УДК 502.7:574

DOI: 10.24412/cl-36359-2021-158-161

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДОВ И СРЕДСТВ ОЦЕНКИ ВЛИЯНИЯ ТЕХНОГЕННОЙ НАГРУЗКИ НА БИОТИЧЕСКИЕ КОМПОНЕНТЫ АГРОЛАНДШАФТОВ

IMPROVEMENT OF METHODS AND MEANS FOR ESTIMATING THE INFLUENCE OF TECHNOGENIC LOAD ON BIOTIC COMPONENTS OF AGRICULTURAL LANDSCAPE

Л.А. Быкова, А.В. Быков, Е.Э. Савченкова

L.A. Bykova, A.V. Bykov, E.E. Savchenkova

Оренбургский государственный университет, Оренбург, Россия

Orenburg State University, Orenburg, Russia

E-mail: ludmila20082@yandex.ru

Аннотация. В статье основное внимание уделено экологической проблеме загрязнения окружающей среды химикатами, поступающими в результате техногенного воздействия на агробиоценозы в процессе сельскохозяйственного производства. Представлена уникальная высокочувствительная экспериментальная установка и методика оценки неблагоприятного влияния гербицидов на растения, кратко описаны результаты проведенных исследований.

Ключевые слова: агроландшафт, техногенная нагрузка, экологический мониторинг, замедленная флуоресценция хлорофилла.

Abstract. The article focuses on the environmental problem of environmental pollution with chemicals coming as a result of technogenic impact on agrobiocenoses in the process of agricultural production. A unique highly sensitive experimental setup and a technique for assessing the adverse effect of herbicides on plants are presented, the results of the studies are briefly described.

Keywords: agricultural landscape, technogenic load, environmental monitoring, delayed chlorophyll fluorescence.

В связи с возрастающей техногенной нагрузкой на биотические и абиотические элементы агроландшафтов возникает необходимость в разработке и совершенствовании высокочувствительных методов экологического мониторинга. Как следствие применения всевозможных препаратов фиксируются изменения в видовом составе растений, проявляющиеся главным образом в возникновении биотипов сорняков с выраженной устойчивостью к химикатам. Вопросы идентификации, анализа биологической опасности веществ, приводящих к загрязнению окружающей среды, определения степени их токсичности для растения, актуальны на современном этапе развития техносферы.

Цель проводимых исследований – разработка биофизического метода экологического мониторинга, базирующегося на фиксации замедленной флуоресценции хлорофилла, а также технического устройства для осуществления этого метода, позволяющих установить степень негативного воздействия фосфорорганических гербицидов на растения агроландшафтов.

Нужно отметить, что растения, использованные в качестве объекта исследований, относятся к флоре аридного региона. Отличительная особенность таких растений – разнообразие структурных и биохимических адаптационных приспособлений к экстремальным почвенно-климатическим условиям. Под воздействием чрезмерной освещенности, недостаточного водоснабжения и высоких температур воздуха и почвы фотосинтетический аппарат растений адаптируется к ксеротермическим условиям местообитаний, приобретаются определенные особенности: мелкоклеточность мезофилла, избыточное количество пластид в клетке (предположительно, в результате малой вакуолизации цитоплазмы), а в конечном итоге – концентрированность хлоропластов на единице листовой поверхности (в 2-5 раз выше по сравнению с растениями лугов). Это происходит в основном от дефицита влаги, препятствующего растяжению клеток, но в то же время компенсируется микрофиллия растений аридных регионов, что благоприятно сказывается на поддержании силы фотосинтетического аппарата листовой пластинки. 

Замедленная флуоресценция, называемая также фотореэмиссией или длительным послесвечением, базируется на генерации в процессе фотосинтеза I веществ, способных к вовлечению в обратные реакции. При этом энергия этих продуктов устремляется на вторичную активацию хлорофилла и вызывает эманацию свечения, аналогичного по спектру флуоресценции хлорофилла, но значительно более продолжительного по времени.

Фотореэмиссия, сопряженная непосредственно с реакционными центрами фотосистемы II, включает в себя такие компоненты: короткоживущую (10^-3 с), долгоживущую (минуты) и промежуточную. По спектрам возбуждения послесвечение практически не отличается от спектра фотосинтеза и характеризуется двумя пиками (при 685 нм и 735-740 нм).

Немаловажно, что регистрация вызванной светом замедленной флуоресценции позволяет проводить исследования не только с молодыми растениями в возрасте проростков, но и сформировавшимися взрослыми растениями. Послесвечение коррелирует непосредственно со структурно-функциональными видоизменениями липопротеиновых мембран хлоропластов при преобразовании в них энергии квантов света в энергию химических связей, что позволяет фиксировать появляющиеся перестройки в хлоропластах растения при действии на него различных неблагоприятных факторов техносферы.

Различия в интенсивности фотореэмиссии растений, которые не подвергались воздействию фитотоксических веществ, и обработанных растений дает возможность определять место дислокации и скорость проявления токсического действия пестицида, а также свидетельствует о специфике ответных реакций растений на химикат [4].

Так как энергия, которая высвобождается в процессе замедленной флуоресценции, чрезвычайно низкая, ее можно регистрировать лишь при помощи высокочувствительных детекторов света – фотоэлектронных умножителей. Разработка соответствующей методики также входила в задачи исследования.

Для проведения экспериментов в лабораторных условиях применяли сконструированное устройство для регистрации замедленной флуоресценции [5]. На рисунках 1 и 2 представлены общий вид и блок-схема разработанной установки.

Общая методика проведения экспериментальных исследований состояла из методики отбора растений для проведения исследований, методики определения функциональных зависимостей показателей замедленной флуоресценции от концентрации гербицида и времени, прошедшего после обработки, а также методики испытаний устройства-индикатора в естественных условиях.

В целях эксперимента использовали водные растворы фосфорорганического гербицида раундап, тормозящего биосинтез ароматических аминокислот в растительных клетках.

Для изучения влияния техногенной нагрузки на культурные и сорные растения агробиоценозов были запланированы и проведены полевые эксперименты. Надземные органы вегетирующих растений подвергались обработке растворами выбранного пестицида с различными концентрациями. Объем раствора фитотоксиканта для всех вариантов опыта не менялся и обеспечивал полное, равномерное смачивание всех частей растений. Контрольные растения обрабатывали чистой водой. Затем отделенный от растения лист помещали в камеру экспериментальной установки, провоцировали возникновение послесвечения путем облучения лампой листовой пластинки, а затем фиксировали количество испускаемых импульсов. Обнаруженную фотореэмиссию сначала регистрировали у обработанного гербицидом растения, и лишь потом у контрольного образца. Нами учитывалась также продолжительность воздействия гербицида на растения, оцениваемая в сутках, прошедших с момента обработки.

По результатам количественных измерений, продублированных в десятикратной повторности, строились кривые спада замедленной флуоресценции. В качестве базового показателя фотореэмиссии были предложены значения амплитуды медленной (секундной) компоненты затухания длительного послесвечения [2].

В ходе проведенного исследования на большом фактическом материале зарегистрированы отличительные особенности изменения интенсивности замедленной флуоресценции хлорофилла культурных и сорных растений разных сортов и видов под действием фосфорорганического гербицида.

Анализ полученных экспериментальных данных свидетельствует о сходном характере спада кривых фотореэмиссии обработанных гербицидом и контрольных растений. При этом интенсивность длительного послесвечения отмечалась различная.

Обнаружена закономерность: чем больше время экспозиции, тем ниже интенсивность замедленной флуоресценции у обработанных гербицидом растений по сравнению с контролем. Для большинства растений характерен спад интенсивности фотореэмиссии с ростом концентрации гербицида [1].

После статистической обработки экспериментальных данных выявлено, что величина дисперсии интенсивности замедленной флуоресценции хлорофилла для контрольных растений значительно ниже, чем для растений, обработанных растворами гербицида различных концентраций. Исходя из этого обстоятельства, можно сделать предположение о перспективной возможности использования разработанного устройства и методики для оценки отдаленных последствий действия токсикантов на растительные организмы.

На основе предложенного параметра – постоянной, свидетельствующей о скорости спада интенсивности замедленной флуоресценции, разработаны принципы классификации видов и сортов растений по ответной реакции фотосинтетического аппарата на воздействие фосфорорганического гербицида [1, 3].

Cписок литературы

1. Быкова Л.А. Экологическая оценка влияния фосфорорганического гербицида раундап на фитоценозы агроландшафтов с использованием метода регистрации замедленной флуоресценции: Автореф. дисс. … канд. техн. наук: 03.00.16. Казань: КГТУ, 2005. 19 с.

2. Быкова Л.А., Ефремов И.В., Быков А.В. К вопросу о применении флуоресцентных методов в экологическом мониторинге агроландшафтов [Электронный ресурс] // Региональные проблемы геологии, географии, техносферной и экологической безопасности: сб. ст. Всерос. науч.-практ. конф., 18-20 нояб. 2019 г., Оренбург / Оренбургский гос. ун-т, Управление Федер. службы по надзору в сфере природопользования по Оренбург. обл., Волго-Уральский науч.-исслед. и проектный ин-т нефти и газа. Оренбург: ИП Востриков К «Полиарт», 2019. С. 172-175.

3. Ефремов И.В., Быкова Л.А. Разработка методики влияния гербицидов на фотосинтетический аппарат растительных тканей [Электронный ресурс] // Вестник Оренбургского государственного университета. 2004. № 1. С. 128-132 .

4. Маторин Д.Н., Венедиктов П.С., Рубин А.Б. Использование люминесцентных методов для исследования состояния фотосинтетического аппарата и его реакции на воздействие факторов внешней среды // Проблемы экологического мониторинга и моделирования экосистем. Л.: Гидрометеоиздат, 1985. Т. VII. С. 103-115.

5. Устройство для регистрации замедленной флуоресценции [Электронный ресурс] / Ефремов И.В., Межуева Л.В., Быкова Л.А.; патентообладатель Оренбургский государственный университет. № 2002115607/12 заявл. 11.06.2002 опубл. 27.12.2003, Бюл. № 36. 2003. 1 с.