Лесоведение, 2020, № 6, стр. 537-547

ОБЪЕКТЫ И МЕТОДИКА

Исследования проводили в 1995 и 2015 г. в сосновых фитоценозах лишайникового типа в подзоне средней тайги на пробных площадях, заложенных для проведения локального мониторинга состояния лесов в зоне аэротехногенного воздействия СЛПК. Предприятие производит сульфатную целлюлозу и беленую химико-термомеханическую массу с полной переработкой на бумагу и картон (Личутина, 2011). В 90-ые годы прошлого столетия основными выбросами предприятия являлись оксиды азота (2300–3100 т · год^–1) и углерода (17520–23150 т · год^–1), сернистый ангидрид (379.0–765.6 т · год^–1), неорганическая пыль (1700–2400 т · год^–1). Примеси в виде хлора и двуокиси хлора составляли в сумме 3.7 т · год^–1. В этот период СЛПК выбрасывал в атмосферу 24 983–30 708 т · год^–1 пылевых и газообразных веществ (Государственный …, 1997). За последние годы отмечена тенденция снижения фоновых концентраций сернистого ангидрида и сероводорода на территории г. Сыктывкар в связи с модернизацией очистных сооружений на СЛПК. В 2006 г. на предприятии внедрена система бесхлорной отбелки целлюлозы. В настоящее время суммарное количество выбросов колеблется от 10 до 17 тыс. т · год^–1, что в 2–3 раза ниже, чем в 1994–1996 гг. (Государственный …, 2016).

Экспериментальные участки располагались на расстоянии 7.3 и 11 км от СЛПК по вектору господствующих ветров летом (в северном и восточном направлениях) в лишайниковых типах леса. Фоновый участок находился в 56 км к северу от производства на Ляльском лесоэкологическом стационаре Института биологии Коми НЦ УрО РАН (табл. 1).

Для анатомо-физиологических исследований отбирали образцы сформированной однолетней хвои с 5–10 80–90-летних деревьев сосны с опытных и фонового участков. Побеги срезали с середины кроны с южной стороны дерева. Сбор образцов проводили в июле. Анатомическую структуру изучали на временных препаратах поперечных срезов из средней трети хвои под микроскопом Axiovert 200 M (Carl Zeiss, Германия).

Электронно-микроскопические исследования. Фрагменты из центральной части хвои фиксировали в течение 4.5 ч в 2.5%-ом глутаральдегиде, приготовленном на фосфатном буфере с рН 7.4. Постфиксацию проводили в 1%-ом водном растворе осмиевой кислоты в течение 4 ч. После дегидратации в сериях растворов этилового спирта и ацетона образцы заключали в смолу Эпон-812 (FLUKA). Ультратонкие срезы были получены на ультрамикротоме PowerTome PC (Boeckeler Instruments, США). Наблюдения и съемку микропрепаратов проводили на электронном микроскопе Tesla BS 500 (Tesla, Чехословакия). Количественные характеристики клеток мезофилла и клеточных органелл получали по методике (Скупченко, 1990) в 20–60-кратной повторности.

Физиологические исследования. Для количественного и качественного анализа пигментов образцы хвои отбирали в пяти-шести биологических и четырех-пятикратной аналитических повторностях. Содержание пластидных пигментов определяли на спектрофотометре UV-1800 (Shimadzu, Япония) в ацетоновой вытяжке (Шлык, 1971). Фотосинтетическую способность оценивали по поглощению СО₂, измеренному инфракрасным газоанализатором Li COR-6400 (Li COR, США) при насыщающей освещенности, температуре 20°С и влажности 70%. Темновое дыхание измеряли по выделению СО₂ инфракрасным газоанализатором при 20°С, влажности 70%. Измерения фотосинтетической активности и дыхательной способности хвои проводили в контролируемой камере 6400-22L (Li COR, США).

Статистический анализ экспериментальных данных. Данные обрабатывали методами вариационной статистики с использованием Microsoft Office Excel 2007 и Statistica. Значимость отличий исследуемых показателей от контроля проверяли с помощью критерия Стъюдента.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Морфология и анатомия хвои. Форма поперечного сечения хвои сосны близка к полукругу или полуовалу. Его площадь зависит от размеров и числа гистологических элементов. Значительный объем (55–65%) занимает основная фотосинтезирующая ткань – складчатый мезофилл, клетки которого располагаются двумя-тремя рядами вокруг центрального цилиндра (рис. 1). Среди них формируются 8–12 смоляных ходов. Эндодерма, разграничивающая фотосинтезирующую и проводящие ткани, хорошо выражена. Парциальный объем центрального цилиндра, включающего паренхиму, в т.ч. трансфузионную, межпучковую склеренхиму и два проводящих пучка, составляет до 30%.

Рис. 1.

Поперечный срез хвои сосны обыкновенной. 1 – эпидерма, 2 – гиподерма, 3 – мезофилл, 4 – смоляной ход, 5 – эндодерма, 6 – проводящий пучок.

В сосняках лишайниковых в условиях многолетнего аэротехногенного пресса показаны изменения морфологических параметров хвои сосны. В период, когда объем выбросов СЛПК составлял около 30 тыс. т в год, длина однолетней хвои на загрязненной территории не отличалась от контроля, а площадь ее поперечного сечения была на 23% меньше, чем на фоновом участке (Ладанова, Плюснина, 1998; Тужилкина и др., 1998). После значительного сокращения объемов выбросов хвоя в зоне действия СЛПК была в 1.3–1.5 раза короче, а площадь ее поперечного сечения на 40% меньше, чем на фоновом участке (табл. 2). На протяжении всего периода наблюдений радиальные диаметры клеток тканей (эпидерма, гиподерма, мезофилл) достоверно не отличались на участках с разной степенью загрязнения. В ранних работах (Ладанова, Плюснина, 1998; Тужилкина и др., 1998) также было показано отсутствие значительных отклонений от контроля в парциальных объемах тканей на поперечном срезе однолетней хвои в сосняках лишайниковых около СЛПК. Изучение образцов 2015 г. показало, что изменение площади поперечного сечения происходит за счет уменьшения числа структурных элементов в листовых органах. Так, например, в хвое с контрольного участка в этот период между гиподермой и эндодермой чаще формировалось три ряда клеток мезофилла, а на загрязненных участках – два. Согласно полученным данным в хвое на загрязненной территории также уменьшалось число и диаметр смоляных ходов по сравнению с контролем (табл. 2), что ранее было отмечено также для ели, произрастающей вблизи лесопромышленного комплекса (Тужилкина, Плюснина, 2014). Эфирные масла, которые являются основными компонентами смолы и синтезируются в эпителиальных (терпеноидогенных) клетках смоляных ходов хвойных растений, выполняют защитные функции: они токсичны для большинства травоядных и насекомых-вредителей (Хелдт, 2011) и обладают, в т.ч. антифунгальной активностью (Cavaleiro et al., 2006). Сокращение смолоносной зоны в хвое потенциально может снижать ее сохранность и устойчивость к патогенным микроорганизмам.

Известно, что морфологические показатели листовых органов зависят от многих природных факторов (Николаевский, 1979). В естественных условиях микрофиллия является характерной реакцией растений на ухудшение условий окружающей среды. Чаще всего это происходит при уменьшении доступной влаги и/или тепла (Горышина, 1989). В условиях разного режима аэротехногенного загрязнения на Кольском полуострове было показано отсутствие корреляции длины, ширины и толщины хвои сосны с уровнем загрязнения местообитания (Ярмишко, Лянгузова, 2013). Таким образом, уменьшение размерных параметров листа как в естественных, так и в антропогенных условиях часто является ответной реакцией растения на изменение экологических факторов и не всегда служит свидетельством его угнетения. Если при аэротехногенном загрязнении степень повреждения хвои (хлорозы, некрозы), ее сохранность близки к контрольным показателям, это может быть следствием оптимизации структуры фотосинтетического органа в данных конкретных условиях. В работе (Робакидзе и др., 2017) показано, что в сосняках лишайниковых в зоне действия СЛПК после снижения объемов выбросов наблюдается увеличение доли деревьев без потерь хвои, сокращение доли сосен с высокой степенью пожелтения кроны и процента поврежденных деревьев в древостоях в целом. Там же отмечено, что накопление серы в хвое и других элементов, содержащихся в выбросах, не отличается от контроля, а запас стволовой древесины древостоев увеличивается.

Изучение ультраструктурных и биохимических показателей позволяет более точно определить состояние ассимиляционного аппарата в условиях аэротехногенного загрязнения, когда видимые повреждения отсутствуют.

Ультраструктура клеток мезофилла. В период с высокими объемами выбросов, включающих хлорсодержащие компоненты, в зоне загрязнения клетки мезофилла характеризовались повышенной осмиофильностью, а хлоропласты – низким содержанием крахмала и высокой электронной плотностью стромы, что не позволяло детально рассмотреть тилакоидную систему (Тужилкина и др., 1998). В настоящее время в клетках мезофилла на загрязненных участках выявляются схожая с контролем осмиофильность и электронная плотность структур, мембраны органелл хорошо определяются (рис. 2). Показано снижение в 1.4 раза числа гран на срезе хлоропласта (табл. 3) по сравнению с фоновой территорией. Их недостаток компенсируется повышением до 1.5 раз числа пластид на срезе клетки. В итоге на загрязненной территории суммарное число фотосинтетических мембран на срезе клетки мезофилла было несколько выше, чем на фоновой. Содержание крахмала в хлоропластах сильно варьировало, особенно в контроле, где его было значительно меньше, чем на загрязненных участках. Крахмал – одно из запасных веществ растений, образуется в хлоропластах при полимеризации глюкозы (Хелдт, 2011). Запасные углеводы откладываются также в клеточной стенке. Показано, что ее толщина в мезофилле хвои на загрязненных участках выше, чем в контроле (табл. 3). Другие запасающие глобулы – крупные белковые и небольшие липидные – также присутствуют в цитоплазме клеток мезофилла. В клетках мезофилла установлено снижение числа митохондрий в условиях загрязнения.

Рис. 2.

Фрагменты клеток мезофилла (тангентальный срез) хвои сосны на расстоянии 56 км (а) и 7.3 км (б) от источника эмиссии в 2015 г. 1 – вакуоль, 2 – клеточная оболочка, 3 – крахмал, 4 – межклетник, 5 – митохондрия, 6 – хлоропласт.

Пигментный комплекс. Известно, что одним из биохимических показателей реакции растений на изменение факторов внешней среды является содержание хлорофиллов и каротиноидов – главных фоторецепторов ассимилирующей клетки. Нами раннее (Тужилкина и др., 1998; Тужилкина, 2009) было установлено влияние загрязнения среды промышленными выбросами СЛПК на пигментную систему сосны и ели. Реакция пигментного комплекса хвои на загрязнение воздуха неодинакова и зависит от техногенной нагрузки и условий местопроизрастания. В 1995 г. в зоне значительного влияния, с максимальной техногенной нагрузкой в 20–100 раз превышающей фоновую, пигментный аппарат сосны проявлял повышенную чувствительность к токсикантам, выражающуюся в снижении синтеза фотосинтетических пигментов (рис. 3а). Следует отметить, что хвоя опытных деревьев в сосняке лишайниковом отличалась от контрольных не только по суммарному количеству зеленых и желтых пигментов, изменялось и соотношение зеленых пигментов. Так, изменения в пигментном комплексе под влиянием загрязнения происходили главным образом за счет снижения содержания хлорофилла b. Концентрация хлорофилла а в хвое экспериментальных деревьев уменьшилась на 25.7%, а хлорофилла b – на 34.7% по сравнению с контролем.

Рис. 3.

Содержание пигментов в однолетней хвое сосны в лишайниковом типе леса в 1995 г. (а) и в 2015 г. (б). 1 – фоновый район; 2 – загрязненный (7.3 км от СЛПК). Различия с контролем статистически значимы при: *p < 0.05; **p < 0.01.

Исследования пластидного аппарата сосны, проведенные в 2015 г., показали, что в пигментном комплексе хвои произошли изменения по сравнению с 1995 г. При снижении техногенной нагрузки в хлоропластах сосны произошло усиление процессов образования пигментов в хвое. Концентрация хлорофиллов и каротиноидов повысилась в 1.2–1.3 раза по сравнению с контролем (рис. 3б). Согласно (Гетко, 1989) увеличение содержания хлорофиллов в условиях длительного техногенного пресса может быть связано с накоплением продуктов окисления углеводов – органических кислот цикла Кребса, продуктов гидролиза белков, необходимых для синтеза пигментов. При этом распределение хлорофилла по фотосинтетическим пулам у деревьев в зоне загрязнения, как показали наши исследования, достоверно не отличалось от контрольных. С приближением к источнику эмиссий отмечается низкая фотосинтетическая активность единицы хлорофилла (табл. 4), что, по-видимому, связано со снижением скорости обновления хлорофилла и числом молодых молекул (Гапоненко, 1971; Šestak, 1977). Это, в свою очередь, может оказать влияние на фотосинтетические процессы у деревьев и их устойчивость.

Углекислотный газообмен. Техногенное загрязнение атмосферы и почвы оказывает существенное воздействие на процессы фотосинтеза и дыхания растений. Характер и степень влияния зависят от концентрации поллютанта (Oleksyn, 1984; Кайбияйнен и др., 1998). Измерения СО₂-газообмена хвои сосны показали, что интенсивность фотосинтеза хвои деревьев в сосняках лишайниковых, произрастающих на расстоянии 7.3 км от источника выбросов, почти в 2 раза ниже по сравнению со скоростью поглощения углекислоты хвоей из фонового района (p < 0.05). Ингибирование процесса фотосинтеза хвои у сосны в условиях техногенного загрязнения атмосферы ранее было отмечено другими исследователями (Кайбияйнен и др., 1995; Тарханов, Бирюков, 2014). Торможение фотосинтеза сопровождалось повышением скорости темнового дыхания. Скорость выделения углекислоты на загрязненной территории (7.3 км от СЛПК) была в 1.4 раза выше по сравнению с интенсивностью дыхания хвои из контрольного района. Стимуляция процесса дыхания у ели в условиях промышленной зоны была отмечена нами ранее (Тужилкина, Плюснина, 2014). В промышленной зоне увеличение дыхания, как правило, наблюдается при низких концентрациях токсиканта, а при больших его дозах скорость дыхания падает (Кайбияйнен и др., 1998).

С ослаблением техногенной нагрузки (11 км от СЛПК) прослеживается тенденция снижения скорости фотосинтеза. Однако эти различия недостоверны. Дыхательная способность хвои не отличается от фоновой, что свидетельствует о сохранении стабильного уровня выделения СО₂ сосны в условиях промышленного загрязнения.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Мониторинг ассимиляционного аппарата сосны в лишайниковых сообществах на территории Республики Коми позволил выявить неодназначную реакцию структуры и функции хвои, содержания хлорофиллов и каротиноидов на воздействие аэротехногенных выбросов АО “Монди Сыктывкарский СЛПК” за 2 срока наблюдений (1995 и 2015 г.). В 1995 г. промышленные выбросы целлюлозно-бумажного производства в зоне значительного действия техногенной нагрузки оказывали отрицательное влияние на структуру клеток мезофилла и пигментную систему фотосинтетического аппарата сосны. Поллютанты способствовали ослаблению процессов накопления хлорофилла в пластидах, вызывали определенные изменения в пигментном комплексе, которые происходили главным образом за счет снижения содержания хлорофилла b (Тужилкина и др., 1998). Накопление крахмала в хлоропластах ассимилирующей паренхимы сокращалось. После снижения объемов выбросов была отмечена оптимизация структуры ассимилирующих органов, что сопровождалось уменьшением размеров хвои (длины и площади сечения) за счет сокращения числа структурных компонентов (числа рядов клеток мезофилла и смоляных ходов на поперечном срезе) и изменением численности органелл (увеличение числа хлоропластов и уменьшение числа митохондрий) в ассимиляционной паренхиме. Снижение затрат на формирование структурных компонентов хвои приводило к избыточному, по сравнению с контролем, накоплению запасных веществ в клетках мезофилла. В 2015 г., помимо увеличения числа хлоропластов, показано усиление процессов образования крахмала и пигментов в них, что отражает компенсаторный механизм адаптации хвои сосны в условиях промышленного загрязнения. Наши данные частично подтверждают гипотезу авторов (Мальхотра, Хан, 1988; Кравкина, 2001) о проявлении на структурно-биохимическом уровне адаптивных механизмов фотосинтетического аппарата в клетках хвои сосны, произрастающей в зоне загрязнения СЛПК. Установлено, что хлоропласты и их мембраны особенно чувствительны к действию загрязняющих веществ (Jäger, Klein, 1980; Кравкина, 1991) и могут служить в качестве биомаркеров оценки загрязнения окружающей среды (Vodka, 2017). Одной из важных структурных характеристик, определяющих интенсивность фотосинтеза, является тилакоидная система. В нашем исследовании действие поллютантов на число тилакоидов в гране не проявилось, в отличие от числа гран на срез хлоропласта, которое уменьшалось. Выбросы СЛПК вблизи источника эмиссии способствовали снижению фотосинтетической способности и увеличению интенсивности дыхания хвои, что в свою очередь обеспечивает энергетические потребности адаптации ее к поллютантам. С ослаблением техногенной нагрузки пигментная система, фотосинтетическая и дыхательная способности хвои не претерпевают изменений.

Таким образом, с 1995 по 2015 г. в сосняке лишайниковом зоны воздействия СЛПК у сосны обыкновенной при ослаблении загрязнения среды сернистыми и азотистыми соединениями выявлены структурно-биохимические перестройки в клетках мезофилла, направленные на стабилизацию процессов фотосинтеза и дыхания и способствующие устойчивости хвои к условиям загрязнения в районе действия целлюлозно-бумажного производства.

Авторы благодарят ведущих инженеров отдела лесобиологических проблем Севера Института биологии Коми НЦ УрО РАН С.Н. Кузина, С.П. Швецова и А.И. Патова за помощь в работе с электронным микроскопом и газоанализатором.