EXPERIENCE IN THE STUDY OF THE DURATION OF THE INFLUENCE OF OIL POLLUTION ON THE CHARACTERISTIC OF BIOELECTRIC RESISTANCE OF BIRCH (BETULA PENDULA ROTH)

Cover Page

Abstract


The study of bioelectric resistance (impedance) of woody plants by electrometric method under the influence of adverse factors, including oil sludge, is one of the adequate methodological approaches to assessing the state of forest biogeocenoses. The aim of the study is to study the peculiarities of the influ-ence of oil sludge pollution of soils on the duration of changes in the bioelectric resistance of the precam-bial tissue complex of birch trunks. The object of the study is the trees of the hanging birch (Betula pendu-la Roth.) growing in the basin of buffer ponds of JSC «Gazpromneft - ONPZ» (Omsk). The research area is the Central forest-steppe of the South of Western Siberia. The results of the studies were processed by standard methods of variational statistics, correla-tion, regression and variance one-factor analysis using the package Statistica 10. Comparisons of experience variants were carried out according to student and Fisher criteria. The dependence of elec-trical resistance of birch trunk PCT (precompiling complex tissues) on the level of oil sludge pollution of soils was studied. A recommendation for rapid assessment of the condition of birch trees in the con-ditions of oil sludge pollution by electrometric meth-od was developed. According to the results of our long-term studies, it can be noted that the duration of a significant negative impact of oil sludge on the electrical resistance precompiling complex tissues of birch trees in the forest-steppe zone of Western Sibe-ria is manifested within six years, and in the seventh year these differences are not reliable and already in the ninth year-these differences disappear (τfact > τ0.5). The results obtained can be used in screening studies of forest biogeocenoses and in the planning and or-ganization of bioreculture activities on the territory of sanitary protection zones of oil refineries and in areas of oil production and oil transportation.

Full Text

Введение Изучение электрического сопротивления (ЭС) (импеданса) древесных растений при действии неблагоприятных факторов, в том числе при нефтешламовом загрязнении, служит одним из адекват-ных методических подходов к оценке состояния лесных экосистем [2; 3]. Анализ работ, посвященных диагностике заболеваний древесных растений, показал, что наиболее удобным в экспериментальном отношении и объективно отражающим особенности роста и развития древесных растений является прикамбиальный комплекс тканей ствола, анатомо-морфологические свойства которых могут быть оценены косвенно через их электрическое сопротивление [9]. У растений ведущую роль в восприя-тии многих биотических и абиотических факторов, а также в формировании клеточного ответа - со-противления - на их воздействие играют плазматические мембраны, в которых возникает комплекс взаимосвязанных структурно-функциональных изменений, в число которых входит реакция мем-бранного потенциала. Электрический заряд на клеточной мембране является существенным факто-ром, влияющим на распределение заряженных частиц ионов, регулирующих обменные процессы. Известно, что электрические параметры клеток тесно связаны с функциональными особенностями тканей. Наличие поляризационной емкости является характерным показателем жизнеспособности живых клеток. Способность поляризовать ток и обусловленные этим зависимость электропроводно-сти от частоты, сдвиг фаз, электрическое сопротивление являются характерной особенностью живых нормально функционирующих клеток. Б. Н. Тарусов (1938) предположил, что по электрическим па-раметрам клеток возможно определять жизнеспособность тканей, поскольку всякое воздействие, приводящее к повреждению или заболеванию, вызывает уменьшение абсолютной величины электри-ческого сопротивления. Этот метод определения жизнеспособности тканей основан на способности живых клеток поляризовать электрический ток. Возникающий под действием тока заряд клеток и тканей изменяет поляризационную емкость, величина которой падает при снижении их жизнеспо-собности или отмирании. Интенсивность и характер обмена веществ в ткани выражаются в величине сопротивления, так как они обуславливают концентрацию и распределение ионов в тканях [22]. Позднее Ю. П. Каширо с сотрудниками (1988) отмечали, что электрическую модель клетки можно представить, как последовательное соединение активных сопротивлений. Вообще, изучение физиологического состояния древесных растений в техногенных условиях весьма актуально с использованием современных экспресс-методов. Среди них наиболее перспектив-ными представляются электрофизиологические методы, поскольку они непосредственно регистриру-ют характеристики клеточных мембран, тесно связанные с общей устойчивостью растений к стрессам [5; 6; 8; 15; 24-29]. К электрофизиологическим инструментальным методам относятся: диагностика по электрическому сопротивлению прикамбиального комплекса тканей [19], диагностика по элек-трическим потенциалам [11], экспресс-метод [1], термоэкспресс-метод [7]. А. А. Маторкиным (2007) предложен метод экспресс-оценки состояния деревьев по импедансу ПКТ и температуре стволов. Нами изучен, модифицирован и экспериментально применен электрометрический метод по изуче-нию биоэлектрических реакций древесных растений на различные стресс-факторы, в частности, изу-чение электрического сопротивления в прикамбиальном комплексе тканей березы повислой [12-14]. В настоящее время особое внимание уделяется изучению воздействия нефти на экологическую обстановку в Западной Сибири. Этой проблеме посвящены работы Т. О. Перемитиной, И. Г. Ященко, М. Н. Алексеевой (2014), Д. В. Московченко, А. Г. Бабушкина (2014), И. Е. Скобелевой, Р. Ш. Ва-леева(2018), А. В. Соромотина, Л. В. Бордт (2018) и ряда других авторов. В данной работе представлены результаты десятилетней экспериментальной работы по изуче-нию изменения уровня электрического сопротивления в прикамбиальном комплексе тканей (ПКТ) березы повислой, произрастающей в условиях нефтешламового загрязнения. Цель исследования - изучить особенности влияния нефтешламового загрязнения почвогрунтов на продолжительность изменения биоэлектрического сопротивления ПКТ стволов березы повислой. Материалы и методы Объект исследования - деревья березы повислой (Betula pendula Roth), произрастающие в бас-сейне буферных прудов АО «Газпромнефть - ОНПЗ» (г. Омск). Район исследования - центральная лесостепь юга Западной Сибири. В 2010 г. в начале первой декады мая (1 мая) был заложен опыт на участке размером 10×35 м с внесением нефтешлама в приствольные круги (с дозой 3,70 кг/м2) диаметром 2,0 м в пределах проек-ции кроны одиночно стоящих модельных деревьев березы экспериментальной группы и группы кон-троля, произрастающей в естественных условиях (рис. 1). Рис. 1. Экспериментальная площадка на территории бассейна буферных прудов АО «Газпромнефть - ОНПЗ» (г. Омск) Измерения проводили мультиметром MY-6, ориентировались на методику Р.Г. Шеверножука (1968). При регистрации электрического сопротивления оценивали распространения сигнала с двух противоположных сторон ствола деревьев березы. Для сравнения по годам использовались данные замеров ЭС ПКТ у деревьев березы в августе, в период начала пожелтения листьев и массового рассе-ивания семян. За период исследования проведено 2 050 измерений березы повислой. Результаты исследований были обработаны стандартными методами вариационной статистики, корреляционного, регрессионного и дисперсионного однофакторного анализов с использованием пакета Statistica 10. Сравнения вариантов опыта проводились по критериям Стьюдента и Фишера. Результаты и обсуждение На протяжении всего исследования рассмотрена зависимость между морфологическими при-знаками (диаметром, высотой ствола) [12] и электрическим сопротивлением (ЭС) в условиях нефтешламового загрязнения [14], сезонное изменение уровня ЭС березы повислой [13], произрас-тающей в условиях нефтешламового загрязнения. Полученные экспериментальные данные по исследованию электрического сопротивления при-камбиального комплекса тканей березы повислой за исследуемый период (2010-2019 гг.) показали, что продукты нефтешлама, попадая в почву, в экспериментальных условиях (деревья группы «В») приводят во все годы к изменению электрического сопротивления прикамбиального комплекса тка-ней (ПКТ) у модельных деревьев березы. Вместе с тем в контрольной группе деревьев березы дина-мика ЭС ПКТ являлась относительно стабильной и была достоверно существенно ниже по 2016 год, чем у модельных деревьев группы «В» (τфакт > τ0.5) (рис. 2). Рис. 2. Динамика электрического сопротивления в период с 2010 по 2019 гг. Данное явление мы рассматриваем, как результат подавления уровня обменных процессов, свя-занных с водообменом и в целом с состоянием корне-листовой связи древесных растений. Можно говорить, что «привнесение на поверхность почвы продуктов техногенеза ведет к накоплению в ней техногенных элементов, изменению рН среды и разрушению почвенно-поглощающего комплекса. Негативное влияние нефтяных поллютантов проявляется не только на почвенных экосистемах место-рождения, но и на других элементах окружающей среды» [10]. Следует особо отметить, что в течение трех лет после внесения нефтешлама величина ЭС устойчиво удерживалась на высоком уровне, что позволяет судить о продолжении проявления силь-ного влияния нефтешламного загрязнения на состояние ПКТ у модельных деревьев березы. Лишь на 4-й год наблюдалось резкое снижение (на 25,55%) величины электрического сопротивления в ПКТ у модельных деревьев березы, в 5-й, 6-й, 7-й годы - на 36,6; 32,97; 40,38% соответственно. На 8-й год после внесения нефтешлама также наблюдаем заметное различие ЭС (на 16,3%) у модельных деревь-ев экспериментальной группы по сравнению с контрольной группой. На 9-й год тенденция снижения в динамике ЭС ПКТ у модельных деревьев березы в экспериментальной группе сохранилась. Разли-чие между ЭС ПКТ моделей деревьев березы в экспериметальной группе по сравнению с контролем сохраняется на прежнем уровне. В 2019 г. наблюдаем снижение ЭС в экспериментальной группе, в то время как в контрольной оно относительно стабильно. На основании этих данных можно признать, что существенно отрицательное влияние нефтешлама на жизнедеятельность березы повислой прояв-ляется в течение семи лет. Это свидетельствует, что за этот период произошли процессы восстанов-ления плодородия почвы и детоксикация отрицательно действующих ингредиентов разложения нефтешламов в почве. Связь ЭС ПКТ у модельных деревьев как контрольной, так и экспериментальной групп с тер-мическим режимом воздушной среды оказалась положительной и слабой (rx,y = 0,36). При проведении полевых электрометрических исследований древесных растений необходимо учитывать физиологические особенности растений и техногенные условия их произрастания, а также наличие изменчивости величины импеданса древесных пород [4; 23]. Поскольку биоэлектрическое сопротивление отражает важную роль в жизнедеятельности растительных клеток древесных растений, то его эффективно использовать в качестве биофизического показателя для оценки состояния древес-ных растений и биоиндикации нефтяного загрязнения почвенного покрова. Таким образом, по результатам многолетних исследований можно отметить, что продолжи-тельность существенного отрицательного влияния нефтешлама на ЭС ПКТ деревьев березы в услови-ях лесостепной зоны Западной Сибири проявляется в течение шести лет, на седьмой год эти различия являются недостоверными, и уже на девятый год эти различия исчезают, стираются.

About the authors

Yu. A. Kurilo

Omsk State Pedagogical University


Ph.D.

E. V. Donets

Omsk state pedagogical University


Ph.D.

A. I. Grigoriev

Omsk State Agrarian University. P. A. Stolypin


Dr. habil.

References

  1. Голодрига П. Я., Осипов А. В. Экспресс-метод и приборы для диагностики морозоустойчивости растений // Физиология и биохимия культурных растений. 1972. Т. 4. Вып. 6. С. 650-655.
  2. Григорьев А. И. Эколого-физиологические основы адаптации древесных растений в лесостепи Западной Сибири. Омск, 2008.
  3. Григорьев А. И. Электропроводность желудей у деревьев дуба, различающихся по срокам пожелтения и сбрасывания листьев // Материалы ІІ межвузов. конф. молодых ученых Волго-Вятского региона. Йошкар-Ола, 1973. С. 11-13.
  4. Грязькин А. В., Герасюта С. М., Бернацкий Д. П., Трубачева Т. А., Ковалев Н. В. Изменчивость величины импеданса древесных пород // Известия Санкт-Петербургской лесотехнической академии. 2012. Вып. 198. С. 12-19.
  5. Ивакин А. П. Оценка жароустойчивости овощных культур по электрическому сопротивлению тканей // Методы оценки устойчивости растений неблагоприятным условиям среды. 1976. С. 83-86.
  6. Зубкова Т. А. Мартынова Н. А., Белоусов В. М. Электрическое сопротивление структурных элементов биогеоценозов // Известия Иркутского государственного университета. 2011. Т. 4. № 2. С. 82-89.
  7. Карасев В. Н., Карасева М. А., Романов Е. М., Мухортов Д. И. Термоэкспресс - метод ранней диагностики физиологического состояния сосны обыкновенной // Экология. 2017. № 2. С. 20-27.
  8. Катичева Л. А., Сурова Л. М., Шерстнева О. Н., Бушуева А. Н., Глинская Е. В., Воденеев В. А. Изменение электрического сопротивления плазмалеммы клеток высшего растения при генерации вариабельного потенциала // Вестник Нижегородского университета им. Н. И. Лобачевского. 2013. № 3(1). С. 151-154.
  9. Каширо Ю. П. Хасанов Н. Х., Дорожкин Е. М. Электрическое сопротивление тканей прикамбиального комплек-са ствола у сосны обыкновенной и его диагностические возможности // Леса Урала и хозяйства в них. 1988. Вып. 14. С. 183-188.
  10. Кенжетаев Г. Ж., Койбакова С. Е., Сырлыбеккызы Самал. Оценка негативного воздействия нефти на почвенный покров // Spint Time. 2019. № 5(1)17. С. 22-24.
  11. Коловский Р. А. Биоэлектрическая реакция корней сеянцев кедра на ионный состав среды // Физиолого-биохимические механизмы роста хвойных. Новосибирск, 1978. С. 89-95.
  12. Курило Ю. А., Григорьев А. И. Электрическое сопротивление как показатель устойчивости древесных растений в условиях нефтяного загрязнения // Проблемы региональной экологии. 2010. № 5. С. 111-116.
  13. Курило Ю. А., Григорьев А. И. Изучение электрического сопротивления древесных растений в условиях нефтяного загрязнения почвы (на примере березы повислой) // Современные проблемы науки и образования. 2015. № 3. С. 546.
  14. Курило Ю. А., Григорьев А. И. Изучение влияния нефтешлама на жизнедеятельность древесных растений (на примере исследования электрического сопротивления Betula pendula Roth.) // Лесоведение. 2019. № 4. С. 304-310.
  15. Кушнеренко М. Д., Курчатова Г. П., Штефырца А. А, Печерская О. Н., Киевцова Е. В., Баштовая С. И. Ком-плексный метод определения жаро- и засухоустойчивости растений прибором «ТУРГОРОМЕР-1» (Т-1) // Экспресс-методы диагностики жаро-засухоустойчивости и сроков налива растений. 1986.
  16. Маторкин А. А., Карасева М. А. Информативность импеданса прикамбиального комплекса тканей деревьев хвойных пород при диагностике их жизнеспособности // Современная физиология растений: от молекул до экосистем: ма-териалы докладов Международной конференции. Ч. 2. Сыктывкар, 2007. С. 265-266.
  17. Московченко Д. В., Бабушкин А. Г. Нефтяное загрязнение поверхностных вод на территории ХМАО - Югры // Экология и промышленность России. 2014. № 4. С. 34-38.
  18. Перемитина Т. О., Ященко И. Г., Алексеева М. Н. Комплексная оценка экологических рисков аварийных раз-ливов нефти // Экология и промышленность России. 2014. № 11. С. 22-25.
  19. Положенцев П. А., Золотов Л. А. Динамика электрического сопротивления тканей луба сосны как индикатор изменения их физиологического состояния // Физиология растений. 1970. Т. 17. Вып 4. С. 830-835.
  20. Скобелева И. Е., Валеев Р. Ш. Антропогенное воздействие разливов нефти на экологическую обстановку За-падной Сибири // Сборник материалов международной научно-практической конференции. 2018. С. 247-250.
  21. Соромотин А. В., Бордт Л. В. Мониторинг растительного покрова при освоение нефтегазовых месторождений по данным многоканальной съемки LANDSAT // Вестник Тюменского государственного университета. Экология и приро-допользование. 2018. Т. 4. № 1. С. 37-49.
  22. Тарусов Б. Н. Электропроводность как метод определения жизнеспособности ткани // Архив ботанических наук. 1938. Т. 52. Вып. 2. С. 5-16.
  23. Шеверножук Р. Г. Биоэлектрическая активность ели в насаждениях, методика ее измерения // Лесной журнал. 1968. № 4. С. 36-40.
  24. Фисенко С. М., Фисенко М. И. Вегетационные вариации электрического сопротивления деревьев // International scientific review. 2016. № 18(28). P. 39-43.
  25. Ksenzhek O., Petrova S., Kolodyazhny M. Electrical properties of plant tissues: resistance of a maize leaf // Bulgarian Journal of Plant Physiology. 2004. Vol. 30. № 3-4. P. 61-67.
  26. Choudhury F. K., Devireddy A. R., Azad R. K., Shulaev V., Mittler R. Local and systemic metabolic responses during light-induced rapid systemic signaling // Plant physiology. 2018. Vol. 178. № 4. P. 1461-1472. https://doi.org/10.1104/pp.18.01031
  27. Fromm J., Lautner S. Electrical signals and their physiological significance in plants // Plant, cell & environment. 2007. Vol. 30. № 3. P. 249-257. https://doi.org/10.1111/j.1365-3040.2006.01614.x
  28. Gilroy S., Białasek M., Suzuki N., Górecka M., Devireddy A. R., Karpiński S., Mittler R. ROS, calcium, and electric signals: key mediators of rapid systemic signaling in plants // Plant physiology. 2016. Vol. 171. № 3. P. 1606-1615. https://doi.org/10.1104/pp.16.00434
  29. Lew R. R. Pressure regulation of the electrical properties of growing Arabidopsis thaliana L. root hairs // Plant Physiology. 1996. Vol. 112. № 3. P. 1089-1100. https://doi.org/10.1104/pp.112.3.1089

Statistics

Views

Abstract - 0

PDF (Russian) - 0

Article Metrics

Metrics Loading ...

Refbacks

  • There are currently no refbacks.


This website uses cookies

You consent to our cookies if you continue to use our website.

About Cookies