільшується. Концентрація важкорозчинного протеїну у Lathyrus odoratus і Salvia splendens зменшується, а у Tagetes patula - зростає відносно контролю. Часткове гальмування утворення протеїну м'яко уповільнює метаболізм і створює умови для зниження пошкоджень при стресах. Новоутворення білків має значення для зв'язування важких металів і репараційних процесів.

Установлено ідентичний якісний склад вільних амінокислот у коренях і листках декоративних однорічних рослин дослідного і контрольного варіантів. У коренях під впливом надлишку Fe²⁺ і Cr³⁺ виявлено зменшення вмісту амінокислот (63,1 % щодо норми), у більшій мірі аспартату, треоніну, цистеїну, амідів - аспарагіну та глутаміну. У листках, навпаки, їх кількість перевищує контрольні показники на 81,4 %, особливо за рахунок глутамату, проліну, аланіну, аргініну, треоніну, що можна використовувати у фітомоніторингу стану довкілля.

У процесі пристосування рослин до дії стрес-чинників особлива роль належить вільному проліну. За сумісної дії Fe²⁺ та Cr³⁺ його кількість в органах рослин відносно контролю зростає: у Calendula officinalis і Tagetes patula суттєвіше в листках, у Lathyrus odoratus - у коренях. В органах Calendula officinalis з 20-ї доби і Lathyrus odoratus з 7-ї вміст амінокислоти знижується щодо попередніх вимірювань і наприкінці експерименту стає навіть нижчим за норму. У Tagetes patula підвищення концентрації проліну встановлено до кінця досліду. За дії на рослини діапазону концентрацій Fe²⁺ і Cr³⁺ (0,2-1,6 мМ) вміст проліну змінюється залежно від толерантності видів. У варіанті з Fe²⁺ найбільшу кількість цієї речовини виявлено в листках Tagetes patula при концентрації 1,2 мМ, Cr³⁺ - 1,0 мМ, Calendula officinalis - 0,9 і 0,7 мМ, Lathyrus odoratus - 0,7 і 0,6 мМ. Найінформативнішим видом для біомоніторингових досліджень є Tagetes patula, у якого вміст проліну підвищується протягом усього експерименту. З метою оцінки стану довкілля слід використовувати листки, оскільки в них кількість амінокислоти підвищується незалежно від віку рослин, строку дії токсикантів і способу садіння.

Екологічне нормування росту і цвітіння декоративних однорічних рослин на основі оптимізації азотного метаболізму полістимуліном к

Заходи оптимізації метаболізму рослин мають вирішальне значення в покращенні стану рослин, від якого залежить повноцінність виконання ними екологічних функцій. Речовинам групи цитокінінів властива висока фізіологічна активність (Кулаева, Кузнецов, 2002), проте літературні дані з впливу цитокінінів на обмін азоту головним чином стосуються досліджень за нормальних умов. Не вивчено їх протекторну роль за дії на рослини Fe²⁺ та Cr³⁺.

Внаслідок обприскування рослин полістимуліном К рівень загального азоту в листках Tagetes patula і Salvia splendens підвищується за рахунок його білкової форми, а кількість небілкового азоту - зменшується порівняно з необробленими рослинами. За дії цитокініну підвищується співвідношення білковий/небілко-вий азот, що свідчить про активацію синтетичних процесів. Достовірних змін вмісту NO₃- у листках рослин за дії фітогормону не виявлено, що можна пояснити активацією ферменту відновлення нітратів - нітратредуктази як у польовому, так і в модельному дослідах. Істотніші позитивні зрушення у вмісті форм азоту спостерігаються у нетолерантних до дії надлишку Fe та Cr видів.

Кількість аміачного азоту, рівень якого за умов забруднення довкілля важкими металами значно підвищується стосовно контролю, під впливом обробки синтетичним цитокініном істотно зменшується. Однією з причин цього є активація ферментів асиміляції амонію - глутамінсинтетази, глутаматсинтази і глутаматдегідрогенази.

Обробка рослин промислової ділянки полістимуліном К призводить до інтенсифікації їх росту (рис. 5), що проявляється у збільшенні висоти, кількості бічних пагонів та листків, площі асиміляційної поверхні, зменшенні пошкодження останньої. Обприскування рослин, що не зазнали дії фітотоксикантів, не завжди спричиняє достовірні зміни морфометричних показників щодо необроблених рослин. Суттєвіша позитивна дія синтетичного фітогормону виявлена у Begonia Ч semperflorens, Calendula officinalis, Lathyrus odoratus, Salvia splendens. Обприскування декоративних однорічних рослин полістимуліном К за умов накопичення важких металів у ґрунті активує цвітіння дослідних об'єктів: зростає тривалість цього процесу, збільшується кількість квіток, їх розмір, інгібується абортування бутонів.

ВИСНОВКИ І ПРАКТИЧНІ РЕКОМЕНДАЦІЇ

1. Найважливішим науковим результатом дисертаційної роботи є комплексне і всебічне вивчення еколого-фізіологічних особливостей азотного обміну різних за толерантністю до забруднення сполуками заліза і хрому декоративних однорічних рослин, виявлення інформативних тест-параметрів та тест-об'єктів для фітоіндикації стану довкілля, установлення доцільності використання полістимуліну К з метою оптимізації азотного обміну, росту і цвітіння дослідних об'єктів.

2. За умов забруднення ґрунту промислових ділянок електрометалургійного підприємства сполуками заліза та хрому значно підвищується кількість цих елементів у вегетативних органах декоративних однорічних рослин уже на початку вегетації, у більшій мірі у коренях. Більш точним критерієм для оцінки стану довкілля є не абсолютні цифри, а коефіцієнт відносного накопичення важких металів. Як тест-об'єкти для фітоіндикації забруднення оточуючого середовища сполуками заліза та хрому слід використовувати Salvia splendens, Begonia Ч semperflorens і Lathyrus odoratus.

3. Гістохімічна побальна оцінка свідчить про найістотнішу локалізацію заліза та хрому за умов забруднення ними довкілля у таких гістологічних елементах осьових органів рослин: епідермісі, живих клітинах біля провідних судин і флоемі, у стеблах також у клітинних оболонках склеренхіми і коленхіми, а у коренях - ендодермі, перициклі. У листках найбільше металів акумулюється у клітинах, що оточують провідні судини. Гістохімічне визначення металів можна використовувати як експрес-метод для діагностики забруднення ними техногенних територій.

4. Надлишок Fe²⁺ і Cr³⁺ в оточуючому середовищі пригнічує поглинання нітратного і аміачного азоту з живильного розчину декоративними однорічними рослинами. Однією з причин цього є зменшення об'єму, загальної, недіяльної і в першу чергу діяльної поверхонь кореневих систем, гальмування утворення кореневих волосків, зміни їх параметрів. У модельному досліді прояви негативного впливу найбільш істотно виражені на тлі бінарного внесення Fe²⁺ та Cr³⁺, порівняно з дією кожного.

5. За нетривалої дії фітотоксичних концентрацій заліза та хрому кількість нітратного азоту в коренях досліджених видів декоративних квітникових рослин як у модельному, так і польовому експериментах знижується, що є наслідком більш суттєвого пригнічення поглинання цієї форми азоту порівняно з гальмуванням активності ключового ензиму асиміляції нітратів - нітратредуктази, при більш тривалому рості рослин зростає, що свідчить про зміну на протилежний характер співвідношення цих процесів. У листках рослин зменшення вмісту нітратного азоту за дії фітотоксикантів відбувається протягом усього досліду.

6. Кількість аміачного азоту у вегетативних органах рослин на тлі надлишку сполук заліза та хрому в оточуючому середовищі підвищується, що пов'язано з гальмуванням активності ферментів його асиміляції - глутамінсинтетази і глутаматсинтази. Частково компенсує інгібування активності цих ферментів зростання активності глутаматдегідрогенази.

7. Пригнічення надлишком Fe²⁺ і Cr³⁺ світлових реакцій фотосинтезу (фотохімічна активність хлоропластів, фотовідновлення НАДФ) діє негативно на асиміляцію азоту в листках декоративних однорічних рослин через місця взаємодії на рівні ферментів та енергетичних еквівалентів.

8. Зміни активності ряду ферментів азотного обміну (нітратредуктаза, глутамінсинтетаза, глутаматдегідрогеназа) є індикатором забруднення довкілля сполуками заліза та хрому. Найбільша відповідність реакції „доза-ефект” визначена у таких ферментів, як нітратредуктаза (Lathyrus odoratus, Impatiens balsamina) і глутаматдегідрогеназа (Xeranthemum annuum, Antirrhinum majus). Інформативними є також такі показники, як кількість аміачного азоту, співвідношення білковий/небілковий азот у листках Begonia Ч semperflorens, Lathyrus odoratus і Salvia splendens.

9. Надлишок Fe і Cr у оточуючому середовищі призводить до зниження вмісту легко- і важкорозчинного білка в листках та стеблах чутливих до даного типу забруднення видів Lathyrus odoratus і Salvia splendens і збільшення легкорозчинного - у коренях. Рівень важкорозчинного протеїну у вегетативних органах цих видів зменшується. У толерантного Tagetes patula кількість обох форм білка в усіх органах підвищується, що має адаптивне значення у пристосуванні рослин до дії важких металів.

10. За дії надлишку заліза та хрому на рослини якісний склад вільних амінокислот у коренях і листках залишається таким, як і в контролі, проте суттєво змінюється їх кількість відносно контролю: у коренях - знижується, у листках, навпаки, збільшується. Зміни у вмісті таких амінокислот, як глутамат, пролін, аланін, аргінін, треонін у листках дослідних об'єктів можна використовувати як неспецифічний маркер забруднення довкілля залізом та хромом у фітоіндикаційних дослідженнях.

11. Обробка декоративних однорічних рослин техногенних територій полістимуліном К (у концентрації 10 мг/л) тричі за вегетацію призводить до покращання показників азотного метаболізму - підвищується вміст загального, білкового і співвідношення білковий/небілковий азот, активність нітратредуктази, глутамінсинтетази, глутаматсинтази і глутаматдегідроге-нази, зменшується рівень небілкового і аміачного азоту.

12. Оптимізація азотного метаболізму декоративних однорічних рослин, що зростали на ділянках, забруднених залізом та хромом шляхом обприскування полістимуліном К сприяє збільшенню асиміляційної поверхні рослин, активації галуження пагонів, зниженню пошкодження листків порівняно з необробленими рослинами, особливо у Begonia Ч semperflorens, Calendula officinalis, Lathyrus odoratus. Зростає кількість квіток, їх розмір, тривалість цвітіння, зменшується кількість абортивних бутонів, що покращує санітарно-гігієнічну та естетичну функції квітників.

Список опублікованих праць за темою дисертації

1. Бессонова В.П., Іванченко О.Є. Зміна поглинальної здатність коренів інтродукованих декоративних квіткових рослин в умовах забруднення ґрунту сполуками заліза і хрому // Інтродукція рослин. - 2002. - № 3-4. - С. 133-139. (Автором проведено польовий експеримент та статистичну обробку даних, зроблено висновки та узагальнення, оформлено роботу, 60 %).

2. Іванченко О.Є. Вплив важких металів заліза і хрому (кожного окремо і при сумісній дії) на поглинання азоту з живильного розчину і його вміст у вегетативних органах Petunia Ч hуbrida // Питання біоіндикації та екології. - Запоріжжя, 2002. - Вип. 7, № 1. - С. 65-74.

3. Иванченко О.Е. Влияние избытка железа и хрома на накопление аммиачного азота в вегетативных органах Lathyrus odoratus // Питання біоіндикації та екології. - Запоріжжя, 2002. - Вип. 7, № 2-3. - С. 63-71.

4. Бессонова В.П., Іванченко О.Є. Сумісна дія надлишку Fe²⁺ і Cr³⁺ в середовищі вирощування Lathyrus odoratus і Tagetes patula на реакцію Хілла і фотовідновлення НАДФ // Вісник Запорізького державного університету. - Запоріжжя, 2003. - № 1. - С. 117-120. (Здобувачем зібрано та проаналізовано експериментальний матеріал, проведено його статистичну обробку, зроблено висновки, 80 %).

5. Іванченко О.Є. Вплив різних надлишкових концентрацій заліза та хрому на активність нітратредуктази в листках і коренях Petunia Ч hybrida hort. // Питання біоіндикації та екології. - Запоріжжя, 2003. - Вип. 8, № 1. - С. 53-62.

6. Иванченко О.Е. Активность глутаминсинтетазы в вегетативных органах бархатцев отклоненных в присутствии избытка Fe²⁺ и Cr³⁺ в среде произрастания // Бюл. Никит. ботан. сада. - 2004. - Вып. 89. - С. 81-84.

7. Іванченко О.Є., Бессонова В.П. Активність нітратредуктази як індикатора забруднення довкілля // Укр. ботан. журн. - 2004. - Т. 61, № 6. - С. 91-96. (Здобувачем сформульовано мету, задачі експерименту, проведено польовий дослід, аналіз отриманих результатів, зроблено висновки, 70 %).

8. Іванченко О.Є. Вплив полістимуліну К на ріст вегетативних органів декоративних квіткових рослин на фоні забруднення довкілля сполуками заліза та хрому // Питання біоіндикації та екології. - Запоріжжя, 2004. - Вип. 9, № 2. - С. 10-23.

9. Бессонова В.П., Іванченко О.Є. Дія надлишку заліза і хрому на активність нітратредуктази у вегетативних органах чорнобривців розлогих і чини запашної // Физиология и биохимия культурных растений. - 2004. - Т. 36, № 6. - С. 511-519. (Автором сформульовано мету, сплановано і проведено експеримент, здійснено обробку отриманих результатів, 70 %).

10. Іванченко О.Є. Активність ферментів асиміляції амонію як маркер забруднення оточуючого середовища сполуками заліза та хрому // Питання біоіндикації та екології. - Запоріжжя, 2005. - Вип. 10, № 1. - С. 62-75.

11. Іванченко О.Є. Біоіндикація стану довкілля за динамікою накопичення заліза та хрому в вегетативних органах декоративних однорічних рослин // Питання біоіндикації та екології. - Запоріжжя, 2005. - Вип.10, №2. - С.94-104.

12. Іванченко О.Є. Оцінка поглинання нітратного азоту коренями Petunia Ч hуbrida під впливом надлишку важких металів у середовищі зростання // Проблеми сучасної екології: Тези міжнародної конференції (24-26 червня 2002 р.). - Запоріжжя: ЗДУ, 2002. - С. 24.

13. Іванченко О.Є. Вплив надлишку хрому та заліза в середовищі вирощування на поглинальну активність коренів Lathyrus odoratus і Lupinus Ч hybridus // Фізіологія рослин та екологія: Матеріали Всеукраїнської науково-практичної конференції (23-24 квітня 2003 р.). - Дніпропетровськ: Наука і освіта, 2003. - Т.13. Біологія. - С. 11.

14. Бессонова В.П., Іванченко О.Є. Оптимізація азотного метаболізму декоративних квіткових рослин при дії на них надлишку заліза і хрому обробкою полістимуліном К // Оптимізація агроландшафтів: Раціональне використання, рекультивація, охорона: Матеріали Міжнародної науково-практичної конференції (2-4 червня 2003 р.). - Дніпропетровськ: ДДАУ, 2003. - С. 37-39. (Здобувачем сплановано і проведено польовий дослід, проаналізовано експериментальний матеріал, зроблено висновки, 60 %).

15. Бессонова В.П., Іванченко О.Є. Активність ферментів азотного метаболізму в вегетативних органах Tagetes patula L. і Lathуrus odoratus L. в умовах надлишку Fe²⁺ i Cr³⁺ // Промислова ботаніка: стан та перспективи розвитку: Матеріали IV Міжнародної наукової конференції (17-19 вересня 2003 р.). - Донецьк, 2003. - С. 88-89. (Автором сплановано і проведено експеримент, сформульовано висновки, оформлено роботу, 80 %).

16. Іванченко О.Є. Вплив сумісної дії заліза та хрому на вміст легкорозчинного білка в вегетативних органах Lathуrus odoratus L. // Динаміка наукових досліджень `2003: Матеріали ІІ Міжнародної науково-практичної конференції (20-27 жовтня 2003 р.). - Дніпропетровськ: Наука і освіта, 2003. - Т.5 Біологія. - С. 9.

17. Иванченко О.Е., Бессонова В.П. Биоиндикация загрязнения окружающей среды соединениями железа и хрома по некоторым показателям азотного обмена // Биотехнология - охране окружающей среды: Тезисы докладов ІІ Международной научной конференции (25-27 мая 2004 г.). - М.: Спорт и Культура, 2004. - С. 111. (Здобувачем сформульовано мету, зібрано фактичний матеріал, статистично опрацьовано отримані дані, 60 %).

18. Бессонова В.П., Іванченко О.Є. Вплив полістимуліну К на активність глутамінсинтетази при рості рослин в умовах надлишку Fe²⁺ і Cr³⁺ // Каразінські природознавчі студії: Матеріали Міжнародної науковій конференції (14-16 червня 2004 р.). - Харків: ХНУ, 2004. - С. 208-209. (Здобувачем сформульовано мету, виконано експеримент, обговорено результати, 80 %).

19. Иванченко О.Е., Бессонова В.П. Действие избытка Fe²⁺ и Cr³⁺ в среде выращивания на содержание пролина в корнях и листьях декоративных цветочных растений // Перспективные разработки науки и техники: Материалы научно-практической конференции (11-12 октября 2004 г.). - Белгород: Руснаучкнига; Днепропетровск: Наука и образование, 2004. - С. 10-13. (Здобувачем сформульовано мету, зібрано фактичний матеріал, проаналізовано результати, написано висновки, оформлено роботу, 90 %).

20. Іванченко О.Є., Бессонова В.П. Активність глутаматсинтетази в листках Lathуrus odoratus L. за дії надлишку Fe²⁺ i Cr³⁺ // Наука і освіта `2005: Матеріали VIII Міжнародної науково-практичної конференції (7-21 лютого 2005 р.). - Дніпропетровськ: Наука і освіта, 2005. - С. 82-83. (Автором проведено модельний дослід, проаналізовано отриманий матеріал, зроблено висновки, оформлено роботу, 70 %).

21. Іванченко О.Є., Бессонова В.П. Вплив надлишку Fe²⁺ і Cr³⁺ на глутаматсинтазну активність в коренях чини запашної // Проблеми збереження, відновлення та збагачення біорізноманітності в умовах антропогенно-зміненого середовища: Матеріали Міжнародної конференції (11-13 травня 2005 р.). - Кривий Ріг, 2005. - С. 438-440. (Автором проведено дослід, аналіз отриманих даних, оформлено роботу, 70 %).

22. Бессонова В.П., Іванченко О.Є. Показники азотного обміну рослин як маркери забруднення довкілля сполуками заліза та хрому // Стратегия выживания. Адаптация и реабилитация населения Украины в условиях техногенных перегрузок: Материалы VI Научно-практической конференции (30-31 мая 2005 г.). - Днепропетровск: ПНОИЦЧП, 2005. - С. 177-181. (Здобувачем проведено експеримент, статистичну обробку даних, оформлено роботу, 60 %).

23. Бессонова В.П., Іванченко О.Є. Обробка декоративних квіткових рослин полістимуліном К за умов забруднення довкілля сполуками заліза та хрому і характеристики цвітіння рослин // Відновлення порушених природних екосистем: Матеріали ІІ Міжнародної наукової конференції (6-8 вересня 2005 р.). - Донецьк: Лебідь, 2005. - С. 122-123. (Автором проведено експеримент, аналітичну обробку результатів, написано роботу, 70 %).

24. Іванченко О.Є. Зміна вмісту загального, білкового і небілкового азоту в оцінці стійкості рослин та стану довкілля за дії надлишку заліза та хрому у ґрунті // Сучасні проблеми екології: Матеріали І Міжнародної конференції молодих вчених (28-30 вересня 2005 р.). - Запоріжжя: ЗНУ, 2005. - С.101-103.

25. Іванченко О.Є. Зміна вмісту вільних амінокислот у вегетативних органах квітникових рослин - маркер фітотоксичних концентрацій заліза та хрому // Екологічні дослідження у промислових регіонах України: Матеріали Всеукраїнської науково-практичної конференції молодих вчених (8-9 листопада 2005 р.). - Дніпропетровськ: ДНУ, 2005. - С. 43-44.

АНОТАЦІЯ

Іванченко О.Є. Еколого-фізіологічні особливості азотного обміну декоративних однорічних рослин як індикатора забруднення промислових територій залізом та хромом. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата біологічних наук за спеціальністю 03.00.16 - екологія. Дніпропетровський національний університет, Дніпропетровськ, 2006.

Дисертацію присвячено вивченню еколого-фізіологічних особливостей азотного обміну декоративних однорічних рослин за умов забруднення оточуючого середовища сполуками заліза та хрому. Проаналізовано динаміку накопичення цих металів та їх локалізацію в гістологічних елементах вегетативних органів рослин. Вивчено сумісну дію надлишку заліза та хрому, а також кожного з них на поглинання та асиміляцію нітратного і аміачного азоту різними за толерантністю видами. Виявлені інформативні тест-показники та тест-об'єкти для фітоіндикаційних досліджень: уміст аміачного азоту, співвідношення білковий/небілковий азот, активність нітратредуктази, глутамінсинтетази та глутаматдегідрогенази. Установлено доцільність використання синтетичного цитокініну полістимуліну К з метою оптимізації азотного обміну, росту і цвітіння декоративних однорічних рослин.