Features of plants growing in upland bogs in the conditions of oil pollution in the Middle ob Region

Abstract


Khanty-Mansiysk Autonomous District - Yugra is one of the largest oil producing regions in the world. Oil and gas production has a significant technological impact on the environment, in as much as oil development, production, and transportation are inevitably accompanied by hydrocarbon pollution. This fact leads to the acute problem of oil pollution of natural objects, as it stresses all species of biota including plants. The researchers identify the links between functional characteristics of plants and environmental conditions of their habitat to predict the response of plants to various anthropogenic impacts and to assess the state of contaminated areas. Based on the results, it is possible to identify local flora species resistant to oil, with a view to recommending them in developing phytomelioration methods. This article presents the results of studying the features of plants growing in upland bogs in conditions of oil pollution in the Middle Ob region. The researchers have studied the local flora species in terms of their pigment system, photosynthetic activity and productivity ( Eriophorum vaginatum L., Sareh acuta L., Typha latifolia L.) The study has revealed that oil pollution of soil reduces the total amount of pigments in assimilating plant organs, which leads to a decrease in photosynthesis processes and minimizes the growth of organic matter. Those plant species which are more resistant to oil (such as Eriophorum vaginatum L. and Sareh acuta L.) are characterized by a decrease in the ratio of a- and b-chlorophylls and the relation of chlorophylls to carotenoids. The pigment system and the photosynthetic activity of plants stand as criteria for assessing the environmental impact on these plants and may also be used as indicators of soil condition in case of oil pollution. Eriophorum vaginatum L. and Carex acuta L. may be recommended for phytomelioration of oil-contaminated soils.

Full Text

В настоящее время значительная часть земель Среднего Приобья загрязнены нефтью, что связано с производственной деятельностью нефтегазовой отрасли. Нефтяное загрязнение оказывает стрессовое воздействие на все виды биоты, в том числе на растения [6; 11]. Выявление связей между функциональными характеристиками растений и экологической обстановкой в местах их обитания широко используется в связи с возможностью прогнозирования реакции видов при различных антропогенных воздействиях [2; 5; 9]. Пигментная система растений, фотосинтетическая активность и продуктивность [1; 4] являются одним из критериев оценки влияния среды на растения. Изучение данной проблемы позволит выявить механизмы адаптации, которые можно использовать для оценки состояния нефтезагрязненных земель, и устойчивые к нефти виды местной флоры с целью их рекомендации к использованию при разработке методов фитомелиорации. В настоящей работе представлены результаты исследований особенностей пигментного аппарата, фотосинтетической активности листьев и продуктивности растений в условиях нефтяного загрязнения. В качестве объектов исследования были выбраны растения пушицы влагалищной (Eriophorum vaginatum), осоки острой (Саrех acuta) и рогоза широколистного (Typha latifolia). Основным фактором при выборе растений для изучения явилась их устойчивость к действию нефти [7], определяющая их доминирование на нефтезагрязненных участках. Исследования проводили в природной среде на территории Самотлорского месторождения нефти (Ханты-Мансийский автономный округ, Нижневартовский район, на расстоянии 10 км от г. Нижневартовска). В пределах Самотлорского месторождения были выбраны типичные участки верхового болота - контрольные и с различной степенью нефтяного загрязнения: рекультивированные и нерекультивированные. Сообщества верхового болота представлены в основном пушицево-осоковыми ассоциациями с участием рогоза широколиственного. Содержание нефти в почвах на изученных участках варьировало от 0,06% (контроль) до 19,3%. Почвы контрольного варианта имели более кислое значение pH, при рекультивации pH сдвигалось в щелочную сторону. При исследовании с участков отбирали по 10 экземпляров растений каждого вида. Для извлечения фотосинтетических пигментов использовали среднюю пробу из измельченных листьев среднего яруса. Содержание пигментов определяли спектрофотометрическим методом [3; 8] на приборе - SPECORD 30 (Analytik jena - Германия). Оптическую плотность раствора экстракта изучали при λ = 662 нм (хлорофилл «а»), λ = 645 нм (хлорофилл «b»), λ = 470 нм (сумма каротиноидов). Концентрацию хлорофиллов и каротиноидов рассчитывали по формуле Лихтенталера [13; 14]. Содержание фотосинтетических пигментов в исследуемом объекте с учетом объема вытяжки и массы навески растительного материала рассчитывали по формуле Фаттаховой [10]. Фотосинтез определяли газометрическим методом на инфракрасном газоанализаторе Infralit III (Германия) [3]. Для анализа структуры биомассы растений отбирали по 15 экземпляров каждого вида. Растения очищали от почвы и нефтепродуктов, расчленяли на отдельные органы, высушивали и взвешивали. По результатам исследований был проведен сравнительный анализ содержания пигментов, фотосинтетической активности листьев и продуктивности изученных видов растений. Выявлено, что все изученные нами параметры зависят от концентрации нефтепродуктов в почве. Данная закономерность проявляется в большей степени у Eriophorum vaginatum и Typha latifolia (рис. 1-2). Общее содержание пигментов у данных видов снижается с увеличением концентрации нефтепродуктов в почве, исключение составляли рекультивированные участки. У растений Eriophorum vaginatum и Typha latifolia, произрастающих на рекультивированных участках, содержание пигментов в растительном материале в расчете 1 дм2 ассимиляционной поверхности значительно ниже, чем на тех участках, где процесс восстановления растительности идет естественным путем. Это свидетельствует о низкой эффективности рекультивационных мероприятий, проведенных на данных участках. У растений Саrех acuta (рис. 3) содержание пигментов в растительном материале в расчете на 1 дм2 ассимиляционной поверхности листьев на участках со слабой степенью нефтяного загрязнения (концентрация нефтепродуктов 1,2%; 1,7%; 4,2%) сохраняется практически на одном уровне и слабо снижается по сравнению с контрольным вариантом. На участках со средней степенью загрязнения (концентрация нефтепродуктов 14,1%; 18,5%; 19,3%) их количество почти в 1,5 раза ниже показателей контрольного участка. Рис. 1. Особенности количественного содержания пигментов в листьях растений Eriophorum vaginatum L. в условиях нефтяного загрязнения. Примечание: * - рекультивированные участки Рис. 2. Особенности количественного содержания пигментов в листьях растений Typha latifolia L. в условиях нефтяного загрязнения. Примечание: * - рекультивированные участки Рис. 3. Особенности количественного содержания пигментов в листьях растений Саrех acuta L. в условиях нефтяного загрязнения. Примечание: * - рекультивированные участки А. Б. В. Рис. 4. Особенности соотношений хлорофиллов («а»/«b») и суммы хлорофиллов к каротиноидам («а»+«b»/каротиноиды) в листьях растений в условиях нефтяного загрязнения: А. Eriophorum vaginatum L.; Б. Typha latifolia L.; В. Саrех acuta L. Примечание: * - рекультивированные участки Таблица 1 Особенности фотосинтетической активности растений в условиях нефтяного загрязнения, мг CO2/дм2ч Вид Вариант 0,06 1,7* 4,2 14,1* 18,5 19,3 Typha latifolia L. 8,9±0,51 7,3±0,41 5,2±0,25 6,8±0,35 4,1±0,23 4,0±0,20 Eriophorum vaginatum L. 4,3±0,25 3,7±0,23 3,3±0,19 3,5±0,19 2,5±0,17 2,7±0,14 Саrех acuta L. 5,2±0,27 4,9±0,27 4,0±0,21 4,7±0,31 2,7±1,5 2,4±0,11 Таблица 2 Накопление органической биомассы, г/1 растение Вариант Вид Саrех acuta Eriophorum vaginatum Typha latifolia 0,06 6059 242 6876 14,1* 5462 82 3660 19,3 3287 62 402 Мы предполагаем, что у видов высоко устойчивых к нефтяному загрязнению в природной среде наблюдается стабилизация синтеза отдельных групп пигментов для осуществления фотосинтеза и создания биологической продуктивности не на оптимальном уровне, а на уровне, который позволяет им в этих условиях стабильно функционировать. У растений Eriophorum vaginatum и Саrех acuta в условиях слабого нефтяного загрязнения (концентрация нефтепродуктов 1,2%; 1,7%; 4,2%) по сравнению с контролем наблюдается уменьшение соотношения концентрации хлорофиллов «а» и «b». На участках со средним загрязнением почвы (концентрация нефтепродуктов 14,1%; 18,5%; 19,3%) данный показатель выходит на уровень с контрольным. Отношение суммы хлорофиллов «а» и «b» к каротиноидам у растений Eriophorum vaginatum на опытных участках (нерекультивированных) превышает контрольный, тогда как на рекультивированных участках оно находится с ним на одном уровне. У растений Саrех acuta отношение суммы хлорофиллов «а» и «b» к каротиноидам на всех опытных участках (за исключением одного рекультивированного, концентрация нефтепродуктов 14,1%) ниже контрольного. Причем данное отношение на участках со слабым нефтяным загрязнением ниже по сравнению с участками со средними концентрациями нефти в почве. У растений Typha latifolia соотношение концентрации хлорофиллов «а» и «b» на всех участках выше контрольного, так же как и отношение суммы хлорофиллов к каротиноидам. Уменьшение соотношения в листьях растений концентрации хлорофиллов «а» и «b» [12] является признаком адаптации, повышения экологической устойчивости растений к неблагоприятным внешним воздействиям. Обратная направленность в изменении этих показателей свидетельствует или о повреждении растений, или о стимуляции процессов в целом и роста в частности. В условиях нефтяного загрязнения для всех изученных нами видов характерно снижение фотосинтетической активности листьев по сравнению с контрольным вариантом (табл. 1). Динамика интенсивности фотосинтеза у растений на различных участках аналогична количественным изменениям пигментного аппарата. Фотосинтез и рост - два основных процесса жизнедеятельности растений, от сбалансированности которых зависит конечный урожай растений [1]. Оба эти процесса в свою очередь находятся в тесной зависимости от пигментного аппарата растений. Известно, что в благоприятных условиях у растений формируется листовая поверхность, фотосинтетическая деятельность которой способна полностью обеспечить ростовую функцию и репродуктивные процессы, закодированные в геноме [5]. В неблагоприятных условиях у растений в процессе эволюции выработались компенсаторные механизмы. Так, в условиях нефтяного загрязнения биологическая продуктивность растений сокращается, особенно значительно на нерекультивированных участках (табл. 2). Как можно видеть из материалов табл. 2, прирост органического вещества обнаруживает степень видоспецифичности. Например, максимальный прирост наблюдается у Саrех acuta L. Этот вид характеризуется высокой степенью устойчивости (на рекультивированном участке - 90,1% от контрольного веса, на нерекультивированном - 54,2%). Минимальные показатели прироста обнаружены у Typha latifolia и Eriophorum vaginatum. Typha latifolia имела минимальную степень устойчивости (на рекультивированном участке - 53,3% от контрольного веса, на нерекультивированном - 5,8%); Eriophorum vaginatum - среднюю (на рекультивированном участке - 33,8% от контрольного веса, на нерекультивированном - 25,6%). Таким образом, показано, что нефтяное загрязнение значительно снижает интенсивность фотосинтеза, общее количество пигментов в ассимилирующих органах растений и биологическую продуктивность. У устойчивых к действию нефти видов (Eriophorum vaginatum и Саrех acuta) наблюдается уменьшение отношения хлорофилла «а» к «b», суммы хлорофиллов к каротиноидам. Изученные параметры могут использоваться как индикаторы состояния почв при нефтяном загрязнении. Eriophorum vaginatum и Саrех acuta мы рекомендуем использовать при проведении фитомелиорации загрязненных почв.

About the authors

L. E Korchagina

JSC Siberian Research and Design Institute of Environmental Management

Email: lemazunina@rambler.ru
Nizhnevartovsk
graduate student at the Department of Ecology

References

  1. Акиншина Н.Г., Азизов А.А., Карасева Т.А., Клозе Э.О. Коэффициент фотосинтетической активности как показатель стресса // Современная физиология растений: от молекул до экосистем: Мат-лы междунар. конф.: В 3 ч. Сыктывкар, 2007. Ч. 3.
  2. Белявская Н.А., Волошина Н.Ю., Дидух Я.П. Влияние различных уровней освещенности на структурно-функциональную организацию хлоропластов листьев двух видов кленов // Физико-химические основы структурно-функциональной организации растений: Тез. докл. междунар. науч. конф. Екатеринбург, 2008.
  3. Гавриленко В.Ф., Жигалова Т.В. Большой практикум по фотосинтезу. М., 2003.
  4. Гетко Н.В. Растения в техногенной среде. Минск, 1989.
  5. Головко Т.К., Далькэ И.В., Бочаров Д.С. Мезоструктура и активность фотосинтетического аппарата трех видов растений семейства Grassulaceae в холодном климате // Физиология растений. 2008. Т. 55. Вып. 5.
  6. Иванов В.Б. Проблема нефтезагрязнения и рекультивации почв на территории Ханты-Мансийского автономного округа - Югры // Экологическая и промышленная безопасность в ХМАО - Югре: Сб. науч. тр. Нижневартовск, 2010.
  7. Корчагина Л.Е. Особенности структуры биомассы и типов стратегий растений как индикатор состояния почв // Проблемы и перспективы изучения естественных и антропогенных экосистем Урала и прилегающих регионов: Сб. мат-лов заочной всерос. науч.-практ. конф. (г. Стерлитамак, 21-22 мая 2010 г.). Стерлитамак, 2010.
  8. Маслова Т.Г., Попова И.А., Попова О.Ф. Критическая оценка спектрофотометрического метода количественного определения каротиноидов // Физиология растений. 1986. Т. 33. Вып. 3.
  9. Усманов И.Ю. Эколого-физиологические характеристики некоторых видов растений с разными типами стратегий из антропогенных сообществ // Биологические науки. 1986. № 10.
  10. Фаттахова Ф.З. Фотосинтез. Методические указания к лабораторно-практическим занятиям по физиологии растений для студентов биологического факультета. Уфа, 1987.
  11. Чижов Б.Е. Лес и нефть Ханты-Мансийского автономного округа. Тюмень, 1998.
  12. Klekowski E.I., Corredor I.E., Morele I.M. et al. Oil pollution and mutations at the mangroves // Marinary Pollution Bull. 1994. № 3.
  13. Lichtenthaler H.K., Wellburn A.R. Determinations of total carotenoids and chlorophylls a and b of leaf extracts in different solvens // Biochem. Soc. Trans. 1984. V. 11. № 5.
  14. Lichtenthaler H.K. Chlorophylls and carotenoids: Pigments of photosynthetic biomembranes // Methods Enzymol. 1987.

Statistics

Views

Abstract - 0

Article Metrics

Metrics Loading ...

Refbacks

  • There are currently no refbacks.


This website uses cookies

You consent to our cookies if you continue to use our website.

About Cookies