Сравнительный анализ накопления каротиноидов в хвое сосны обыкновенной разного возраста на вскрышных породах угольного отвала

Экология/ 6. Экологический мониторинг

К с.-х. н. Цандекова О.Л.

Институт экологии человека СО РАН, Россия

Накопление пигментов в хвое сосны обыкновенной в условиях Кедровского угольного разреза

В Кузбасском регионе нарушено более ста тысяч гектар земель, из них большую площадь занимают отвалы вскрышных пород. Угледобыча открытым способом приводит к загрязнению окружающей природной среды, поэтому экологическая реабилитация техногенных земель становится социально важной и неотложной проблемой. Одной из основных древесных пород, которая применяется при биологической рекультивации породных отвалов угольных месторождений в Кузбассе, является сосна обыкновенная (Баранник и др., 2007).

В качестве диагностического признака состояния древесных растений к неблагоприятным экологическим условиям окружающей среды относится качественный и количественный состав пигментной системы – хлорофиллов и каротиноидов – главных фоторецепторов фотосинтезирующей клетки. По мнению ряда авторов, содержание пигментов является показателем потенциальной фотосинтетической способности растений и служит индикатором общего состояния растительного организма (Кулагин, 2006; Головко и др., 2007; Титова, 2012; Тужилкина, 2012; Tomislav et al., 2003; Di Vittorio, 2009). Представленные в литературе сведения, о состоянии пигментной системы, динамики и соотношения ее компонентов, не дают четкого представления о механизмах адаптации хвойных растений на техногенно нарушенных почвах. В связи с этим, актуальным остается вопрос об участии хлорофиллов и каротиноидов в механизмах адаптации и выживания сосны обыкновенной в экстремальных экологических условиях угольных отвалов.

Цель работы – изучить накопление пигментов в хвое сосны обыкновенной в условиях породного отвала Кедровского угольного разреза. Исследования проведены в летний период 2012 года. Объектом исследования служила сосна обыкновенная (Pinus sylvestris L.) 20-25 летнего возраста. Площадки наблюдений (ПН) выбраны на породном отвале угольного разреза «Кедровский»: ПН1 – спланированный отвал с нанесением потенциального плодородного слоя почвы (ППС), ПН2 – межотвальная впадина без нанесения ППС, ПН3 – спланированный отвал без нанесения ППС. Содержание фотосинтетических пигментов (сумма хлорофиллов (Х) (а+b), сумма каротиноидов (К), соотношение Х/К) в хвое сосны определяли спектрофотометрическим методом (с использованием спектрофотометра LEKI SS 1207) в трехкратной повторности и рассчитывали по формулам Mac-Kinney и Wettstein (Гавриленко и др., 2003). Статистический анализ данных выполнен с использованием пакета прикладных программ Statistica 6.1 и Microsoft Оffice Excel 2007. Критическое значение уровня статистической значимости принималось равным 0,05. Описание количественных признаков в исследованных площадках наблюдений производилось с использованием средних арифметических и среднеквадратических (стандартных) ошибок среднего (М±m, где М – среднее, а m – ошибка среднего), среднеквадратических отклонений (σ_x) и коэффициента вариации (v, %).

Количественные характеристики пигментного комплекса хвои сосны показали, что концентрация суммы хлорофиллов и каротиноидов изменялась от минимальных значений в июне (0,51-1,36 мг/г) до максимальных – в июле (0,53-1,50 мг/г), с последующим снижением – в августе (0,52-1,37 мг/г). Выявлено, что у сосны обыкновенной содержание зеленых пигментов в хвое превышало количество желтых в среднем в 2,4 раза.

Сравнительная характеристика концентраций пигментов в хвое сосны на исследуемых площадках показала, что для сосны характерны максимальные значения суммы хлорофиллов, произрастающей на спланированном отвале с нанесением ППС. Так, на ПН1 содержание хлорофиллов составило в среднем 1,41 мг/г, что выше на 9 и 3%, чем на других площадках наблюдений (ПН2 и ПН3). На участке без нанесения ППС (ПН3) концентрация суммы каротиноидов в хвое сосны выше на 3 и 10 %, по сравнению с ПН1 и ПН3. Корреляционный анализ показал, что уровень накопления каротиноидов в хвое сосны обыкновенной на исследуемых площадках тесно коррелировал с содержанием хлорофиллов (r=0,76…0,86, при p<0,05).

Отношение количества хлорофиллов к содержанию каротиноидов в хвое характеризует общее состояние ассимиляционного аппарата сосны обыкновенной. По полученным данным выявлено, что показатель соотношения зеленых и желтых фотосинтетических пигментов хвои сосны обнаруживал сходство на всех трех площадках наблюдений и составил 2,5. Видимо, данный показатель достаточно стабилен и колебания параметра слабо зависят от экологических условий места произрастания сосновых насаждений (табл 1).

Таблица 1

Средние статистические показатели сосны обыкновенной на исследуемых площадках наблюдений Кедровского угольного разреза (2012 г.)

Площадки наблюдений	Сумма хлорофиллов (a+b) (мг/г сырого вещества)			Сумма каротиноидов (мг/г сырого вещества)			Соотношение Х/К
Площадки наблюдений	M±m	σ_x	v, %	M±m	σ_x	v, %	M±m	σ_x	v, %
ПН1	1,41±0,012	0,081	5,75	0,56±0,004	0,027	4,64	2,45±0,014	0,092	3,74
ПН2	1,28±0,019	0,131	10,16	0,52±0,006	0,043	8,23	2,47±0,023	0,157	6,37
ПН3	1,37±0,018	0,121	8,78	0,58±0,005	0,035	6,28	2,45±0,017	0,111	4,52

Проведенными исследованиями установлено, что накопление пигментов в хвое сосны зависело от различных экологических условий угольного отвала. Сосна обыкновенная проявила высокую лабильность физиологических процессов, позволяющих ей сохранять нормальную жизнедеятельность в экстремальных экологических условиях. Максимальная устойчивость сосновых насаждений отмечена на спланированном отвале без нанесения потенциально плодородного слоя почвы. Это обусловлено более эффективной работой фотосинтетического аппарата, проявляющейся в увеличении содержания суммы каротиноидов. Полученные результаты существенно расширяют представления о пигментном комплексе хвойных растений и могут быть использованы для ранней диагностики состояния их фотосинтетического аппарата.

Литература:

1. Баранник Л.П., Николайченко В.П. Лесная фитомелиорация техногенных земель в Кузбассе // Вестник Кузбасского технического университета. Кемерово, 2007. № 5. С.101-102.

2. Гавриленко В.Ф., Жигалова Т.В. Большой практикум по фотосинтезу. М.: Академия, 2003. 256 с.

3. Головко Т.К., Табаленкова Г.Н., Дымова О.В. Пигментный комплекс растений Приполярного Урала // Ботанический журнал. 2007. Т. 92. №. 11. С. 1732–1741.

4. Кулагин А.А. Реализация адаптивного потенциала древесных растений в экстремальных лесорастительных условиях // Автореф. дис …докт. биол. наук. Тольятти, 2006. 36 с.

5. Титова М. С. Содержание пигментов как показатель адаптации фотосинтетического аппарата интродуцированных видов рода Pinus // Естественные и технические науки. М., 2012. № 6. С. 103-104.

6. Тужилкина В.В. Пигментный комплекс хвои сосны в лесах европейского Северо-Востока // Лесоведение. 2012. № 4. С. 16-23.

7. Di Vittorio A.V. Pigment-based identification of ozone-damaged pine needles as a basis for spectral segregation of needle conditions // Journal of Environmental Quality. 2009. Vol. 38 (3). P. 855-867.

8. Tomislav В., Zvonimir U., Ljiljana G., Jadranka R., Zeljko P. Chlorophylls and carotenoids in needles of damaged fir (Abies alba mill.) from risnjak national park in Croatia // Acta biologica cracoviensia. Series botanica. 2003. Vol. 45 (2). P. 87-92.