Значительные темпы развития производства, увеличение количества автотранспорта и все возрастающие масштабы воздействия человека на окружающую природную среду в последние десятилетия приводят к значительному загрязнению атмосферного воздуха. Высокая урбанизация усугубляет данный процесс, в связи с чем, в городах возникают самые неблагоприятные условия для жизни человека. Для улучшения санитарно-гигиенических условий на территориях предприятий и в селитебных зонах необходимо использовать различные виды растений для создания эффективных «зеленых фильтров».

Высокой декоративностью и разнообразием обладают различные виды однолетних цветущих растений, применяемые при оформлении клумб, рабаток, миксбордеров. Эти растения широко используются в озеленении городских улиц, в санитарно-защитных зонах и на территориях предприятий. Однако неблагоприятные условия окружающей среды зачастую оказывают на них негативное влияние, так как поглощение соединений, чуждых метаболизму, приводит к разнообразным нарушениям жизненных процессов, что в свою очередь может привести как к ухудшению декоративных свойств, так и к гибели растений. В связи с этим представляло интерес оценить, какие виды декоративных растений более устойчивы к неблагоприятным условиям произрастания, и какие из них целесообразнее использовать для улучшения эстетических и санитарно-гигиенических характеристик урбанизированных территорий.

Наиболее часто при изучении устойчивости растений к неблагоприятным факторам среды учитывается активность антиоксидантных ферментов. Поддержание равновесия окислительно-восстановительных процессов в клетках при действии газов, особенно кислотогенных, имеет особое значение, так как последние вызывают сдвиг межклеточной и внутриклеточной среды в кислую сторону. Поскольку оптимумы действия большинства гидролитических ферментов находятся в кислой зоне, падение рН клеточной среды способствует их активации, что в дальнейшем может привести к усилению окислительных процессов в клетках. При негативных воздействиях в клетках растений усиливается образование активных форм кислорода, что в итоге может привести к окислительному стрессу. В последние годы образование и быструю диффузию через мембраны перекиси водорода рассматривают как проявление сигнальной функции, а именно как вторичный мессенджер при трансдукции стрессорного сигнала, включающего индукцию синтеза ферментов-антиоксидантов [ШевяковаН.И. и др., 2002; Духовский П. и др., 2003].

Целью нашей работы являлось исследование активности антиоксидантных ферментов каталазы и пероксидазы в тканях некоторых однолетних декоративных растений в условиях урбанизированной среды.

Объектами исследования служили цветущие, находящиеся в средневозрастном генеративном состоянии, наиболее распространенные в посадках г. Йошкар-Олы однолетние растения: бархатцы прямостоячие (Tagetes ereсta L.), бархатцы отклоненные (Tagetes patula L.), лаватера трехмесячная (Lavatera trimestris L.), астра китайская (Callistephus chinensis L.), сальвия блестящая (Salvia splendens Ker. Gawl.) и петуния гибридная (Petunia hybrida Hort.). Растения были выращены в различных по степени антропогенной нагрузки районах города Йошкар-Олы. Районы исследований были выделены по результатам химических анализов атмосферного воздуха и на основе этих данных вычисленных комплексных индексов загрязнения атмосферы (КИЗА) [Экология города Йошкар-Олы, 2007].

1. условно чистый, контрольный район исследования – участок на юго-востоке города Йошкар-Олы (ООПТ «Сосновая роща» и СТ «Энергетик»), КИЗА в данном районе не превышал 1,7;
2. район с низким уровнем загрязнения – селитебная зона по ул. Осипенко; КИЗА=2,6;
3. район со средним уровнем загрязнения – промышленная зона г. Йошкар-Олы вблизи ОКТБ «Кристалл», КИЗА =6,2.

Районов с постоянным, высоким уровнем загрязнения, в которых КИЗА соответствовал бы аналогичным показателям в городах с высокоразвитой промышленностью, в г. Йошкар-Оле не обнаружено. Для получения ферментативного гомогената навеску растительного материала (0,5 г) растирали в ступке с песком в 10–25 мл 60 мМ K-Na-фосфатного буфера (pH 7,4). Гомогенат фильтровали и в нем определяли активность ферментов. Для выделения внутриклеточных пероксидаз гомогенат центрифугировали 10 мин при 3000 g и супернатант использовали для определения активности фермента.

Общую активность пероксидазы (КФ 1.11.1.7) измеряли по увеличению оптической плотности при 670 нм в реакционной смеси (3 мл), состоящей из K-Na-фосфатного буфера (60 мМ, pH 7.0), бензидина (0.2 мМ), 0.3%-ой H₂О₂, и 1 мл гомогената. Активность фермента определяли при 25ºС сразу после выделения и рассчитывали по методу Бояркина [Бояркин А.Н., 1951]. Активность пероксидазы выражали в мкмолях окисленного бензидина на грамм сырой массы в минуту (мкмоль•г^-1•мин^-1).

Активность каталазы (КФ 1.11.1.6) определяли титрометрическим методом [Белозерский А.Н., Проскуряков Н.И., 1951]. Реакционная среда содержала 5 мл 3%-ной Н₂О₂ и 10 мл гомогената. После добавления перекиси водорода активность каталазы определяли по скорости выделения кислорода в течение 5 мин и выражали в мл выделенного O₂на грамм сырой массы в минуту (мл О₂•г-1•мин-1).

Полученные данные подвергали стандартному статистическому анализу, используя программу «Statistica 6.0». Достоверность различий обсуждалась при 5% уровне значимости.

Пероксидаза – самая распространенная у растений терминальная оксидаза. Этот фермент довольно чувствителен к комплексу загрязняющих атмосферу веществ и возрастание ее активности может свидетельствовать о проявлении защитных реакций тканей в неблагоприятных условиях.

В ходе проведенных исследований было отмечено, что в наиболее оптимальных условиях произрастания (контроль) активность пероксидазы в тканях декоративных цветочных растений была минимальной и, как видно из рис. 1, составляла 0,01-0,17 мкмоль•г^-1•мин^-1. Среди исследованных видов самой низкой активностью фермента характеризовалась сальвия блестящая, несколько большие значения данного показателя были у обоих видов бархатцев (0,04-0,08 мкмоль•г^-1•мин^-1). Активность пероксидазы у лаватеры трехмесячной, петунии гибридной и астры китайской, произрастающих в чистом районе исследований (контроль), была статистически значимо выше, чем у других видов растений и достигала 1,6-1,7 мкмоль•г^-1•мин^-1.

Рис. 1. Изменение активности пероксидазы в листьях однолетних декоративных растений в условиях городской среды 1 – условно чистый район, 2 – селитебная зона, 3 – промышленная зона

Т.о., несмотря на оптимальные условия произрастания, активность пероксидазы у всех изученных растений имела специфические особенности, выражающие видовые особенности изучаемых растений.

По мере увеличения антропогенной нагрузки у всех исследованных видов растений происходило повышение пероксидазной активности в ассимиляционных тканях. При этом существенное увеличение исследуемого показателя в наиболее загрязненном районе исследования по сравнению с контролем, наблюдалось у таких видов растений, как астра китайская (в 8 раз), петуния гибридная и лаватера трехмесячная (почти в 3 раза). Однако максимальное повышение активности фермента пероксидазы было отмечено у сальвии блестящей, у которой уже в селитебной зоне (средний уровень загрязнения атмосферного воздуха) произошло повышение активности фермента в 7,5 раз, а растения, произрастающие в промышленной зоне, обладали пероксидазной активностью, которая была еще в 6 раз выше, чем в среднезагрязненном районе.

В ряде работ [Николаевский В.С., 1979; Андреева В.А., 1988 и др.] показано, что кислые газы на свету инициируют возникновение свободнорадикальных цепных реакций окисления, в ходе которых образуются органические перекиси. Образование и накопление последних, по-видимому, обусловливает субстратную активацию пероксидазы, которая, как известно, при каталитическом действии может использовать органические перекиси в качестве источника активного кислорода. Известно, что с повышением активности пероксидазы усиливаются ее оксидазные свойства, следовательно, в условиях действия СO₂, SO₂, NO₂может преобладать функционирование пероксидазы как терминальной оксидазы. Вероятно, что в этих условиях при ингибировании других оксидаз происходит адаптивная перестройка окислительного аппарата, препятствующая нарушению дыхательного процесса.

Важная роль в обмене веществ отводится так же каталазе, которая широко распространена в растениях. Каталаза является одним из самых активных энзимов в природе, принадлежит к группе элитных ферментов, обладающих рекордными скоростями работы, играет определенную роль в процессах адаптации организма к стресс-факторам. Каталаза выполняет важную роль, разлагая токсичную для клеток перекись водорода, образовавшуюся в результате клеточного дыхания с участием флавиновых дигидрогеназ. Данный фермент принимает участие в разложении перекисей, регулируя смену фаз аэробных и анаэробных процессов, и участвует в окислении перекисей в пероксисомах при фотодыхании. Существенна роль каталазы в снабжении молекулярным кислородом участков ткани, куда доступ его затруднен. Известно, что активность фермента зависит от вида растения, возраста клеток, типа ткани и других факторов; оптимум действия каталазы наблюдается при рН=6,5, а в более кислых и щелочных средах активность фермента уменьшается [Цегарем М.П., Пруидзе Г.Н., 1990].

Исследование активности каталазы в тканях декоративных растений показало, что в условно чистом местообитании активность данного фермента довольно существенно отличалась у особей разных видов. Максимальной каталазной активностью, статистически значимо отличающейся от других видов, характеризовались особи лаватеры трехмесячной (70,0-70,9 мл О₂•г-1•мин-1) (рис. 2). У сальвии блестящей и петунии гибридной данный показатель был ниже более чем в 2,5 раза, а самой низкой активностью фермента характеризовались особи астры китайской, бархатцев прямостоячих и бархатцев отклоненных.

Как показано на рис. 2, во всех изученных местообитаниях минимальные значения данного параметра были характерны для астры китайской и бархатцев отклоненных. У этих видов каталазная активность составляла 4,24-6,35 мл О₂•г^-1•мин^-1, кроме того, в различных местообитаниях у данных видов значения изучаемого параметра не имели статистически значимых отличий, так же как и у бархатцев прямостоячих, которым была свойственна активность каталазы в пределах 10,0-13,4 мл О₂•г^-1•мин^-1.

Рис. 2. Изменение каталазной активности в листьях однолетних декоративных растений в условиях городской среды, 1 – условно чистый район, 2 – селитебная зона, 3 – промышленная зона

Максимальная активность каталазы во всех районах исследований была отмечена в тканях лаватеры трехмесячной, у которой наблюдались самые высокие значения в экологически контрастных местообитаниях значения (70,0-70,9 мл О₂•г^-1•мин^-1), а в районе со средним уровнем загрязнения атмосферного воздуха этот показатель резко понижался (29,7 мл О₂•г^-1•мин^-1). Такой двухфазный характер изменения активности фермента может указывать на процессы адаптации растений к условиям окружающей среды.

Для сальвии блестящей и петунии гибридной отмечалось статистически значимое снижение активности каталазы в районах со средним и высоким уровнем загрязнения атмосферного воздуха с 23,0-28,5 до 4,7-14,3 мл О₂•г^-1мин^-1соответственно.

Подобная картина изменений активности каталазы говорит о сложных процессах адаптаций растений, имеющих свою специфику у каждого вида растений, независимо от систематической принадлежности. По-видимому, достаточно высокие концентрации загрязняющих веществ вызывали окислительное повреждение фермента, что и привело к понижению его активности в результате накопления большого количества Н₂О₂, либо блокирования активного центра каталазы поллютантами. Изменение активности фермента во многом связано с биологической особенностью вида и является до некоторой степени показателем реакции растительного организма на комплекс экологических воздействий. Большинство растений обладают пониженной активностью каталазы на загрязненных участках произрастания, и чем выше устойчивость вида к загрязняющим веществам, тем выше активность этого энзима, и наоборот, ингибирование активности фермента может являться диагностическим признаком слабой толерантности растений к эмиссионным нагрузкам [Чиркова Т.В., 2002].

Изменение в свойствах фермента могут быть понятны только в общей картине приспособлений всех метаболических реакций клетки к стрессу, т.е. имеют адаптационный характер и дают возможность противостоять неблагоприятным условиям среды. Изменение активности каталазы у различных видов растений, сопровождающееся активацией пероксидазы наблюдали ряд исследователей [Николаевский В.С., 1979; Воскресенская О.Л., Сарбаева Е.В., 2006]. В данных работах показано, что чем активнее каталаза, тем выше газоустойчивость растений. Высокие значения активности каталазы у лаватеры трехмесячной позволяют предположить о большей устойчивости данного вида к условиям урбанизированной среды по сравнению с другими изученными видами.

Таким образом, увеличение уровня загрязнения атмосферного воздуха оказывает непосредственное влияние на изменение активности окислительно-восстановительных ферментов у ряда видов растений, а так же способствует увеличению активности пероксидазы и снижению активности каталазы. Возможно, что повышение активности одного железосодержащего фермента – пероксидазы сопровождается ингибированием активности другого – каталазы. Низкие значения активности каталазы у таких видов, как бархатцы прямостоячие, бархатцы отклоненные и астра китайская, сопровождающиеся активацией пероксидазы в неблагоприятных условиях произрастания, могут указывать на их низкую адаптивную способность к неблагоприятным условиям среды и рекомендовать использовать их лишь в парковых и селитебных зонах, а для промышленных районов можно рекомендовать использовать лаватеру трехмесячную, сальвию блестящую и петунию гибридную, имеющих более пластичный ферментативный аппарат, позволяющий приспосабливаться растениям данных видов к меняющимся условиям произрастания.

Примечание: Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ 07-04-96619 «Эколого-физиологические адаптации растений в условиях городской среды» и НИР по тематическому плану Федерального агентства по образованию «Исследования функциональных особенностей биосистем в изменяющейся среде».