Данная статья является реферативным изложением основной работы. Полный текст научной работы, приложения, иллюстрации и иные дополнительные материалы доступны на сайте III Международного конкурса научно-исследовательских и творческих работ учащихся «Старт в науке» по ссылке: https://www.school-science.ru/0317/1/28812
В настоящее время большое внимание уделяется изучению взаимоотношений между организмами и средой. В результате хозяйственной деятельности человека усиливается влияние на растения неблагоприятных условий, поэтому в промышленных районах они выполняют немаловажную службу – являются своеобразным средством информации о загрязнении окружающей среды. Идея об использовании растений для оценки качества окружающей среды лежит в основе одного из направлений современного биомониторинга.
Растения обладают большим разнообразием продуктов обмена веществ, играющих роль адаптеров при изменяющихся условиях обитания, так как будучи укорененными в земле, они лишены возможности передвигаться и должны реагировать на возникающее дискомфортное состояние по-другому, нежели животные. Общее свойство растений – толерантность – это способность сохранять жизнедеятельность при неблагоприятных условиях.
Установлено, что от концентрации различных химических элементов зависят многие морфологические и физиологические особенности растений.
Изучение влияния тяжелых металлов на растения дает возможность судить о состоянии чистоты и загрязненности участка и принимать соответствующие природоохранные меры.
В связи с этим целью настоящей работы является определить реакцию эпидермального комплекса Betula verrucosa в условиях загрязнения среды тяжелыми металлами.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
1. проанализировать литературу по выбранной теме;
2. подобрать методы исследования;
3. изучить влияние загрязнения атмосферной среды на эпидерму березы бородавчатой;
4. определить реакцию эпидермального комплекса при загрязнении почв тяжелыми металлами;
5. определить более значимый параметр, по которому будет определяться степень загрязнения окружающей среды тяжелыми металлами.
Объектом данного исследования была выбрана береза бородавчатая (Betula verrucosa).
Известно, что эпидерма листа является защитно-регуляторной системой периферической сферы всего растения, и на изменения окружающей среды будет реагировать, в первую очередь, именно она. Поэтому предметом данного исследования была выбрана эпидермальная ткань данного растения.
При анализе литературы была выдвинута следующая гипотеза: количество функциональных элементов эпидермальной ткани листа (собственно эпидермальных клеток и устьиц) тем меньше, чем выше степень загрязнения окружающей среды тяжелыми металлами.
Практическая значимость. Полученные в работе данные могут быть рекомендованы для определения степени загрязнения окружающей среды тяжелыми металлами.
1. Обзор литературы.
1.1. Особенности строения и функционирования эпидермальной ткани растений
Эпидерма является сложной первичной покровной тканью. Она состоит из нескольких типов клеток: собственно эпидермальных, околоустьичных и замыкающих клеток устьица и трихом (рис. 1).
Эпидермальная ткань может иметь различные выросты: трихомы, эмергенцы, выполняющие защитную, выделительную и некоторые другие функции. В зависимости от условий местообитания растения устьица могут быть локализованы как на нижней, так и на верхней стороне листовой пластинки. Устьица представляют собой высокоспециализированные образования эпидермы, состоящие из двух замыкающих клеток бобовидной формы и устьичной щели (своеобразного межклетника между ними). (Чебышев, 2007).
Рис. 1. Эпидерма листа
Устьичный аппарат регулирует процессы газообмена и транспирации растений. Замыкающие клетки могут смещаться, изменять объем и форму, в результате чего меняется и очертание устьичной щели: она может быть более или менее широко открыта или же вовсе закрыта. Открывание и закрывание устьиц обусловливается тургорными явлениями. Изменения тургора замыкающих клеток могут быть непосредственным следствием подвядания листа или повышения в нем содержания воды. При повышении тургора замыкающих клеток объем их клеточной полости увеличивается, в результате чего стенки отдаляются одна от другой и щель открывается. При понижении тургора замыкающих клеток происходят изменения обратного рода: стенки сближаются до соприкосновения и щель устьица замыкается.
Число и распределение устьиц очень варьирует в зависимости от вида растения и условий жизни.
Эпидерма развивается очень рано, еще в процессе внутрипочечного развития листа (Лотова, 2007).
В учебнике Е. И. Барабанова отмечается, что клетки эпидермы плотно сомкнуты между собой; благодаря этому эпидерма многофункциональна:
1) препятствует повреждению внутренних тканей;
2) регулирует газообмен и транспирацию;
3) ткань принимает участие в синтезе различных веществ, в восприятии раздражений и движении листьев.
1.2. Влияние соединений некоторых тяжелых металлов на морфологические и физиологические особенности растений
Тяжелые металлы – группа химических элементов, имеющих плотность 5 г/см3. Для их биологической классификации правильнее руководствоваться атомной массой, т. е. считать тяжелыми металлы с относительной массой более 40. К тяжелым металлам отнесена группа элементов, имеющих большое биохимическое и физиологическое значение. Это так называемые микроэлементы – медь (Cu), цинк (Zn), молибден (Mo), кобальт (Co), марганец (Mn).
Известно, что при аэротехногенном загрязнении природной среды тяжелыми металлами возможны два основных пути их поступления в растения:
1) из атмосферы – через листовую поверхность и 2) из почвы – через корневую систему.
Поглощение металлов корнями может быть пассивным (неметаболическим) и активным (метаболическим):
– пассивное поглощение происходит путем диффузии ионов из почвенного раствора в эндодерму корней;
– при активном поглощении необходимы затраты энергии метаболических процессов, и оно направлено против химических ингредиентов (Полевой, 1989).
В ряде работ рассматриваются приспособительные реакции организменного уровня, основанные на комплексе метаболических механизмов защиты и коррекции физиологических процессов (Алексеев, 1987; Барсукова, 1997; Кабата-Пендиас, Пендиас, 1989; Титов и др., 2007).
Так при высоком содержании меди в почве наблюдается крайняя степень карликовости.
Высоким содержанием меди отличаются листья, а цинк в основном концентрируется в семенах.
Свинец относительно слабо поглощается растениями. Скорость поглощения свинца растениями увеличивается при подкислении почвы и при увеличении температуры. Избыток свинца в растениях ингибирует дыхание и подавляет процесс фотосинтеза, вследствие чего не только снижается урожайность растений, но и резко ухудшается качество продукции.
Повышенные концентрации кадмия в корнеобитаемой среде вызывают у растений замедление роста и развития. Кроме того, кадмий тормозит фотосинтез, нарушает транспирацию и фиксацию CO2.
При обычных концентрациях в почвенном растворе поглощение тяжелых металлов корнями растений контролируется метаболическими процессами внутри корней. При высоких концентрациях тяжелых металлов в почвенном растворе в транспорте их к корням растений преобладающую роль играет диффузия.
Различные виды растений в значительной степени различаются по способности поглощать тяжелые металлы.
Высшие растения меньше накапливают тяжелые металлы и менее устойчивы к повышенным концентрациям, чем низшие.
Разнообразны и анатомические исследования эпидермы с целью определения приспособительной реакции к окружающей среде.
В условиях загрязнения, у большинства видов, уменьшаются размеры устьиц и основных эпидермальных клеток, возрастает их количество на единицу площади. У других видов происходит сокращение числа устьиц и их размеров. Это свидетельствует о различных путях адаптации видов к неблагоприятным факторам среды (Довбыш, 1984).
Формирование устьиц происходит последовательно и осуществляется в течение значительного периода роста и развития листа (Эсау, 1969). Формирование определенной плотности устьиц на единицу поверхности листа связано прежде всего с обеспечением и регулированием газообмена и транспирации, направленных на оптимальную продуктивность фотосинтеза растений в данных условиях. Адаптации растений в этом отношении имеют видовую специфику (Гетко, 1989; Кулагин, 1988).
Обнаружена статистически достоверная связь между газоустойчивостью растений и числом устьиц на 1 мм 2 поверхности листьев (Николаевский, 1963). Выявлено, что в условиях загрязненной атмосферы у менее толерантных растений число устьиц увеличивается по сравнению с контролем, а у более толерантных уменьшается (Смирнов, 1986).
Отмечаемая в ряде случаев повышенная плотность размещения устьиц на листовой пластинке и уменьшенные их размеры являются следствием торможения роста клеток, вызванного неблагоприятными условиями, в том числе повышенной задымленностью воздуха (Илькун, 1978).
В то же время в ряде работ (Кротова, 1959; Казанцева, 1965) высказывалось сомнение о роли устьиц и интенсивности газообмена в газоустойчивости.
Исследования на медеплавильных комбинатах (Николаевский, 1963) показали, что у устойчивых видов растений не только более мелкие устьица, но и меньшая степень их раскрытия в течение дня; здесь же обнаружено, что под влиянием кислых газов степень раскрытия устьиц в течение дня уменьшается.
2. Материал и методы исследования
2.1. Краткая характеристика территории
Исследования проводились на территории г. Верхняя Пышма Свердловской области.
Город Верхняя Пышма расположен на юге Свердловской области, в километре от ее столицы, у истока реки Пышмы. Является городом-спутником Екатеринбурга. Главный город Уральской горно-металлургической компании. Возник в связи с открытием (1854 г.) и разработкой (1856 г.) месторождения медных руд.
На 1 января 2016 года по численности населения город находился на 237 месте из 1112 городов Российской Федерации, с численностью 67674 человека.
Что касается экологического состояния, в городе более 10 промышленно-хозяйственных организаций, из них 3 крупных предприятия, оказывающих неблагоприятное воздействие на окружающую природную среду.
Большая часть территории пригорода занята лесами, что способствует поддержанию экологической стабильности климата, гидрогеологического режима, сохранению растительного и животного мира. В то же время ряд природных факторов снижает возможности города для поддержания экологического равновесия. Среди них – низкий уровень водообеспеченности территории, отсутствие крупной речной системы, распространение низкоплодородной почвы, своеобразный режим воздухообмена, обуславливающий «смоговые» ситуации в атмосфере.
Значительная площадь земель загрязнена тяжелыми металлами. Один из наиболее высоких уровней загрязнения почвы выявлен на территории города Верхняя Пышма (96%), в зоне воздействия АО «Уралэлектромедь».
2.2. Характеристика объекта исследования
В качестве объекта исследования была выбрана береза бородавчатая, как наиболее часто встречаемый вид на территории города и пригорода Верхней Пышмы.
Береза бородавчатая – лиственное дерево высотой около 25–30 м. Молодые особи отличаются коричневой корой, которая к 8 годам становится белой. У более старых растений в нижней части ствола образуются трещины, кора приобретает черный окрас. Древесина березы имеет желтовато-белый оттенок, она довольно плотная и тяжелая. Ветки покрыты смолистыми железками – бородавочками, от которых береза получила свое название «бородавчатая».
Листья очередные, длинночерешковые, имеют треугольно-ромбовидную форму, с клинообразным основанием, гладкие, 3,5–7 см длины, 2–5 см ширины. Края листьев двоякозубчатые. Лист березы бородавчатой обладает слабым ароматом и вяжущим вкусом.
Почки сидячие. Цветки мелкие, невзрачные, декоративной ценностью не обладают. Собраны в однополых кистях – сережках: на концах ветвей тычиночные, продолговатой, цилиндрической формы, длиной 6–10 см, желтые; на укороченных боковых ветках – пестичные, цилиндрические, направлены вверх, длиной 2–3 см, зеленые.
Цветет береза бородавчатая с апреля по май.
Плоды – небольшие крылатые орехи, созревают в конце лета – начале осени. Плодоносить начинает с 10 лет, в насаждении – с 20–25 лет.
Береза бородавчатая активно используется в городских посадках, так как способствуют увеличению уровня ионизации воздуха, и является довольно быстрорастущим, неприхотливым деревом.
2.3. Методы исследования
Для проведения исследования было заложено пять пробных участков, сходных по экологическим признакам. Предварительные исследования показали, что территории характеризуются одним типом почв (дерново-подзолистый), с кислотностью от 6,2 до 7,5, сходным видовым составом растительности.
Пробы почв брали в поверхностном слое (0–20см.) методом конверта.
Концентрацию металла в почвах определяли методом атомно-абсорбционной спектрометрии после кислотной вытяжки 5% азотной кислотой. Мера токсической нагрузки определялась по концентрации группы тяжелых металлов (Cu, Zn, Cd, Pb). Суммарная токсическая нагрузка рассчитывалась по формуле:
СΣ = Σ Ciкл / Ci,
где Ci – концентрация металла в почве, мкг/г;
Сiкл. – фоновое содержание металла в почве в регионе.
Одним из решающих методов диагностики и идентификации растений в нецветущем состоянии является их анатомическое исследование (Анели, 1975). В качестве объекта исследований чаще всего используют лист.
Объем использованного материала – 650 листовых пластинок. Для анализа отбирали взрослые, закончившие фазу интенсивного роста листья генеративных особей.
В качестве исследуемых параметров были выбраны количественные характеристики изменения устьиц и эпидермальных клеток с нижней стороны листа. Учет анатомических характеристик эпидермы производился с помощью метода реплик или клиокаст (Таршис Г. И., Таршис Л. Г., 1995). Реплики брали между средней жилкой и краем листовой пластинки, на равном расстоянии от базальной и апикальной частей листа. Подсчет структурных единиц проводили при увеличении 7х40. Данные обработали методами математической статистики.
3. Результаты и обсуждение
3.1. Результаты исследования по определению количества устьиц в кроне березы бородавчатой по сторонам света
Для окрестностей города характерно преобладание северо-западных ветров. АО «Уралэлектромедь», основной источник выброса в атмосферу соединений тяжелых металлов, расположен на юго-востоке относительно большей части г. Верхняя Пышма.
Для анализа влияния атмосферной среды на количество устьиц в кроне березы бородавчатой были отобраны 400 листовых пластинок, закончившие фазу интенсивного роста, с 5 генеративных особей.
Точка сбора материала располагается в промышленной зоне АО «Уралэлектромедь», с юго-востока по отношению к предприятию, под воздействием преобладающих северо-западных ветров.
Результаты, полученные при определении количества устьиц в кроне березы бородавчатой по сторонам света, занесены в таблицу.
Распределение количества устьиц в кроне по сторонам света
стороны света |
север |
северо-восток |
восток |
юго-восток |
юг |
юго-запад |
запад |
северо-запад |
количество устьиц, шт |
17,72 |
17,54 |
17,54 |
17,4 |
17,52 |
17,48 |
17,44 |
17,48 |
При анализе таблицы значимое изменение количества устьиц в кроне березы бородавчатой по сторонам света и влияние розы ветров на этот показатель не обнаружено. Можно предположить, что концентрация тяжелых металлов в атмосферной среде очень лабильна и не оказывает влияния на анатомические изменения эпидермы.
Библиографическая ссылка
Крохалева В. К. ЭПИДЕРМАЛЬНЫЙ КОМПЛЕКС БЕРЕЗЫ БОРОДАВЧАТОЙ (ВЕTULA VERRUCOSA) В УСЛОВИЯХ ЗАГРЯЗНЕНИЯ СРЕДЫ ТЯЖЕЛЫМИ МЕТАЛЛАМИ // Международный школьный научный вестник. – 2017. – № 5-1. ;URL: https://school-herald.ru/ru/article/view?id=387 (дата обращения: 29.03.2024).