Биологический контроль состояния окружающей среды по флуоресценции хлорофилла хвои сосны обыкновенной

Андреев Дмитрий Николаевич

аспирант Пермского государственного национального исследовательского университета, г. Пермь

E-mail: egis@psu.ru

The biological control of environmental conditions on the chlorophyll fluorescence of Pine needles

Dmitriy Andreev

Postgraduate Student of Perm State National Research University, Perm

АННОТАЦИЯ

Выполнены исследования по измерению параметров фотосинтетического аппарата хвои сосны обыкновенной (Pinus sylvestris L.). В работе предлагается использовать метод регистрации флуоресценции хлорофилла растительных объектов в целях биологического контроля состояния окружающей среды. В результате проведена оценка экологического состояния экосистем сосновых лесов с различной антропогенной нагрузкой.

ABSTRACT

Studies on measurement the parameters of photosynthetic apparatus of pine (Pinus sylvestris L.) needles are made. We propose to use the method for detecting chlorophyll fluorescence of plant for biological control of the environment. As a result, the assessments of ecological state of pine forests ecosystems with different anthropogenic influence are execute.

Ключевые слова: флуоресценция хлорофилла; Pinus sylvestris L.; биологический контроль; антропогенное воздействие.

Keywords: chlorophyll fluorescence; Pinus sylvestris L.; biological control; anthropogenic influence.

Биологический контроль качества окружающей среды в настоящее время оформился как актуальное научно-прикладное направление. С помощью биологических методов возможно получение экспресс-информации состояния живых организмов, их физиологического состояния. Имеется в виду информация, которая позволила бы уже на ранних этапах диагностировать изменение клеточного метаболизма под влиянием внешних факторов. Принципиально важно получить эту информацию задолго до того, как результат внешних воздействий на организмы проявится в видимых признаках.

Один из перспективных методов биологического контроля – регистрация у растительных объектов различных параметров флуоресценции хлорофилла.

В большинстве научных исследований российских и зарубежных ученых для измерения параметров фотосинтетического аппарата растений используется показатель быстрой (или переменной) флуоресценции (БФ), то есть измерение энергии, которая не поступила на фотосинтез и не перешла в тепло после поглощения клеткой кванта света [2].

В данной работе предложен метод регистрации относительного показателя замедленной флуоресценции (ОПЗФ). Явление замедленной флуоресценции состоит в том, что после светового возбуждения в фотосинтезирующих клетках наблюдается слабое, длительно затухающее свечение, испускаемое хлорофиллом [2]. Это свечение возникает уже после прекращения быстрой флуоресценции за счет энергии, выделяемой в ходе темновых реакций первичных фотопродуктов фотосинтеза в реакционных центрах. Принцип регистрации показателя заключается в том, что измерение свечения каждого образца проводится для двух заранее установленных световых и временных режимов, условно обозначенные как «режим высокого света» и «режим низкого света» [1].

Наиболее перспективным инструментом биологического контроля состояния окружающей среды является использование современного высокочувствительного флуориметра «Фотон 10» (рис. 1). В основу работы прибора положен принцип измерения послесвечения хлорофиллсодержащего растительного объекта в промежутках между импульсами возбуждающего света, или замедленной флуоресценции хлорофилла. Если свет давать в виде импульсов, то в промежутках появляется свечение, проходящее от миллисекунд до секунд. Послесвечение характерно только для нормально функционирующих организмов.

Рис. 1. Результаты измерений хвои на флуориметре «Фотон-10»

По сравнению с зарубежными аналогами система «Фотон-10» имеет следующие преимущества: возможность измерения замедленной флуоресценции хлорофилла; исключается необходимость доставки проб в лабораторию; малое время процедуры замера определяет ее высокую производительность; компьютеризированная обработка полученных данных непосредственно в полевых условиях позволяет оперативно корректировать сеть опробования.

В летний период 2011 г. сотрудниками кафедры биогеоценологии и охраны природы ПГНИУ выполнялись полевые работы по измерению параметров флуоресценции хлорофилла хвои сосны обыкновенной. Обследования проводились на двух особо охраняемых природных территориях (ООПТ), для которых основной лесообразующей породой является сосна обыкновенная.

В качестве территории с высоким уровнем антропогенного воздействия выбран охраняемый природный ландшафт местного значения «Черняевский лес» (площадь 685,97 га). Он представляет собой лесной массив, который находится практически в центре г. Перми. На лесные экосистемы Черняевского леса оказывают влияние множество антропогенных факторов, такие как автотранспорт, промышленные предприятия, рекреация, прокладка инженерных сооружений и др.

В качестве фоновой территории выбран охраняемый ландшафт регионального значения «Осинская лесная дача» (площадь – 12168,0 га). Он расположен в 100 км к Юго-Западу от г. Пермь. Основными факторами изменения природной среды здесь являются рекреация и лесные пожары.

В рамках полевых работ на территории Черняевского леса заложено 10 пробных площадок в сосняках зеленомошниках, а на территории Осинской лесной дачи – 16. На пробных площадках отбиралось по несколько образцов хвои с подроста сосны. Помимо отбора хвои для анализа на «Фотон-10», выполнен пробоотбор почвы, хвои и кернов сосны обыкновенной для проведения геохимических анализов. Помимо этого, измерялись влажность древесины, температура и влажность воздуха, а также высота, диаметр и возраст деревьев.

По результатам анализа на флуориметре Фотон-10 (рис. 2) среднее значение ОПЗФ по территории Черняевского леса составляет 3,9, а по Осинской лесной даче – 6,9. Значение показателя в Черняевском лесу на 45 % ниже, чем в Осинской лесной даче.

Среднее значение показателя быстрой флуоресценции БФ по территории Черняевского леса составляет 0,63, а по Осинской лесной даче – 0,74. Значение показателя в Черняевском лесу на 12 % ниже, чем в Осинской лесной даче. Тем самым можно сделать вывод, что показатель БФ хлорофилла изменяется незначительно в районах с различным уровнем загрязнения.

Полученные результаты позволяют сделать вывод о том, что относительный показатель замедленной флуоресценции хлорофилла является более чувствительным в сравнении с показателем быстрой флуоресценции, сильнее реагирующем на антропогенное воздействие. Тем самым, именно метод регистрации ОПЗФ наиболее перспективен при биологическом контроле состояния окружающей среды.

Рис. 2. Результаты измерений хвои на флуориметре «Фотон-10»

Результаты исследования показывают различия работы фотосинтетического аппарата сосны обыкновенной в районах с различным антропогенным воздействием.

Метод регистрации относительного показателя замедленной флуоресценции хлорофилла у хвои сосны обыкновенной является быстрым, относительно дешевым, инновационным и перспективным для оперативного биологического контроля состояния окружающей среды.

Список литературы:

1.Григорьев Ю.С. Флуоресценция хлорофилла в биоиндикации загрязнения воздушной среды / Ю.С. Григорьев // Вестник Международной академии наук экологии и безопасности жизнедеятельности (МАНЭБ). – 2005. – Т. 10, № 4. – С. 77-91.

2.Рубин А.Б. Биофизические методы в экологическом мониторинге / А.Б. Рубин // Соросовский образовательный журнал. – 2000. – № 4. – С. 7—13.