WWW.SELUK.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

 

Pages:   || 2 | 3 | 4 |
-- [ Страница 1 ] --

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

ГОУ ВПО «МАРИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

БОЛЬШОЙ ПРАКТИКУМ

ПО БИОЭКОЛОГИИ

Учебное

пособие

Часть 1

Йошкар-Ола

2006

ББК Е 081.я7

УДК 574.24

Б 799

Рецензенты: С.И. Новоселов, д-р с./х. наук, профессор МарГУ;

Р.Р. Иванова, канд. биол. наук, доцент МарГТУ

Рекомендовано к изданию редакционно-издательским советом МарГУ Воскресенская О.Л.

Б 799 Большой практикум по биоэкологии. Ч. 1: учеб. пособие / Мар.

гос. ун-т;

О.Л. Воскресенская, Е.А. Алябышева, М.Г. Половникова. – Йошкар-Ола, 2006. – 107 с.

ISBN 5-94808-239- Учебное пособие охватывает экспериментальные методы исследований, касающи еся различных уровней биологического мониторинга. В I часть «Большого практикума по биоэкологии» вошли методы, позволяющие проводить исследования на клеточном, орга низменном и ценотическом уровнях организации живого (на примере растений). Под вли янием факторов окружающей среды показаны варьирование химического состава расте ний, накопление и перераспределение макроэлементов и тяжелых металлов, изменение активности антиоксидантных ферментов и содержания витаминов.

Предназначено для студентов, аспирантов, преподавателей вузов, специалистов, занимающихся вопросами экологии и охраны окружающей среды.

ББК Е 081.я УДК 574. © Воскресенская О.Л., Алябышева Е.А., Половникова М.Г., © ГОУ ВПО «Марийский государственный ISBN 5-94808-239- университет»,

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ……………………………………………………………...

РАЗДЕЛ I. МЕХАНИЗМЫ УСТОЙЧИВОСТИ И

СТРУКТУРА АДАПТАЦИОННОГО ПРОЦЕССА У РАСТЕНИЙ...

ГЛАВА 1. Физиологические подходы при изучении адаптаций растений к избытку тяжелых металлов…………………………..… ГЛАВА 2. Изменение активности антиоксидантных ферментов растений в условиях урбанизированной среды……………….…… ГЛАВА 3. Распределение минеральных элементов в системе «растение-экотоп»……………………………………..……………..

РАЗДЕЛ II. ЭКОЛОГО-ФИЗИОЛОГИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ

ОЦЕНКИ УСТОЙЧИВОСТИ РАСТЕНИЙ К СТРЕССОВЫМ

ВОЗДЕЙСТВИЯМ……………………………………………………... ГЛАВА 4. Особенности биологического круговорота макроэлементов……………………………………………………… 4.1. Подготовка образца для анализа…………………………….. 4.2. Методы озоления растений…………………………………... 4.2.1. Метод мокрого озоления………………………………… 4.2.2. Метод сухого озоления…………………………………... 4.3. Определение количества золы……………………………….. 4.4. Определение содержания общего азота…………………….. 4.4.1. Определение содержания общего азота с помощью реактива Несслера………………………………………………. 4.4.2. Определение азота хлораминным методом…………….. 4.5. Определение фосфора по «синему»

фосфорномолибденовому комплексу……………………………. 4.6. Определение калия методом пламенной фотометрии……... 4.7. Определение хлоридов колориметрическим методом……... ГЛАВА 5. Методы определения содержания металлов в растениях при различных условиях произрастания……………... 5.1.Определение железа с о-фенантролином……………………. 5.2. Определение меди с диэтилдитиокарбаматом……………… 5.3. Определение цинка с дитозаном…………………………….. 5.4. Определение никеля с диметилглиоксимом………………... ГЛАВА 6. Формирование у растений биохимических адаптаций в условиях техногенеза……………………………………………… 6.1. Методы определения стрессовых белков…………………… 6.1.1. Определение белка с раствором Фолина (метод Лоури) 6.1.2. Определение свободного пролина………………………. 6.2. Методы определения активности ферментов………………. 6.2.1. Определение активности пероксидазы (I.II.I.7)………... 6.2.2. Определение активности полифенолоксидазы (I.I0.3.1). 6.2.3. Определение активности каталазы (I.II.I.6)…………….. 6.2.3.1. Определение активности каталазы 6.2.3.2. Газометрический метод определения активности 6.2.4. Определение активности аскорбатоксидазы (I.I0.3.3)…. 6.2.5. Определение активности АТФ-азы……………………... 6.3.1. Определение аскорбиновой кислоты…………………… 6.3.4. Определение содержания каротинов…………………….

ВВЕДЕНИЕ

Проблема загрязнения окружающей среды неслучайно стала одной из злободневных проблем современности. В связи с интенсивным развитием промышленности и транспорта в атмосферу, гидросферу и почву поступает все большее количество вредных веществ. Одним из возможных путей подхода к рассматриваемой проблеме с позиций со временной экологии является выявление антропогенного загрязнения объектов окружающей природной среды с помощью методических при емов, основанных на оценке состояния, как отдельных особей, под вергшихся воздействию ксенобиотиков, так и сообщества в целом.

Комплексную оценку качества природной среды можно дать только при сочетании физико-химических методов исследований с био логическими. В настоящее время наиболее перспективными объектами ис следования являются растительные организмы, чутко реагирующие даже на ранние симптомы нарушения состояния окружающей природной среды.

Выносливость растений к стрессовым нагрузкам является сложным фи зиологическим свойством, которое формируется на разных уровнях структурной организации растительного организма, начиная с молеку лярного и вплоть до популяционного и биоценотического.

Существующие физиологические, биохимические и биофизиче ские методы оценки устойчивости растений не в полной мере отражают механизмы эколого-физиологических адаптаций растений к техноген ным нарушениям экотопа, особенно в условиях городской среды.





Предлагаемое издание начинает серию учебных пособий «Боль шой практикум по биоэкологии» для студентов специальности 013500 – «Биоэкология». Это первая часть такого издания. В отличие от существу ющих руководств по данной дисциплине, в учебном пособии предпринята попытка анализа полученных данных с описанием адаптационных меха низмов, возникающих на различных уровнях организации живого, что поз волит использовать каждый выпуск в качестве справочного пособия более широкому кругу специалистов.

Программа большого практикума согласуется с программами ос новных дисциплин, проводимых для студентов специальности 013500 – «Биоэкология». В книге учитываются как требования действующих госу дарственных стандартов в области содержания общебиологического обра зования, так и современных проблем экологии.

Для обеспечения восприятия и усвоения материала пособия ав торы выделяют два раздела. Первый раздел «Механизмы устойчивости и структура адаптационного процесса у растений» состоит из трех глав:

«Физиологические подходы при изучении адаптаций растений к избыт ку тяжелых металлов» (автор: Воскресенская О.Л.), «Изменение актив ности антиоксидантных ферментов растений в условиях урбанизиро ванной среды» (автор: Половникова М.Г.), «Распределение минераль ных элементов в системе «растение-экотоп» (автор: Алябышева Е.А.).

Первые две главы включают обобщение результатов собственных ис следований авторов, посвященных изучению адаптации растений к из бытку тяжелых металлов и техногенному загрязнению природной и ур банизированной среды на клеточном и организменном уровнях. В тре тьей главе дано построение полиграмм распределения минеральных элементов у растений в зависимости от этапа онтогенеза, приведен рас чет коэффициентов накопления и перераспределения минеральных эле ментов, показана продуктивность ценопопуляций растений.

Во втором разделе пособия «Эколого-физиологические методы оценки устойчивости растений к стрессовым воздействиям» приводятся методики исследований, апробированные в Марийском государствен ном университете: определение содержания N, P, K, Cl, тяжелых метал лов (Zn, Cu, Fe, Ni), исследование активности антиоксидантных фер ментов (каталазы, пероксидазы, полифенолоксидазы и др.), АТФ-азы и изменение содержания витаминов.

В «Большом практикуме по биоэкологии» приводятся лабора торные работы, предусматривающие возможность использования рас тений, произрастающих как в природных условиях, так и выращенных в лабораторных условиях. Практические работы рассчитаны на четырех шестичасовые занятия.

В ряде глав пособия приводятся современные экологические термины, в приложениях представлены примеры приготовления раство ров различных концентраций;

вспомогательные материалы, включаю щие сведения о плотности растворов, буферных растворах, свойствах индикаторов и др.

Авторы считают, что освоение изложенных в пособии методов исследований, необходимо для получения навыков экспериментальной работы студентами в учебном процессе. Кроме того, представленные в «Большом практикуме по биоэкологии» подходы могут быть с успехом использованы в научных исследованиях преподавателями, при подго товке курсовых и дипломных работ студентами и диссертационных ра бот аспирантами экологических, биологических и природоохранных специальностей.

РАЗДЕЛ I

МЕХАНИЗМЫ УСТОЙЧИВОСТИ И СТРУКТУРА

АДАП ТАЦИОННОГО ПРОЦЕССА У РА СТЕНИЙ

ФИЗИОЛОГИЧЕСКИЕ ПОДХОДЫ ПРИ ИЗУЧЕНИИ

АДАПТАЦИЙ РАСТЕНИЙ К ИЗБЫТКУ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ

Среди токсических веществ, загрязняющих окружающую среду, тяжелые металлы занимают особое место, поскольку в отличие от дру гих неустойчивых и быстро трансформирующихся загрязнителей, со единения тяжелых металлов довольно устойчивы и сохраняют свое ток сическое действие в течение длительного времени.

Различные виды растений отличаются по способности к накопле нию тяжелых металлов. Растения, аккумулирующие элемент, даже в условиях его относительного дефицита в почве, называют аккумулято рами. Виды, накапливающие элемент прямо пропорционально его уров ню в среде называются индикаторами. Их удобно использовать в био мониторинге. Наконец, растения, в которых уровень элемента длитель ное время остается на низком уровне даже при его избытке в среде называются отражателями (Чиркова, 2002).

Любой тяжелый металл, накапливаясь в растениях в большом коли честве, может конкурировать с физиологически важными металлами, в том числе с железом, за места в активных центрах каталитических систем, инактивируя их и нарушая тем самым важнейшие функции растительного организма, в том числе фотосинтез и дыхание (Чернавина, 1970).

Выяснение механизма повреждающего действия избыточных концентраций тяжелых металлов на растения может проявиться в нару шении поступления и распределения других минеральных элементов, ингибировании фотосинтеза, нарушением транспорта ассимилятов, из менением водного и гормонального статуса, торможением роста и др.

(Кузнецов, Дмитриева, 2005).

Изучение влияния избытка тяжелых металлов на физиологические процессы растений описано в ряде наших работ (Чернавина, Воскресен ская, 1984;

Воскресенская, Чернавина, Аксенова, 1986;

Воскресенская, 1987, 1989;

Аксенова, Воскресенская, 1987, 1990;

Воскресенская, Аксенова, Гужова, 1991;

Половникова, Воскресенская, 2004;

Буданова, 2006 и др.).

В данной работе объектом исследования служили растения овса (Avena sativa L.) сорт Сельма, выращенные методом водных культур на 1/5 смеси Кнопа с добавлением микроэлементов по Хогланду. Схема опытов включала 2 варианта: 1 вариант (контроль) – норма цинка (0, мг/л) и железа (5 мг/л);

2 вариант – избыток цинка (60 мг/л) и норма же леза (5 мг/л). Семена овса проращивали в кювете, затем высаживали на сутки на дистиллированную воду в стеклянные 3-х литровые сосуды;

на следующий день растения переносили на питательные растворы с рН=5,4. Через 3-4 дня растворы заменяли на свежие. Растения анализи ровали через 7-6 суток после высаживания их на питательную смесь.

О мембранной проницаемости клеток судили по скорости выхода электролитов из тканей, которую оценивали кондуктометрическим ме тодом (Гужова и др., 1985). Содержание ионов калия в среде инкубации корней определяли на пламенном фотометре. Измерение интенсивности сверхслабого свечения проводили на квантометрической установке с фотоэлектроумножителем ФЭУ-79 (Тарусов и др., 1972). Содержание цинка, меди и железа определяли спектрофотометрическим методом (Чернавина и др., 1978).

Как показали результаты работы (табл. 1), использованная доза цинка была токсичной для растений овса, о чем свидетельствовали внешние симптомы повреждения: растения отставали в росте, листья имели более светлую окраску, были свернуты в трубочку, а корни зна чительно укорочены, утолщены, с желтоватым оттенком. При этом зна чительно задерживался рост, как всего растения, так и особенно корней.

Следовательно, рост корня более чувствителен к избытку тяжелых ме таллов, чем рост побега. На 40% уменьшалась и сухая масса растений.

Влияние избытка цинка на рост и сухую массу растений овса Содержание в среде Zn, мг·л-1 целое растение корень целое растение корень 0,06 (контроль) 17,1±1, (избыток цинка) Одной из причин угнетающего действия высоких доз цинка в среде произрастания на растения овса могло быть избыточное поступ ление его в растения. Действительно, как показали результаты нашей работы, содержание цинка в листьях опытных растений превышало его содержание по сравнению с контрольными растениями в 4 раза, а в кор нях – в 5 раза (табл. 2).

Известно (Чиркова, 2002), что те или иные части растения реагируют на увеличение концентрации элемента в окружающей среде по-разному.

Если поступление элемента прямо пропорционально его содержанию в окружающей среде, то такой тип накопления называется безбарьерным. Он в большей степени определяется концентрацией элемента, чем свойствами растений, и характерен для клеток корней. В листьях в основном отмечает ся барьерный тип поступления тяжелых металлов.

Влияние избытка цинка на его содержание в растениях овса Содержание в среде Zn, мг·л- Накопление избыточных количеств цинка в тканях растений овса могло вызвать нарушение структурно-функциональных свойств плазма леммы. Косвенным свидетельством этого явилось изменение скорости вы хода внутриклеточных электролитов. Мы изучили динамику вымываемо сти ионов из тканей овса в процессе их роста на растворах с избытком цин ка и обнаружили двухфазный характер этого процесса (рис. 1).

Так, в течение первых 4-х суток экспозиции растений на средах с избытком цинка скорость выхода электролитов из тканей корней овса практически не изменялась. Во вторую фазу развития цинкового токси коза (5-7 сутки роста на растворах), по-видимому, произошло наруше ние барьерной функции мембран.

Сразу же после пересаживания растений на свежие растворы наблюдалось некоторое снижение скорости выхода ионов, которое за тем сменилось постепенным ее нарастанием, и к 7-м суткам роста мем бранная проницаемость возросла более чем на 20% по сравнению с кон тролем.

Рис. 1. Динамика вымываемости электролитов из корней овса Известно, что основным ионом, вымываемым из тканей и обу славливающим электропроводность растворов, в которых инкубируют ся эти ткани, является ион калия (Горина, I988). Наши опыты также свидетельствуют об этом (рис. 2).

Рис. 2. Динамика вымываемости ионов калия из корней овса Определения, проведенные с растениями, росшими 7 суток на среде с избытком цинка, показали, что увеличение проницаемости плазмалеммы корней, наблюдаемое в это время, коррелируют с вымы ваемостью ионов калия. Корни растений обладают определенными меха низмами защиты растений от токсического действия тяжелых металлов, которые обеспечивают сохранение постоянства внутренней среды (Алексе ева-Попова, 1983). Однако, при большом избытке металла в окружающей среде защитные авторегуляторные механизмы корневой системы «срыва ются», избыточные ионы поступают в корень и надземную часть растений (Ковда и др., 1980). Полученные нами данные подтверждают эти наблюде ния и свидетельствуют о сохранении мембранами клеток функции барьера проницаемости в первую фазу развития цинкового токсикоза и нарушении этой функции во вторую фазу. По-видимому, нарушения мембранной про ницаемости могут быть обусловлены, либо нарушением работы ион транспортных систем, либо деструктивными повреждениями мембран.

Одной из неспецифических реакций живого организма на повре ждения мембран является ускорение свободнорадикальных процессов (Tomson, 1987). Изучение уровня биохемилюминесценции корней овса, выросших в нормальных условиях и при избытке цинка, показало, что интенсивность свечения корней опытных растений была значительно выше таковой контрольных растений (табл. 3).

Влияние избытка цинка на интенсивность сверхслабого свечения Содержание в среде Zn, мг·л-1 Уровень свечения % от контроля Следовательно, избыток цинка в среде выращивания вызывает повреждение структуры и нарушение функции клеточной мембраны.

Известно, что избыток цинка в среде выращивания растений тор мозит процессы поглощения и передвижения железа в надземные орга ны (Fоу et. al., 1978). Нами также обнаружено снижение содержания железа в органах растений овса, выращенных при избытке цинка, по сравнению с контрольными растениями (табл. 4).

Влияние избытка цинка на содержание железа в растениях овса, (контроль) (избыток) При этом в листьях содержание железа уменьшалось значитель нее, чем в корнях. Эти наблюдения также позволяют считать, что избы ток цинка тормозит не только процессы поглощения, но и передвижения железа в надземные органы растений.

Следовательно, можно предположить, что одной из причин ток сического действия цинка на растения овса могло быть не только уменьшение поглощения, но и передвижения железа. Однако при этом растения не страдают от недостатка этого элемента. Границей дефицита железа является 40–50 мкг·г-1 сухой массы растений (Clark, 1983). В наших опытах растения, выросшие при избытке цинка, содержали зна чительно больше железа. Очевидно, в этих условиях роста нарушаются процессы использования железа внутри тканей растения, происходит инактивания его каталитических свойств. Чтобы проверить это предпо ложение, нами в дальнейшем изучалось влияние избытка цинка на неко торые аспекты функционирования электротранспортной цепи дыхания.

Изучение этого вопроса представляло интерес также и потому, что наблюдавшееся торможение роста, а также нарушение процессов по глощения и выделения ионов могли быть обусловлены нарушением процессов генерации и запасания энергии.

Энергетический подход позволяет выявить последствия стрессо вого воздействия среды до наступления необратимых изменений в ор ганизме. Каждый физиологический процесс требует определенных за трат энергии, поэтому любое изменение физиологического состояния немедленно сказывается на энергетическом обмене. На реализацию од ного и того же физиологического процесса в неблагоприятных условиях роста растительному организму требуется больше энергии, чем в опти мальных, из-за необходимости компенсации неблагоприятных воздей ствий среды.

До наступления необратимых изменений в организме неблаго приятное воздействие окружающей среды может быть скомпенсировано специфическими физиологическими реакциями, такими как инактива ция или разложение проникающих веществ, изменение метаболических путей в клетке и др.

Нами были изучены особенности дыхательного метаболизма, а именно динамика цианид–резистентного дыхания в процессе нараста ния цинкового токсикоза. Трехдневные проростки овса высаживали на paстворы и измеряли величину неподавляемого цианидом дыхания в те чение 7 дней роста растений на питательных растворах (рис. 3). В кор нях 3-х дневных проростков овса обнаружилась высокая скорость не чувствительного к цианиду дыхания, составляющая около 70% от начальной скорости.

неподавляемое KCN дыхание, % Рис. 3. Динамика изменения уровня цианид-резистентного дыхания в По мере роста растений доля неподавляемого цианидом дыхания уменьшалась, и у 10-дневных корней она составила уже около 25%. У растений овса, росших при избытке цинка, чувствительность дыхания к цианиду в течение первых трех суток роста была одинакова с контроль ными. Однако уже на четвертые сутки пребывания растений на избы точных дозах цинка скорость нечувствительного к цианиду дыхания возросла почти на 20% и практически сохранилась на этом уровне до конца наблюдений. Следовательно, в корнях овса по мере нарастания цинкового токсикоза процент неподавляемого цианидом дыхания уве личивался.

Анализ материала по влиянию избытка цинка на ионный обмен и дыхательный метаболизм растений овса, полученного при выполнении данной работы, можно представить в виде следующей схемы (рис.4).

Цинк в избыточных количествах поступал в растения и накапли вался в них. При этом наблюдалось значительное подавление роста и накопления сухой массы растений. Дисбаланс ионов и большие ионные силы вызывали изменения свойств мембранных систем клетки, в первую очередь плазмалеммы, осуществляющую непосредственный контакт с избыточными концентрациями цинка. Наблюдалось повре ждение структуры клеточной мембраны, нарушалась ее барьерная функция – увеличивался выход ионов из тканей.

Являясь антагонистом железа, ион цинка вызывал снижение со держания железа в органах цинк-токсичных растений, а также наруше ние процессов использования железа внутри тканей растения, что под тверждается подавлением активности железосодержащих ферментов.

Под влиянием токсической дозы цинка наблюдалось снижение потока электронов по основному цитохромному пути, и активировался альтер нативный цианид-резистентный путь дыхания. Доля этого пути увели чивалась по мере нарастания цинкового токсикоза. Возможно, что акти вирование цианид-резистентного дыхания являлось одной из неспеци фических ответных реакций растений на неблагоприятные условия вы ращивания.

Рис. 4. Токсическое действие цинка на структурно-функциональные свойства мембран (Воскресенская, 1989) В митохондриях растений овса, росших при избытке цинка, сни жалась сопряженность процессов окисления и фосфорилирования (уменьшался ДК, АДФ/О и содержание макроэргического фосфора), что может свидетельствовать о некотором повреждении целостности мем бран этих органоидов.

Подтверждением этого служит изменение осмотических свойств митохондрий. Они сильнее набухали в растворе трис-НCl и слабее со кращались под влиянием ATФ. Следовательно, одним из механизмов повреждающего действия избыточных доз цинка на растения овса явля ется снижение энергетической эффективности тканей и наблюдаемое при этом подавление процессов роста и накопления биомассы (Воскре сенская, 1989).

Полученные данные вносят определенный вклад в расшифровку ме ханизма токсического действия тяжелых металлов на растения и разработку теории устойчивости растений к неблагоприятным факторам внешней среды.

Выяснение механизмов токсического действия тяжелых металлов на расте ния способствует разработке методов повышения устойчивости растений к неблагоприятному действию высоких концентраций металлов.

ИЗМЕНЕНИЕ АКТИВНОСТИ АНТИОКСИДАНТНЫХ

ФЕРМЕНТОВ РАСТЕНИЙ В УСЛОВИЯХ

УРБАНИЗИРОВАННОЙ СРЕДЫ

Окислительно-восстановительные процессы играют большую роль в устойчивости растений к неблагоприятным факторам внешней среды. При изменении условий существования растений изменяются ак тивность и направленность действия ферментов, содержание аскорби новой кислоты и некоторых других элементов окислительно восстановительной системы.

Значительная роль в стрессовых ответных реакциях на воздей ствия неблагоприятных факторов среды принадлежит свободноради кальным реакциям, связанные с участием кислородных радикалов (Чир кова, 1997). Образование активных форм кислорода (АФК), в частности супероксида и пероксида водорода, на клеточной поверхности («окисли тельный взрыв») является одним из ранних клеточных ответов на стрессовое воздействие (Мерзляк, 1989, 1999). Эти радикалы и продукты их превраще ния представляют серьезную угрозу, так как могут подавлять активность ферментов, разрушать нуклеиновые кислоты, вызывать деградацию биопо лимеров, изменять проницаемость мембран. Клетки защищаются от АФК с помощью антиоксидантов.

К антиоксидантным ферментам относятся супероксидисмутаза, ката лаза и пероксидаза. Их синтез индуцируется в ответ на повышение уровня сво бодных радикалов. Важная роль принадлежит также аскорбатспецефической пероксидазе, функционирующей в одном цикле с дигидроаскорбатредуктазой и глутатионредуктазой (Кузнецов, Дмитриева, 2005).

Основные функции в регуляторной деятельности клетки вы полняют пероксидаза и каталаза, обеспечивающие нормальный ход окислительных процессов при различного рода неблагоприятных воз действиях (Петрова, Милеустина, 1976;

Николаевский, 1979, 1998). Эти ферменты наряду с цитохромоксидазой способны осуществлять функ ции активаторов кислорода на заключительном этапе дыхания. Наличие нескольких ферментов, выполняющих одну и ту же каталитическую функцию, – весьма ценное свойство, расширяющее адаптационные воз можности организма, что особенно важно для жизнедеятельности рас тений – организмов, не имеющих стабильной внутренней среды.

По литературным данным, пероксидаза связана с целым рядом метаболических превращений, происходящих в клетке (Титов, 1975;

Илькун, 1978;

Ситникова, 1990, Bolwell, Wojtaszek, 1997). Возможно, этим фактом объясняется существование большого числа различных молекулярных форм этого фермента. Последнее, по-видимому, обеспе чивает тончайшую самонастройку метаболизма в ходе онтогенеза и имеет особую важность для растения в обеспечении быстрой приспо собленности к постоянно меняющимся условиям внешней среды.

Как и в случае пероксидазы, имеются основания рассматривать ка талазу в качестве одной из терминальных оксидаз растительной клетки, от ветственной за разложение перекисей, регулирующих смену фаз аэробных и анаэробных процессов и участвующих в окислении перекисей в перокси сомах при фотодыхании (Артамонов, 1986;

Кузнецов, Дмитриева, 2005).

По данным В.С. Николаевского (1979), одно из проявлений за щитных реакций тканей в условиях промышленного загрязнения атмосфе ры – усиление аэробного дыхания и возрастание активности терминальных оксидаз. Изменение качества и активности окислительно восстановительных ферментов может служить определнным показателем реакции растительного организма к неблагоприятным факторам среды и для оценки приспособления растений к условиям существования.

Нами проанализированы изменения активности пероксидазы и каталазы у газонных трав: ежа сборная (Dactylis glomerata L.), клевер белый (Trifolium repens L.), клевер луговой (Trifolium pratense L.), мят лик луговой (Poa pratensis L.), овсяница луговая (Festuca pratensis Huds.), тимофеевка луговая (Phleum pratense L.), произрастающие в раз личных по степени загрязнения атмосферного воздуха местообитаниях, и возможности использования данных ферментов в качестве неспеци фического индикатора загазованности среды. Эти виды довольно чтко различаются по степени газоустойчивости и широко используются для озеленения городов и промышленных районов. Для изучения влияния загрязнения атмосферного воздуха на активность ферментов в работе использовались средневозрастные генеративные растения (g2).

Выбор районов исследования основывался на данных: 1) хими ческого анализа проб атмосферного воздуха, проведенных на базе Сете вой лаборатории и мониторинга окружающей среды по Республике Ма рий Эл;

2) «Государственного доклада о состоянии окружающей при родной среды в Республике Марий Эл» (2004, 2005).

В связи с этим, были выделены 3 зоны и 5 районов исследова ния: экологически чистая зона (контроль) – Сосновая роща;

слабоза грязненная зона – парк им. Победы и микрорайон «Дубки»;

среднеза грязненная зона – районы ЗАО НП «Завод Искож» и ЗАО «Йошкар Олинский мясокомбинат». Районов с высоким уровнем загрязнения ат мосферного воздуха в г.Йошкар-Оле не обнаружено.

Фермент пероксидаза довольно чувствителен к действию газов.

Отмечена прямая зависимость между активностью фермента и концен трацией газов (Николаевский, 1979, 1998). При этом наблюдалась чт кая зависимость активности пероксидазы от устойчивости растений.

В ходе наших исследований было отмечено, что наибольшая пероксидазная активность была характерна для растений клевера белого и клевера лугового как в листьях, так и в корнях (рис. 5).

Рис. 5. Изменение пероксидазной активности газонных трав в условиях городской среды, Д670г-1·с-1:

1 – Сосновая роща (экологически чистый район);

2 – парк Победы;

3 – микрорайон «Дубки» (районы с низким уровнем загрязнения);

4 – завод ЗАО НП «Завод Искож»;

5 – ЗАО «Йошкар-Олинский мясокомбинат» (районы со средним уровнем загрязнения) Максимальные значения данного показателя наблюдались в за грязненных районах г. Йошкар-Олы (ЗАО НП «Завод Искож», ЗАО «Йошкар-Олинский мясокомбинат») и составили 4–5 для клевера бело го и 4–9 Д670г-1·с-1 для клевера лугового.

В. С. Николаевским (1979, 1998) была отмечена прямая зависи мость между активностью фермента и концентрацией газов, при этом наблюдалась четкая зависимость активности пероксидазы от устойчи вости растений.

У ежи сборной и тимофеевки луговой по мере усиления загрязне ния среды наблюдалась такая же тенденция, что и для предыдущих видов.

Однако их пероксидазная активность была гораздо ниже, чем у клеверов, и она в среднем в контрольной зоне составила 0,6–0,9 Д670г-1·с-1 для обоих видов. В загрязненных районах этот параметр увеличивался и составил 4 единицы измерения как у тимофеевки луговой, так и у ежи сборной.

Самые низкие показатели пероксидазной активности были ха рактерны для устойчивых видов (мятлик луговой и овсяница луговая).

Несмотря на то, что активность этого фермента также возрастала по ме ре усиления загрязнения окружающей среды, однако, даже в загрязнн ных районах города она была низкой и находилась в пределах 2 Д670г ·с. По-видимому, у исследуемых видов при воздействии смеси газов с по вышением концентрации идет постепенное нарастание физиолого биохимических нарушений, а возрастание активности терминальной оксидазы – защитная реакция на токсиканты, которая обеспечивает сопротивляемость организма и способствует обезвреживанию вредных соединений.

Что касается другого изучаемого фермента – каталазы, то было установлено, что данный фермент в неблагоприятных условиях произ растания снижал свою активность (рис. 6). Изменение активности фер мента связано с биологическими особенностями растений и является до некоторой степени показателем реакции растительного организма на комплекс экологических воздействий.Наибольшие значения этого фер мента в листьях отмечались у тимофеевки луговой (12,4 мл О2·г-1·мин-1) и клевера лугового (11,8) в экологически чистой зоне. Однако по мере усиления загрязнения окружающей среды активность каталазы этих ви дов падала. Низкая ферментативная активность во всех местообитаниях была характерна для овсяницы луговой и ежи сборной.

Однако активность каталазы в корнях была несколько ниже по сравнению с листьями у всех исследуемых видов. Более высокая актив ность этого фермента наблюдалась в корнях у клевера белого (4,5) и ежи сборной (4,6) в контрольной зоне (Сосновая роща), далее в районах с низ ким и средним уровнями загрязнения этот показатель снизился до 2 единиц измерения. У остальных видов значения активности этого фермента коле бались в пределах 2–3 мл О2·г-1·мин-1 во всех местообитаниях.

Рис. 6. Изменение активности каталазы газонных трав в усло виях городской среды, мл О2·г-1·мин-1.

Известно, что молекулы кислых газов обладают свойствами свободных радикалов, которые в клетках растений вызывают резкое усиление цепных свободнорадикальных окислительных процессов и об разование органических перекисей. Поэтому активация пероксидазы и каталазы может говорить о наличии активных восстановительных про цессов, предотвращающих окисление клеточного субстрата.

Таким образом, в ходе работы было показано, что у растений в районах с различным уровнем загрязнения атмосферного воздуха обна ружены достоверные изменения активности железосодержащих фер ментов: увеличение активности пероксидазы и некоторое снижение ак тивности каталазы. При этом устойчивые виды растений по сравнению с неустойчивыми характеризовались более низкими значениями данных показателей. Поэтому мониторинг за изменением активности перокси дазы и каталазы в качестве чувствительной реакции растений на дей ствие газов может иметь значение для контроля качества окружающей среды и использоваться для оценки газоустойчивости растений.

Работа выполнена при поддержке Гранта РФФИ № 04-04-49152 «Экологиче ские механизмы адаптации растений к среде обитания и устойчивость популяций».

РАСПРЕДЕЛЕНИЕ МИНЕРАЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

В СИСТЕМЕ «РАСТЕНИЕ–ЭКОТОП»

В настоящее время значительное внимание уделяется изучению вариабельности химического состава растений с целью уточнения су ществующих представлений о закономерностях биогенной миграции элементов, организации мониторинга, прогнозирования конкретных экологических ситуаций и оценки допустимых антропогенных нагрузок (Двораковский, 1983;

Ильин, 1997;

Алябышева, Воскресенская, 1998;

Жуйкова, 1997а;

1997б;

Осипова, 2000).

Методика построения полиграмм распределения минеральных элементов у растений в зависимости от этапа онтогенеза На примере мезофитов (Лархер, 1978;

Ильин, 1981;

1997) и не которых гидро- и гигрофитов (Титова, Лубянов, 1970;

Boyd, 1969;

Го рышина, 1979;

Лукина, Смирнова, 1988;

Алябышева, 2001) установлено, что их концентрирующая способность по отношению к химическим элементам зависит от вида растения, его физиологических особенно стей, возраста и этапа развития.

Для наглядного изображения изменения химического состава особей, находящихся в разных онтогенетических состояниях, помимо линейных и столбчатых диаграмм можно использовать графические мо дели – полиграммы с использованием бальных шкал (Алябышева, 2001).

Рассмотрим применение данных полиграмм для анализа распреде ления химических элементов у особей частухи подорожниковой (Alisma plan tago-aquatica L.) в зависимости от этапа онтогенеза. Для оценки распределе ния химических элементов у гигрофитов на разных этапах онтогенеза была разработана 10-бальная шкала: максимальные концентрации элементов по лучили максимальный балл (10), а минимальные – низший балл (1). Интервал изменения концентрации каждого элемента разбивался на 10 классов: 1 кл. – 1 балл;

2 кл. – 2;

3 кл. – 3;

4 кл. – 4;

5 кл. – 5;

6 кл. – 6;

7 кл. – 7;

8 кл. – 8;

9 кл.

– 9;

10 кл. – 10 баллов. С учетом 10-бальной шкалы были построены поли граммы, демонстрирующие диапазоны изменения химического состава рас тительных тканей вегетативных и подземных органов особей A. plantago aquatica в зависимости от их онтогенетического состояния (рис. 8).

Оценка процессов передвижения минеральных элементов Различная аккумуляция минеральных элементов в надземных и подземным органах растений может служить показателем их разной аб сорбционной емкости (Дикиева, Петрова, 1983). Сравнительный анализ содержания фосфора у Nymphaea odorata позволил D.N. Riemer и S.J.

Toth (1968) составить следующий числовой ряд по уменьшению кон центрации элемента: цветки цветоносы листья побеги. В надзем ных органах ряски малой (Lemna minor L.), тростника обыкновенного (Phragmites australis Trin.) и кубышки желтой (Nuphar luteum (L.) Smith.) накапливалось азота больше, чем в побегах и корнях (Петрова, 1983;

Лукина, 1988). По данным U.M. Cowgill (1974), в листьях Decodon verticillatus количество железа составляло от 0,14 до 0,59 % сухой мас сы, а в побегах и цветках растений содержание элемента уменьшалось до 0,12-0,34 % сухой массы (Riemer, Toth, 1968;

Воробьев, Афанасьева, 1973;

Петрова, 1983).

А.Л. Коваленский (1969) предложил использовать для характе ристики процессов передвижения минеральных элементов количествен ный показатель – коэффициент передвижения (Кп), равный отношению содержания элементов в листьях к таковому в корнях:

На примере A. plantago-aquatica и стрелолиста обыкновенного (Sagittaria sagittifolia L.) были рассчитаны коэффициенты передвижения фосфора, азота, серы, железа и калия и проанализированы изменения показателя в онтогенезе гигрофитов (Алябышева, Воскресенская, 2005).

У ювенильных и имматурных особей исследуемых видов в связи с активизацией синтетических процессов в листьях увеличивалось со держание фосфора и калия. У виргинильных растений в надземных ор ганах интенсивнее накапливался азот, необходимый для увеличения их биомассы.

С переходом особей исследуемых видов в средневозрастное ге неративное состояние в листьях вновь увеличивалось содержание фос фора и серы, однако в дальнейшем (старое генеративное состояние) концентрация элементов несколько снижалась (рис. 7).

Д.А. Сабанин (1971) предложил, в зависимости от степени ак кумуляции в различных органах растений, подразделять химические элементы на две группы: базипетальные элементы, содержание кото рых уменьшается от листьев к корням;

акропетальные элементы, со держание которых уменьшается от корней к листьям. Согласно данной классификации для исследуемых растений: калий, сера, фосфор и азот являются базипетальными элементами, содержание которых уменьша ется от листьев к корням;

железо является акропетальным элементом, так как, максимальное содержание металла отмечено в корнях, а мини мальное – в листьях.

Рис. 7. Изменение коэффициентов передвижения элементов в онтогенезе гигрофитов: А - Alisma plantago-aquatica;

Б - Sagittaria sagittifolia Таким образом, показатели распределения минеральных элемен тов в надземных и подземных органах отражают направленность мета болических процессов, протекающих у растений на разных этапах онто генеза.

Рис. 8. Изменение химического состава особей Alisma plantago-aquatica в онтогенезе (в баллах): по осям координат: 1 - биомасса, 2 - содержание серы, 3 - содержание фосфора, 4 - содержание азота, 5 - содержание ка лия, 6 - содержание железа, 7 - проницаемость клеточных мембран.

Влияние экотопа на минеральный состав растений В работах многих исследователей (Sheffer, Stach, 1989;

Воскре сенская, Гужова, Аксенова, 1991;

Никоноров, Жулидин, 1991;

Второва, Скулкин, 1992;

Второва, Маркет, 1995) показано, что между химиче ским составом растений, с одной стороны, и средой обитания, с другой, существует несомненная связь. Н.В. Тимофеев-Ресовский (1957) считал, что необходимо детально изучать «… отдельные элементарные биоце нозы в их тесной связи со всеми костными компонентами занимаемой ими территории, количественные отношения распределения соответ ствующих элементов по различным их компонентам и конкретные ме ханизмы геохимической деятельности отдельных видов …». Одно из звеньев минерального круговорота в наземных и водных экосистемах – поглощение минеральных элементов растениями. Размеры аккумуляции питательных веществ в растительных органах и освобождения их как у живой, так и разлагающейся ткани характеризуют динамику циклов и подвижности отдельных элементов в биотопах (Carpenter, Adams, 1977).

Абсорбция питательных веществ растениями существенно увеличивает количество питательных веществ в фитоценозах.

Для характеристики процессов накопления химических элемен тов растениями Н.В. Тимофеев-Ресовский (1957) предложил использо вать – коэффициент накопления (Кн), равный отношению содержания элемента в корнях к таковому в почвах, отражающий корневой поступ ление элемента из почвы:

В настоящее время рассчитаны коэффициенты накопления не которых тяжелых металлов у одуванчика лекарственного (Taraxacum officinale Wigg.s.l.) (Жуйкова, 1997), микроэлементов у пихты сибир ской (Abies sibirica Lebed.) и ели обыкновенной (Picea abies (L.) Karst.) (Осипова, 2000).

На примере частухи подорожниковой и стрелолиста обыкновенно го рассмотрим влияние экологических факторов на распределение мине ральных элементов в растительных тканях, почвах и воде экотопов, распо ложенных в окрестностях озер на территории Национального парка «Ма рий Чодра». По уровню содержания биогенных элементов в воде и почве в окрестностях озер, исследуемые водоемы располагались следующим обра зом: оз. Кожла-Сола оз. Яльчик оз. Глухое оз. Мушан-Ер.

Для A. plantago-aquatica и S. sagittifolia были рассчитаны коэф фициенты накопления фосфора, азота, серы и железа. Так, у частухи по дорожниковой коэффициент накопления изменялся в следующих пре делах: по азоту – от 0,7 до 2,7;

по фосфору – от 2,0 до 6,2;

по железу – от 0,1 до 1,3;

а у стрелолиста обыкновенного: по азоту – от 2,3 до 6,5;

по фосфору – от 2,4 до 6,4;

по железу – от 0,0 до 3,7 (рис. 9).

В.Ю. Осипова (2000) предложила дифференцировать химические элементы по величинам коэффициента биологического поглощения: 1 груп па (100-10) – энергичного накопления;

2 группа (10-1) – сильного накопле ния;

3 группа (1-0,01) – слабого накопления и среднего захвата;

4 группа (0, 0,01) – слабого захвата;

5 группа (0,01-0,001) - очень слабого захвата. Соглас но данной классификации, фосфор, азот и сера (Алябышева, 2001) были от несены к группе элементов сильного накопления, а железо - к группе элемен тов слабого накопления и среднего захвата.

Рис. 9. Изменение коэффициентов накопления: А – Alisma plan tago-aquatica;

Б – Sagittaria sagittifolia По данным Т.К. Горышиной (1979), К.А. Кокина (1961) и А.И.

Мережко (1991), гигрофиты поглощают питательные вещества не толь ко из почвы, но и воды, вследствие высокой проницаемости кутикулы и эпидермиса. Поэтому имеет смысл использовать коэффициент накопле ния, равный отношению содержания элемента в листьях к таковому в воде, отражающий степень поглощения веществ листьями из воды:

Н.В. Тимофеевым-Ресовским и др. (1957, 1959) описаны осо бенности накопления пресноводными организмами химических элемен тов из водных растворов, в том числе и высшими водными растениями.

На примере A. plantago-aquatica и S. sagittifolia было отмечено, что со держание минеральных элементов в растительных тканях в меньшей степени зависит от их концентрации в воде.

Изучение продуктивности ценопопуляций растений Как утверждал В.И. Вернадский (1977), между косными при родными телами биосферы и живыми существами, ее населяющими, идет непрерывный материальный и энергетический обмен. Этот обмен в ходе времени пронизывает всю биосферу. Геологические процессы и совместная деятельность живых организмов в экосистемах обеспечива ют биогенные круговороты, благодаря которым в состав живых клеток включаются минеральные элементы и химические соединения, проис ходят процессы метаболизма и выводятся в окружающую среду органи ческие вещества. В дальнейшем в результате деструкции минеральные элементы высвобождаются и вновь включаются в биогеохимические циклы (Шилов, 2000). «Биоценозам принадлежит ведущая роль в проте кании биохимических круговоротов в любом участке биосферы, так как они являются мощными биохимическими фильтрами… и при этом частные круговороты отдельных элементов обусловлены видовыми по пуляциями» (Тимофеев-Ресовский и др., 1957).

Размеры аккумуляции элементов в растительных тканях и осво бождение их из живой и разлагающейся фитомассы характеризует ди намику биогенных циклов и подвижность отдельных элементов в био топах (Дикиева, Петрова, 1983;

Carpenter, Adams, 1977). Биогеохимиче ский круговорот азота сложен и охватывает все области биосферы. Рас тения и животные после своей гибели возвращают азот в почву, откуда он поступает в состав новых поколений растений и животных. Кругово рот фосфора – типичный осадочный биогехимический цикл, легко нарушающийся при различного рода воздействиях. Фосфор в отличие от других биогенных элементов в процессе миграции не образует газо вой фазы. После неоднократного потребления фосфора организмами на суше и в водной среде он, в конечном счете, выводится в донные осад ки.

Для оценки роли ценопопуляций растений в биогенных кругово ротах необходимо рассчитать их продуктивность. Под термином «продук тивность» большинство исследователей понимают способность раститель ных организмов и их ценопопуляций создавать и накапливать органическое вещество (Работнов, 1992). Ю. Одум (1986) под термином «продуктив ность» подразумевал скорость продуцирования органического вещества.

Для обозначения вещества, созданного только живыми частями употребляют термин «биомасса» (Горшинский и др., 1973). В качестве основного показателя продуктивности растительного покрова использу ется величина фитомассы, характеризующая общее количество органи ческого вещества в пределах сообщества, накопленное растительными организмами на единицу площади к единице времени.

Также используется и другой показатель – продукция, определяемая как ежегодно создаваемое растительное органическое вещество на единицу площади в пределах одной ценопопуляции (Родин и др., 1968).

Биомассу луговых, прибрежно-водных фитоценозов определя ют преимущественно методом учетных площадок (модификацией мето да площадок является метод трансект). В пределах исследуемого фито ценоза необходимо заложить не менее десяти площадок, размером 1 м2.

Растения срезают вровень с поверхностью почвы и разбирают по видам, высушивают до воздушно – сухого состояния (при темпера туре 105С в сушильном шкафу). Полученные результаты рассчитывают на единицу площади - г/м2, кг/м2, ц/га (Гришина, Самойлова, 1971).

Анализ корневой системы растений имеет большое значение при определении биомассы, поскольку у многих растений (р. Typha, р.

Scirpus, р. Nymphaea, р. Nuphar и др.) подземные органы могут превы шать наземные по биомассе в несколько раз. Так, отношение подземных частей к надземным составляет у рогоза узколистного (Typha angustifo lia L.) 2,5:1, тростника обыкновенного – 1:1, камыша озерного (Scirpus lacustris L.) – 9:1. В сформированных сообществах подземные органы (корни, корневища) составляют 50-100 % биомассы растений (Садчи ков, Кудряшов, 2005).

Д.Ф. Вестлэйком (1968) были предложены три метода определе ния фитомассы подземных органов: 1) извлечение растения - растение вы капывается и анализируется корневая система (применяется он в тех случа ях, когда можно выделить корневища одного растения);

2) метод мелких монолитов - цилиндр диаметром несколько сантиметров загоняется в поч ву, содержимое цилиндра вытряхивается, живой материал разбирается, и его масса рассчитывается на определенную площадь (такая техника отбора образцов пригодна для изучения роста растений с густым переплетением корней);

3) метод крупных монолитов - выбирается наиболее удобная площадка (на пример, 0,25 м2), в пределах которой выкапываются до необ ходимой глубины все растения вместе с подземными органами (этот метод дает меньшую ошибку, чем метод мелких монолитов).

Для получения сопоставимых результатов биомассу растений можно перевести в единицы органического вещества или углерода (в Международной системе единиц 1 кал = 4,19 Дж;

1 Дж = 0,24 кал).

Один грамм сухого вещества соответствует примерно 0,4 г углерода.

Калорийность водных растений, вычисленная по углероду, составляет 4,3-4,8 ккал/г углерода.

Однако следует учитывать, что калорийность водных растений может изменяться в зависимости от видовой принадлежности и феноло гической фазы развития;

калорийность отдельных частей растений так же различается. Так, значения энергетического эквивалента составляют у горца земноводного (Polygonum amphibium L.) 4,2 ккал/г, у элодеи ка надской (Elodea canadensis Michx.) - 3,3-4,0 ккал/г. У кубышки желтой, калорийность плавающих листьев составляет 3,8 ккал/г, черешков - 3,3, а плодов - 4,1 ккал/г (Кокин, 1982;

Садчиков, Кудряшов, 2005).

С учетом онтогенетической структуры популяций вида можно рассчитать динамику содержания химических элементов в биомассе каждой онтогенетической группы. На примере A. plantago-aquatica рас смотрим пример расчета содержания азота и фосфора в биомассе цено популяций, произрастающих в различных условиях эвтрофирования во доемов (Алябышева, Воскресенская, 2005).

Во-первых, необходимо предварительно определить количествен ное содержание азота и фосфора в растительном материале особей разных онтогенетических групп (табл. 5).

Содержание химических элементов в растительных тканях гигрофитов (на примере средневозрастных генеративных особей) Оценив демографические показатели (биомасса, плотность) он тогенетических групп особей можно определить биоаккумулятивные способности ценопопуляций вида в целом (табл. 6).

Полученные данные можно графически представить в виде диаграмм, предварительно рассчитав в долях от биомассы онтогенети ческой группы или ценопопуляции содержание азота и фосфора (рис.

10).

Таким образом, изучение особенностей аккумуляции химиче ских элементов на разных этапах онтогенеза гигрофитов, процессов пе редвижения по растению и накопления корнями и листьями особей, да ет возможность описать частные круговороты элементов на организ менном уровне. Ценопопуляции гигрофитов вносят реальный вклад в биогенные круговороты прибрежно-водных экосистем.

Динамика содержания азота и фосфора в биомассе ценопопуляций Alisma plantago-aquatica Местооби- Онтоге- Плотность, Биомасса, г Азот, Фосфор, Рис. 10. Доля содержания азота и фосфора в фитомассе ценопопуляций:

А – Sagittaria sagittifolia;

Б - Alisma plantago-aquatica

РАЗДЕЛ II

ЭКОЛОГО-ФИЗИОЛОГИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ

ОЦЕНКИ УСТОЙЧИВОСТИ РАСТЕНИЙ

К СТРЕССОВЫМ ВОЗДЕЙСТВИЯМ

ОСОБЕННОСТИ БИОЛОГИЧЕСКОГО КРУГОВОРОТА

МАКРОЭЛЕМЕНТОВ

Под биологическим круговоротом понимают поступление эле ментов из почвы, воды и атмосферы в живые организмы, биохимиче ский синтез с образованием новых сложных соединений, и возвращение элементов в почву, воду и атмосферу с ежегодным опадом части орга нического вещества или с полностью отмершими организмами, входя щими в состав биогеоценоза.

Биологический круговорот элементов - одно из важнейших зве ньев большого, геологического круговорота элементов. Без точного изучения биологического круговорота во всех связях невозможно осу ществление рационального использования природных ресурсов (лесные массивы, пастбищные и сенокосные угодья, реки, озера и другие участ ки земной поверхности, продуцирующие живое вещество).

Изучением особенностей биологического круговорота занимались такие выдающимися ученые, как В.И. Вернадский, В.Р. Вильяме, Б.Б. По лынов, Д.Н. Прянишников, В.Н. Сукачев, Л.Е. Родин, Н.И. Базилевич и др.

Однако до сих пор комплексные исследования круговорота элементов, ко торые охватывали хотя бы главнейшие группы организмов, населяющих биогеоценоз суши, не проводились. В настоящее время имеются материа лы, касающиеся динамики органического вещества и биологического кру говорота азота и зольных элементов, осуществляемого растительным по кровом, слагаемым лишь высшими растениями (Родин, Базилевич, 1965;

Ремезев, Базилевич, 1967).

В то время как биологический круговорот азота и зольных элементов следует рассматривать как сложный, полициклический процесс, состоящий из циклов различной продолжительности и глубины воздействия на среду.

В настоящее время выделяют сезонные, годовые, многолетние и вековые циклы биологического круговорота.

Годовые циклы определяются размером потребления элементов, которые фитоценоз в течение года извлекает из экотопа, аккумулирует и возвращает с опадом и отмирающими растениями (особями).

В годовом цикле можно различать отдельные сезонные циклы круговорота, под которыми следует понимать круговорот, осуществля ющийся на протяжении отдельных периодов (сезонов) года, например, биологический круговорот элементов, вовлекаемых и возвращаемых в течение одной из фенологических стадий развития сообщества.

Различают также многолетние циклы круговорота, характеризую щие отдельные возрастные периоды развития сообщества, или циклы жизни одного поколения доминантных видов.

Вековые циклы биологического круговорота определяются време нем, в течение которого осуществляется смена растительных формаций (Ро дин, Базилевич, 1965).

Для характеристики биологического круговорота макро- и мик роэлементов используют следующие показатели: емкость, интенсив ность и скорость биологического круговорота. Емкость биологического круговорота выражается количеством азота и зольных элементов, нахо дящихся в составе фитомассы (кг/га). Интенсивность биологического круговорота определяется количеством элементов в годичном приросте фитомассы и позволяет оценить вещественно-энергетический потенци ал фитоценозов (кг/га в год). Скорость биологического круговорота веществ определяется временем, в течение которого химический эле мент поглощается организмом, проходит, все этапы трансформации и возвращается в экотоп. Эта величина определяется отношениями обще го количества минеральных элементов в фитомассе к общему количе ству элементов, находящихся в опаде и приросте (Андриянова, 2001).

Л.Е. Родиным, Н.И. Базилевичем (1965) разработана классифи кация типов круговорота зольных элементов и азота на основании сле дующих количественных признаков: количество биомассы, годичного прироста, годичного опада, истинного прироста и подстилки (аккуму лированное мертвое органическое вещество), количество и состав хи мических элементов в биомассе, годичном приросте, опаде, истинном приросте и подстилке и др. (табл. 7).

В настоящее время установлено, что хозяйственная деятель ность человека влияет на химический состав экотопа, зачастую нарушая круговорот зольных элементов и азота (Двораковский, 1983;

Ильин, 1997;

Жуйкова, 1997а;

1997б;

Осипова, 2000;

Афанасьев и др., 2001).

Классификация типов круговорота зольных элементов и азота Азотный низкозольные, средне- и мало продуктивные, Ельники бореальный венных лесов, среднезольные, средне продуктив Азотный стынь, среднезольные, очень мало продуктивные, ничковые ных лесов, среднезольные, высокопродуктивные, Кальцевый Кальциевый ских пустынь, повышенно-зольные, очень ские пустыни субтропический мало- и мало продуктивные, весьма интен Кремниевый степной Кремниевый пу- никовых пустынь, среднезольные, средне полукустар Кремниевый тропический Азотно-кремниевые, влажных тропических Влажные Хлоридный Изучение вариабельности химического состава растений необ ходимо для уточнения существующих представлений о закономерно стях биогенной миграции элементов, организации мониторинга, прогно зирования конкретных экологических ситуаций и оценки допустимых антропогенных нагрузок (Алябышева, Воскресенская, 1998;

Воскресен ская и др., 2004;

Сарбаева, Воскресенская, 2005 и др.).

Минеральные вещества входят в состав фотосинтетического ап парата, дыхательной цепи, центров синтеза белка, ферментов и других систем организма. Неорганические питательные вещества, необходимые для нормального развития растений подразделяются на макро- и микро элементы. К группе макроэлементов принадлежат азот, фосфор, калий, сера, кальций, магний, натрий, железо и другие, их содержание в расте нии довольно велико – от 0,1 до нескольких процентов от сухой массы растения. Микроэлементы – это бор, цинк, марганец, медь, молибден, ванадий, кобальт и другие, их содержание в растении составляет тысяч ные и десятитысячные доли процента от сухой массы.

Анализ растительных тканей на содержание в них различных элементов включает несколько стадий: сбор образца, их подготовку, фиксацию, приготовление растворов, лабораторный анализ, а так же расчеты и интерпретацию полученных данных.

Собранные образцы растительного материала высушивают в термостате при температуре 105°С в течение 15-20 мин. Затем досуши вают при более низкой температуре 60-80°С в течение 1-1,5 ч. При этой температуре потери на дыхание наименьшие. При высушивании из рас тений выделяется вода и остается сухое вещество. Соотношение сухого вещества и воды у различных растений и в разных органах одного и то го же растения неодинаково. Так, в зеленой надземной массе многих сельскохозяйственных культур содержится 80-85% воды и 15-20% сухо го вещества. В семенах количество воды уменьшается до 10-15%, а со держание сухого вещества повышается до 90%.

Содержание воды устанавливают весовым методом, заключа ющемся в выдержке проб образца в сушильном шкафу до постоянной массы с последующим отнесением убыли в навеске к высушенному остатку по формуле: W a b 100% где a – исходная навеска, г;

b – высушенная проба, г.

Существуют два способа озоления растительного материала:

мокрый и сухой. Мокрое озоление осуществляется путем кипячения хорошо измельченного вещества с коцентрированными кислотами: серной, азотной, хлорной, смесью азотной с серной, азотной с добавлением перекиси водоро да и т.д. Мокрое озоление считается более надежным при определении таких элементов, как сера, фосфор, калий и натрий, которые при сухом озолении могут частично улетучиваться.

Однако опыт показывает, что при медленном и осторожном озоле нии растительного материала в муфеле и нагревании золы при температуре не свыше 400-450°С существенных потерь фосфора, калия и натрия не про исходит (более других теряются сера и хлор).

При определении азота, фосфора, калия в одной навеске наибольшее распространение получил метод мокрого озоления по Гинсбургу и Щегловой. Принцип метода заключается в том, что орга нические вещества подвергаются гидролизу и окислению смесью кон центрированной серной и хлорной кислот. При этом хлорная кислота при нагревании (до 112°С) является сильным окислителем: HClО HCl + 2О2. Серная кислота отнимает воду от органических веществ, ко торые обугливаются и чернеют без нагревания. При нагревании до 340° С серная кислота в присутствии органических веществ распадается на сернистый газ, воду и кислород: 2H2SO4 SO2 + Н2О +О2. Азотсодер жащие органические вещества при нагревании серной и хлорной кисло тами подвергаются гидролизу, а находящийся в них азот восстанавлива ется до аммиака по следующей схеме: белки аминокислоты амиды NH3.

Реактивы и оборудование: концентрированная H2SO4;

концентрированная HCl;

электрические плитки (3-4 шт);

термостойкие колбы для сжигания (15 шт.);

по плавки (15 шт).

1. Берут навеску растительного материала 0,2 г и переносят ее в коническую термостойкую колбу на 100 мл. Приливают в колбу 5,5 мл свежеприготовленной смеси кислот: 5,1 мл концентрированной серной (H2SO4) и 0,4 мл соляной (HCl).

2. Закрывают колбу маленькой воронкой или стеклянным по плавком и круговыми движениями добиваются равномерного смачива ния растительной пробы кислотами и дают постоять колбе 20-30 мин для обугливания (почернения) растительного материала.

3. После обугливания смесь ставят кипятить на электрическую плитку до появления белых паров и образования однородной темно бурой массы и далее кипятят, часто помешивая до полного обесцвечи вания содержимого. Во время озоления необходимо регулировать нагревание колбы, оно не должно быть очень сильным, но в то же время должно обеспечить непрерывное кипение жидкости.



Pages:   || 2 | 3 | 4 |
 




Похожие материалы:

«Василий Скакун БЕЛАЯ ВОРОНА Ставрополь АГРУС 2013 УДК 82-3 ББК 84(2Рос=Рус)6 С42 Скакун, В. Белая ворона / Василий Скакун. – Ставрополь : С42 АГРУС Ставропольского гос. аграрного ун-та, 2013. – 260 с. ISBN 978-5-9596-0906-1 Каждый из приходящих на Этот Свет приносит с собой строго определённую индивидуальность, которой не облада ет (и не обладал) ни один человек из живущих (и живших) на планете. Несмотря на любые препятствия жизненных об стоятельств, задача перед нами стоит одна – ...»

«МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ АЛТАЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АГРАРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ П.И. Барышников ВЕТЕРИНАРНАЯ ВИРУСОЛОГИЯ Рекомендовано Учебно-методическим объединением высших учебных заведений Российской Федерации по образованию в области зоотехнии и ветеринарии в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений, обучающихся по специальности 111201 – Ветеринария ...»

«МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ САРАТОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АГРАРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМЕНИ Н.И. ВАВИЛОВА Факультет электрификации и энергообеспечения АКТУАЛЬНЫЕ ПРОБЛЕМЫ ЭНЕРГЕТИКИ АПК Материалы II Международной научно-практической конференции САРАТОВ 2011 УДК 338.436.33:620.9 ББК 31:65.32 Актуальные проблемы энергетики АПК: Материалы II Международной научно практической конференции. / ...»

«Министерство сельского хозяйства Российской Федерации ФГБОУ ВПО Белгородская государственная сельскохозяйственная академия имени В.Я. Горина Аничин В.Л., Сазонов С.В. ИССЛЕДОВАНИЕ РЕАКЦИИ МНОГОУКЛАДНОГО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА НА ИЗМЕНЕНИЕ ИНСТИТУЦИОНАЛЬНЫХ УСЛОВИЙ Белгород – 2011 2 ББК 65.32+65.010.11 УДК 338.431 А 67 Аничин В.Л., Сазонов С.В. Исследование реакции многоук ладного сельского хозяйства на изменение институциональных условий: Монография.- Белгород: Изд-во БелГСХА, 2011.- 181 с. ...»

«МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГ О ХОЗЯЙСТВА И ПРОДОВОЛЬСТВИЯ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ ГЛАВНОЕ УПРАВЛЕНИЕ ОБРАЗОВАНИЯ, НАУКИ И КАДРОВ Учреждение образования БЕЛОРУССКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ СЕЛЬСКОХОЗЯ ЙСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ АКТУАЛЬНЫЕ ПРОБЛЕМЫ ИНТЕНСИВНОГО РАЗВИТИЯ ЖИВОТНОВОДСТВА Материалы XVI Международной студенческой научной конференции, посвященной 80-летию кафедры разведения и генетики сельскохозяйственных животных УО БГСХА (13-14 июня 2013 г.) Горки БГСХА 2013 УДК 631.151.2:636 ББК 65.325.2 А 43 Редакционная ...»

«Министерство сельского хозяйства Российской Федерации Министерство сельского хозяйства Республики Башкортостан ФГБОУ ВПО Башкирский государственный аграрный университет ООО Башкирская выставочная компания ИНТЕГРАЦИЯ НАУКИ И ПРАКТИКИ КАК МЕХАНИЗМ ЭФФЕКТИВНОГО РАЗВИТИЯ АПК Часть II АКТУАЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ ЭНЕРГЕТИКИ В АПК ПЕРЕРАБОТКА СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОЙ ПРОДУКЦИИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПЕРЕДОВЫХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ, ТЕХНИЧЕСКИХ И ЭКОЛОГИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ ЭКОНОМИЧЕСКАЯ НАУКА КАК ФАКТОР ЭФФЕКТИВНОГО ХОЗЯЙСТВОВАНИЯ ...»

«ДЕПАРТАМЕНТ НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКОЙ ПОЛИТИКИ И ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АГРАРНЫЙ ЗАОЧНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ АГРОИНЖЕНЕРИЯ Москва 2005 УДК 378.1 В вестнике приводятся результаты теоретических и экспериментальных исследований, направленных на повышение эффективности сельскохозяйственного производства, ученых инженерного факультета и факультета комплексного использования и охраны водных ресурсов (КИОВР). Сюда же включены также несколько сообщений гуманитарного направления. Вестник предназначен ...»

«РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК Отделение химии и наук о материалах Российский фонд фундаментальных исследований Институт биохимической физики им. Н.М. Эмануэля РАН Институт химической физики им. Н.Н.Семенова РАН OH CH3 VIII Международная конференция БИОАНТИОКСИДАНТ ТЕЗИСЫ ДОКЛАДОВ 04 - 06 октября 2010 года Москва Биоантиоксидант ББК 24 Б 63 ОРГАНИЗАТОРЫ КОНФЕРЕНЦИИ: РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК Институт биохимической физики им. Н.М. Эмануэля РАН Институт хими ческой физики им. Н.Н. Семенова РАН Б 63 ...»

«6 2. 86 Биохимі §54 д ш й 33 cs s i ! ББК 28.672Я M 54 ~ — Метревели T. B. M 54 Биохимия животных / Под ред. проф. Н. С. Шевелева.— СПб.: Издательство Лань, 2005. — 296 с.: ил. — (Учебники для вузов. Специальная литература). ISBN 5-8114-0579-0 В пособии достаточно подробно изложены основные разделы биохи­ мии. Охарактеризована структура и обмен углеводов, липидов, белков, н у ­ клеиновы х кислот и других органических соединений. Вкратце изложены свойства воды. Существенное внимание уделено ...»

«Министерство образования и науки Российской Федерации Владивостокский государственный университет экономики и сервиса Российская Академия наук Дальневосточное отделение Тихоокеанский институт географии _ Б.Ф. ПШЕНИЧНИКОВ Н.Ф. ПШЕНИЧНИКОВА ОСНОВЫ ПОЧВОВЕДЕНИЯ И ГЕОГРАФИИ ПОЧВ Учебное пособие Владивосток Издательство ВГУЭС 2006 ББК 40.3 П 94 Рецензенты: Академик РАЕН, проф. А.М. Ивлев (Дальневосточный государственный университет); д-р биол. наук, проф. В.И. Голов (Биолого-почвенный институт ДВО ...»

«МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА И ПРОДОВОЛЬСТВИЯ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ ГЛАВНОЕ УПРАВЛЕНИЕ ОБРАЗОВАНИЯ, НАУКИ И КАДРОВ УЧРЕЖДЕНИЕ ОБРАЗОВАНИЯ БЕЛОРУССКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ ФАКУЛЬТЕТ БИЗНЕСА И ПРАВА VIII студенческая научно-практическая конференция факультета бизнеса и права ОРГАНИЗАЦИОННО-ПРАВОВОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ МЕХАНИЗМА ХОЗЯЙСТВОВАНИЯ В СФЕРЕ АПК в рамках мероприятия Дни студенческой науки (г. Горки, 23 – 26 мая 2011 года) ГОРКИ 2012 УДК 631.145:347(063) ББК ...»

«Б92 Буровский А. М. Правда о допетровской Руси. Золотой век Русского государства //Яуза, Эксмо, М., 2010 ISBN: 978-5-699-33899-3 FB2: “Sergius ” s_sergius , 14.05.2010, version 1.1 UUID: E9EDA09F-86D2-42CD-A8CA-F952EB059FCF PDF: fb2pdf-j.20111230, 13.01.2012 Андрей Михайлович Буровский Правда о допетровской Руси. Золотой век Русского государства Один из главных исторических мифов Российской империи и СССР — миф о допетровской Руси. Якобы до пришествия Петра наша земля прозябала в кромешном ...»

«1 Министерство образования Нижегородской области Государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Нижегородский государственный инженерно-экономический институт ВЕСТНИК Нижегородского государственного инженерно нерно- инженерно- экономического института Серия экономические науки Выпуск 5 (6) Княгинино 2011 2 УДК 33 ББК 65.497я5 В 38 Центральная редакционная коллегия: А. Е. Шамин (главный редактор), Н. В. Проваленова (зам. главного редактора), Б. А. ...»

«HISTORIA ROSSICA Seymour Becker NOBILIТY AND PRIVILEGE INIATE IMPERIAL RUSSIA Сеймур Беккер МИФ О РУССКОМ ДВОРЯНСТВЕ Дворянство и привилегии последнего периода императорской России Перевод с английского Бориса Пинскера МОСКВА НОВОЕ ЛИТЕРАТУРНОЕ ОБОЗРЕНИЕ 2004 УДК 316.343-058(470)653 ББК 63.3(2)-282.5 Б 42 ХУДОЖНИК В. Передерий Редакционная коллегия серии HISTORIA ROSSICA Е. Анисимов, Р. Ворmман, В. Живов, А. Зорин, А. Каменский, Ю. Слезкин Беккер с. Б Миф о русском дворянстве: Дворянство и ...»

«МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ САРАТОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АГРАРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМЕНИ Н.И. ВАВИЛОВА ПРОБЛЕМЫ И ПЕРСПЕКТИВЫ УСТОЙЧИВОГО РАЗВИТИЯ АПК Материалы Международной научно-практической конференции, посвященной 80-летию кафедры экономики и организации предприятий АПК САРАТОВ 2011 УДК 338.436.33 ББК 65.32 Проблемы и перспективы устойчивого развития АПК: Материалы ...»

«УДК 57+58+59+613 ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ ББК 28 Государственное образовательное учреждение С 37 высшего профессионального образования Пермский государственный университет Симбиоз Россия 2009: материалы II Всерос. С 37 с международным участием конгресса студентов и Биологический факультет аспирантов-биологов (25-29 мая 2009 г., Пермь) / Институт экологии и генетики микроорганизмов УрО РАН Перм. гос. ун-т. – Пермь, 2009. – 351 с. Пермское отделение МОО Микробиологическое общество ...»

«Михаил Зайцев Провокация //Эксмо, Москва, 2006 ISBN: 5-699-17019-7 FB2: “Chernov2 ” chernov , 07 September 2009, version 1.0 UUID: 800a1804-1b0d-4980-abee-b78bd9b9f7cc PDF: fb2pdf-j.20111230, 13.01.2012 Михаил Георгиевич Зайцев Провокация  Для кого-то чекист, для кого-то шпион, для себя – разведчик и истинный ариец, он сделал все, чтобы проклятые Советы не разгадали величайший секрет разгромленного Третьего рейха. То, что Земля на самом деле внутри полая и на ее внутренней поверхности есть ...»






 
© 2013 www.seluk.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.