Due to the intense anthropogenic impact on natural ecosystems, the study of the adaptive capabilities of woody plants used in the reclamation of industrial waste dumps is of particular importance. The aim of the study was to study the anatomical, morphological and biochemical characteristics of 22-year-old Picea obovata Ledeb. at the dump after gold mining in the Sverdlovsk region. Morphological parameters were measured in the field. Anatomical parameters were increased in cross-sections using the SIAMS MesoPlant image processing system. The level of lipid peroxidation and the content of low molecular weight antioxidants (proline, ascorbic acid, and phenolic compounds) in conifers were analyzed using standard spectrophotometric methods. P. obovata Ledeb appeared in the landfill after gold mining, where no measures were taken to improve the properties of the substrate. The trees showed a decrease in height, trunk diameter at the root neck, branch growth, and needle length. The photosynthetic apparatus reacts to stress by increasing the cross-sectional area of the needle, the area of the central cylinder and the total area of the resin channel, and thickening the epidermal tissue. Under unfavorable landfill conditions, an increase in the level of lipid peroxidation was shown, accompanied by the accumulation of proline and ascorbic acid in the needle. Correlation analysis showed that the decrease in the morphological parameters of the trees and the increase in the studied anatomical parameters of the needles were significantly influenced by the insufficient content of total organic carbon, Ca, Mg, phosphorus and moisture in the substrate. An increase in the content of proline and ascorbic acid in conifers occurred with a decrease in humidity and phosphorus content in the substrate. These experimental data can be used to assess the condition of woody plants and to restore forests in areas disturbed by industry.
Picea obovata, anatomical and morphological structure, adaptive reactions, antioxidants, industrial waste
Text (PDF): Read Download
Text (PDF): Read Download
Text (PDF): Read Download
Text (PDF): Read Download
Введение
Интенсивное освоение месторождений золота приводит к резкому увеличению площадей открытых разработок, которые находятся в основном в долинных ландшафтах, выполняющих важные средорегулирующие функции. Для разработки россыпей золота чаще всего используют дражный и гидравлический способы, приводящие к образованию отвалов, сложенных галечно-валунно-глыбовым, песчано-гравийно-галечным или песчано-глинистым материалом, полностью лишенных растительности, и по сути своей представляющих промышленные пустыни [1].
Для ускорения восстановления продуктивности нарушенных земель, а также в целях оптимизации ландшафта на Урале часто рекомендуется лесохозяйственное направление биологической рекультивации [2–4]. Примеры лесовосстановления на таких территориях имеются и за рубежом [5].
Искусственное лесовосстановление требует тщательного подбора устойчивых видов, способных адаптироваться к экстремальным условиям среды [3, 6]. Одним из таких видов является ель сибирская (Picea obovata Ledeb., Pinaсeae Lindl.) – ключевой вид бореальной зоны [7–9]. Вид широко распространен на Урале [10], встречается преимущественно в разреженных кустарниково-зеленомошных лесах, типичных для северной и средней частей северной тайги [7]. P. obovata представляет значительный интерес для рекультивации благодаря своей экологической пластичности, относительной нетребовательности к условиям внешней среды и способности формировать устойчивые насаждения [11, 12].
Неблагоприятные условия среды техногенно нарушенных территорий, такие как дефицит минерального питания и органического вещества в субстрате, низкая влагоёмкость, а также высокий уровень инсоляции вызывают у растений стресс [13–16], приводящий к изменению их анатомо-морфологической структуры и биохимических процессов.
Маркерной реакцией растений на стресс является усиление процессов перекисного окисления липидов и, как следствие, активация антиоксидантной системы [17, 18]. Адаптивной реакцией растений на стрессовые условия является накопление защитных соединений, таких как низкомолекулярные антиоксиданты. Например, такие метаболиты растений, как фенольные соединения, аскорбиновая кислота и пролин, играют важную роль в защите растений от окислительного стресса [19, 20]. Как показывают исследования, виды растений, колонизирующие нарушенные местообитания, обладают высоким антиоксидантным статусом, что позволяет им выживать в неблагоприятных условиях среды [21].
Однако биохимические и морфофизиологические особенности P. obovata в условиях дражных отвалов остаются недостаточно изученными, что затрудняет прогнозирование успешности использования данного вида в рекультивационных мероприятиях. Изучение влияния экологических условий на рост и сохранность насаждений P. obovata на отвалах, а также на анатомо-морфологические и биохимические показатели деревьев, имеет важное значение для разработки научных основ лесохозяйственной рекультивации. Однако комплексных исследований реакции растений P. obovata, произрастающих на нарушенных территориях не проводилось, что и определило актуальность данной работы.
Цель работы – анализ морфологических характеристик Picea obovata Ledeb. в посадках на дражном отвале после золотодобычи (Средний Урал), выявление влияния свойств субстрата на анатомо-морфологические и биохимические параметры хвои.
Материалы и методы
Объекты и методы исследования
Район работ. Участок расположен на месте бывшего месторождения Увальное, которое находится в 4 км на северо-восток от г. Невьянска Свердловской области (57°31′31″ с. ш.; 60°16′01″ в. д.).
Характеристика района исследований. Район относится к таежной зоне, подзоне южной тайги, и расположен в пределах низкогорной полосы Среднего Урала. Климат континентальный, с продолжительной холодной зимой (5–6 месяцев) и коротким относительно теплым летом (3 месяца). Анализ современных климатических тенденций показал, что за пятилетний период с 2019 по 2023 гг. сумма эффективных температур увеличилась с 1832,9 °С до 2449,4 °С. Одновременно с этим зафиксировано сокращение суммы годовых осадков с 504 мм до 367 мм, а также суммы осадков за теплое время года с 341 мм до 184 мм [22]. В почвенном покрове распространены подзолистые и дерново-подзолистые почвы, характеризующиеся невысоким содержанием азота, фосфора и кальция.
В ходе обследования отвала было установлено, что в процессе технического этапа рекультивации, связанного с планировкой поверхности, на дневную поверхность был поднят грунт, характеризующийся неоднородным гранулометрическим составом. Представленный материал варьирует от лёгкого до тяжёлого суглинка с включениями щебня и гальки [23].
Методика закладки эксперимента
Посадочным материалом послужили 2-летние сеянцы P. obovata, высаженные на выровненную поверхность отвала и склоны дамб рядовым способом без применения мелиорантов. Схема посадки предусматривала расстояние между сеянцами в ряду 0,5–0,7 м и междурядья 2,0–2,3 м. Общая площадь созданных лесных культур составила 3,8 га.
Для детального изучения морфофизиологических особенностей P. obovata в различных условиях местообитания была заложена система пробных площадок. В пределах отвала были заложены три опытные площадки (ОП1–ОП3) площадью 100 м² каждая. Дополнительно одна площадка (ОП4) была организована на дамбе отвала, сложенной вскрышными породами, и одна контрольная площадка (КП) – на слабонарушенной территории, прилегающей к дамбе. Отбор площадок осуществлен с целью охвата разнообразия состояния древостоя и физико-химических характеристик субстратов.
Сбор данных
Для исследования на каждой ОП и КП у 10 модельных деревьев P. obovata (возраст 22 года) измеряли следующие показатели: высоту дерева, годичный линейный прирост ствола и ветвей, диаметр ствола (у корневой шейки). Измерения высоты и линейных приростов проводили с помощью металлической измерительной рулетки, диаметр измеряли с помощью мерной вилки. С каждого дерева отбирали полностью сформированную двухлетнюю хвою для дальнейшего анализа. Длину хвои измеряли на свежесобранном материале, для чего хвоинки (по 30 шт. с каждой ОП) выкладывали на миллиметровую бумагу и фотографировали.
Измерение линейных параметров хвои с точностью до 0.01 мм выполняли по цифровым фотографиям с использованием системы анализа изображений SIAMS MesoPlant («СИАМС», г. Екатеринбург).
Анатомические исследования проводили на образцах хвои, фиксированных в 70% этиловом спирте. С помощью замораживающего микротома МЗ-2 изготавливали серию поперечных срезов, которые анализировали под световым микроскопом Liventhuk с цифровой фотонасадкой.
На полученных микропрепаратах измеряли следующие параметры:
-площадь поперечного сечения хвои;
-площадь центрального цилиндра;
-толщину покровных тканей (эпидермиса и гиподермы);
-количество и диаметр смоляных ходов.
Все анатомические измерения выполняли с 30-кратной повторностью с использованием системы анализа изображений SIAMS Mesoplant («СИАМС», г. Екатеринбург).
Навески свежей хвои (0,2 г) замораживали в жидком азоте для последующего определения биохимических параметров. Уровень перекисного окисления липидов (ПОЛ) оценивали по реакции малонового диальдегида (МДА) с тиобарбитуровой кислотой (ТБК), используя грубый экстракт хвои в растворе ТБК в 10% трихлоруксусной кислоте. Для определения общего содержания фенольных соединений навеску мелкоизмельченной хвои выдержали в растворе 70%-ного этанола в течение 24 часов, в темноте. Общее содержание фенолов определяли с помощью реактива Фолина–Чокалтеу. Содержание аскорбиновой кислоты определяли, измеряя экстракт хвои после растирания в 2% растворе метафосфорной кислоты при длине волны 265 нм. Содержание в хвое пролина определяли с использованием ациднингидринового реактива в водном экстракте. Анализ содержания МДА и низкомолекулярных антиоксидантов проводили с использованием спектрофотометра PD-303 UV (Apel, Япония). Подробное описание методик представлено в статье [21].
Биохимические параметры определяли в 4-х биологических повторностях и 5–10 аналитических повторностях. Все показатели представлены в расчете на сухой вес (с.в.) хвои.
Отбор проб субстрата проводили на каждой ОП и КП c глубины 0–20 см. Основные физико-химические характеристики субстратов определяли общепринятыми методами [24]. Содержание общего органического углерода – по Тюрину; рН – потенциометрически в водном растворе (1:2,5 по массе/объему). Обменные ионы Ca2+ и Mg2+ определяли титрометрическим методом; содержание подвижного фосфора (P2O5) – спектрофотометрическим методом; гигроскопическую влажность – методом высушивания, при 105 °С в сушильном шкафу.
Анализ данных
1. Petrov A.I., Kotova V.S., Osipenko R.A., Zalesov S.V. Forestry direction of recultivation of placer gold mining sites. // Russian forests and agriculture in Nyx = Russian forests and their economy. 2023; 2(85): 16-23. ( In Russian). DOI: https://doi.org/10.51318/FRET.2023.37.61.002
2. Zalesov S.V., Zaripov Yu.V., Zalesova E.S. Natural reclamation of overburden and asbestos ore processing waste //Bulletin of Tomsk State Technical University. Agrarian Bulletin of the Urals = Agrarian Bulletin of the Urals. 2017; 3(157): 35-38. ( In Russian). URL: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=29220511
3. Treshchevskaya E.I., Pankov Ya.V., Treshchevskaya S.V., Tikhonova E.N. Cultures of Scots pine on degraded and technogenically disturbed lands of the Central Chernozem region // Soil Science. Voronezh. VGLTU Publishing house. 2017. (In Russian). URL:
4. Lantinova A.V., Marina N.V., Agapitov E.M., Rogachev V.E., Fomin V.V. Influence of amorphous silica on the growth of seedlings of Scots pine (Pinus sylvestris L.) and Siberian spruce (Picea obovata Ledeb.) at a recultivated granite quarry. // seedlings of (Pinus sylvestris L.) and (Picea obovata Ledeb.) in a reclaimed granite quarry. Forestry Engineering journal = Forestry Engineering journal. 2024; 14(4 (56)): 38-49. (In Russian). DOI: https://doi.org/10.34220/issn.2222-7962/2024.4/3
5. Mena-Quintana F.N., Alvarez V., Franco V., Moncayo L., Tipan M., Ayala H. Lands degraded as a result of gold mining in the Ecuadorian Amazon: a proposal to accelerate ecosystem restoration through artificial vegetation restoration. The woods. 2025; 16: 372. DOI: https://doi.org/10.3390/ f16020372
6. Suarez-Munoz M., Bonet-Garcia F.H., Navarro-Cerrillo R., Herrero H., Mina M. Forest management scenarios determine the future dynamics of Mediterranean pine forests in the context of climate change. Landscape ecology. 2023; 38: 2069-2084. DOI: https://doi.org/10.1007/s10980-023-01678-y
7. Orlova L., Gussarova G., Glazkova E., Egorov A., Potokin A., Ivanov S. Systematics and distribution of spruce species in Northwestern Russia. Dendrobiology. 2020; 84: 12-29. – DOI: https://doi.org/10.12.657/denbio.084.002
8. Leites L., Garson M. B. Adaptation of forest tree species to climate in different biomes: using the legacy of ecological genetics to predict the response to climate change. The globe. Change the biography. 2023; 29(17): 4711-4730. DOI: https://doi.org/10.1111/gcb.16711
9. Zhou K., Karunaratne P., Andersson-Lee L., Chen S., Opgenoort L., Heer K., Piotti A., Vendramin G.G., Nakwasina E., Lasku M., Milesi P. Repeated hybridization and gene flow shaped the evolutionary history of Norwegian spruce and Siberian spruce over several glacial cycles. Molecular ecology. 2024; 33(17): e17495. DOI: https://doi.org/10.1111/mec.17495
10. Mamaev S.A. Coniferous species in the Urals and their use in landscaping. Sverdlovsk: UNC of the USSR Academy of Sciences, 1983. 112 p.
11. Demina, N.A. Variability of indicators of the assimilation apparatus of spruce climatypes in geographical cultures of the Komi Republic /N.A. Demina, E.N. Nakvasina // Forest resources of the Komi Republic. Bulletin of the Northern (Arctic) Federal University. Series: Natural Sciences = Bulletin of the Northern (Arctic) Federal University. Series: Natural Sciences. 2016; 2: 42-50. (In Russian). – DOI: https://doi.org/10.17238/issn 2227-6572.2016.2.42
12. Nakvasina E., Demina N., Prozherina N., Demidova N. Assessment of the phenotypic plasticity of karst spruce species Picea abies (L.). and P. obovata (Ledeb.) based on research results in the European north of Russia. Central European Forest Journal. 2019; 65(2): 121-128. DOI: https://doi.org/10.2478/forj-2019-0012
13. Urazgildin R.V., Kulagin A.Yu. Technogenesis and structural and functional reactions of tree species: changes, adaptations, strategies. Part 1. Influence on the macro- and micromorphology of the assimilation apparatus [Text]: Structural and functional reactions of woody plants to anthropogenic environmental changes: damage, adaptation and strategies. Part 1. Influence on the macro- and micromorphology of the assimilation apparatus. Biosphere = Biosfera. 2021; 13(3): 86-100. (In Russian). DOI: https://doi.org/10.24855/biosfera.v13i3.578
14. Gupta R., Verma N., Tewari R.K. Oxidative stress in plants caused by a deficiency of micronutrients. Plant Cell Rep. 2024; 43(9): 213. DOI: https://doi.org/10.1007/s00299-024-03297-6
15. Spormann S., Nadais P., Souza F., Pinto M., Martins M., Souza B., Fidalgo F., Soares S. Accumulation of proline in plants on polluted soils–Are we on the same wavelength? Antioxidants. 2023; 12(3): 666. QUANTITY: https://doi.org/10.3390/antiox12030666
16. Rao M.J., Duan M., Zhou S., Jiao J., Chen P., Yang L., Wei W., Shen K., Ji P., Yang Y., Conte O., Yang D., Yuan H., Rauf A., Ai J., Zheng B. Plant antioxidant protection system: production of active forms of oxygen., signaling and absorption during oxidative damage caused by abiotic stress. Gardening. 2025; 11(5): 477. DOI: https://doi.org/10.3390/horticulturae11050477
17. Liang H., Qian R., Wang D., Liu L., Song S., Lin H. Lipid aldehydes: new key mediators of plant growth and stress response. Biology. 2022; 11(11): 1590. DOI: https://doi.org/10.3390/biology11111590
18. Chakraborty N., Mitra R., Dasgupta D., Ganguli R., Acharya K., Minkina T., Popova V., Churyukina E., Keswani S. Studying the regulation of redox homeostasis mediated by lipid peroxidation to maintain plant health. Physiology and biochemistry of plants. 2024; 206: 108272. DOI: https://doi.org/10.1016/j.plaphy.2023.108272
19. Mishra N., Jiang S., Chen L., Paul A., Chatterjee A., Shen G. Achieving plant resistance to abiotic stress using antioxidant defense mechanisms. Before. The science of plants. 2023; 14: 1110622. DOI: https://doi.org/10.3389/fpls.2023.1110622
20. Fathi A., Shiade S.R.G., Salim A., Shohani F., Fazeli A., Riaz A., Zulfikar U., Shabaan M., Ahmed I., Rahimi M. Reactive oxygen species (ROS) and antioxidant systems in increasing plant resistance to Abiotic Stress. International Agronomic Journal. 2025; 8834883. DPI: https://doi.org/10.1155/ioa/8834883
21. Maleva M., Borisova G., Filimonova E., Lukina N., Chukina N., Ermoshin A., Tugbaeva A., Voropaeva O. Adaptive redox reactions contribute to the naturalization of the rare orchid Epipactis atrorubens on serpentine dumps after asbestos extraction. Horticulturae. 2022; 8(7): 603. DOI: https://doi.org/10.3390 / horticulturae8070603.
22. Weather and climate [Electronic resource]. URL: http://www.pogodaiklimat.ru/history/28344.htm (date of request: 10/20/2024).
23. Lukina N.V., Chukina N.V., Filimonova E.I., Glazyrina M.A., Uchaev A.P., Borisova G.G. Morphophysiological features of Pinus sylvestris L. in artificial plantings at the dredge dump after gold mining. // – Text: electronic resource. Forestry information = Forestry information. 2022; 3: 145-157. (In Russian.). DOI: https://doi.org/10.24419/LHI.2304-3083.2022.3.13
24. Arinushkina E. V. Manual on chemical analysis of soils. Moscow/. She is a graduate of Moscow State University. 1970. (And Russian).
25. Vernigora E.G., Burundukova O.L. Mesostructure of the photosynthetic apparatus under stressful growth conditions [Electronic resource] / E.G. Vernigora, O.L. Burundukova. Pacific Medical Journal. 2015; 2: 24-26. (In Russian).
26. Amirmohammadi M., Khademi H., Shamsolla A., Faz A. Pine needles as a bioindicator and biomagnetic indicator of individual metals in street dust on the example of southeastern Iran. The chemical sphere. 2024; 352: 141281. DOI: https://doi.org/10.1016/j.chemosphere.2024.141281
27. Al Sayegh Petkovsek S., Batich F., Ribarich Lasnik S. Needles of common spruce as a bioindicator of air pollution in the zone of influence of the Substan thermal power plant, Slovenia. Environmental pollution. 2008; 151(2): 287-291. DOI: https://doi.org/10.1016/j.envpol.2007.06.036.
28. Anjum N.A., Sofo A., Osprey A., Roychoudhury A., Gill S.S., Iqbal M., Lukatkin A.S., Pereira E., Duarte A.S., Ahmad I. Lipids and proteins are the main targets of oxidative modifications in plants exposed to abiotic stress. Environmental science and pollution research. 2015; 22: 4099-4121. DOI: https://doi.org/10.1007/s11356-014-3917-1.
29. Neverova, O.A. Assessment of the intensity of oxidative processes in woody plants in the area of industrial emissions / O.A. Neverova, O.M. Legoshchina, A.A. Bykov //Environmental ecology. Proceedings of the Samara Scientific Center of the Russian Academy of Sciences = Proceedings of the Samara Scientific Center of the Russian Academy of Sciences. 2010; 12(1(3)): 776-779. (In Russian). URL: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=15624737
30. Hayat S., Hayat K., Alemeni M.N., Vani A.S., Pichtel J., Ahmad A. The role of proline in changing environmental conditions: a review. Signaling and plant behavior. 2012; 7(11): 1456-1466. DOI: https://doi.org/10.4161/psb.21949
31. Zaripova R.S., Kuzmin P.A. The influence of anthropogenic stress on the dynamics of ascorbic acid in plants // Plant Biology. International Scientific Journal "Innovative Science" = International Science Journal "Innovative Science". 2015; 2(5): 24-26. ( In Russian). URL: DOI: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=23484817
32. Afanas'eva L.V., Kashin V.K. Himicheskiy sostav i produktivnost' Vaccinium myrtillus L. v usloviyah tehnogennogo vozdeystviya // Zhurnal Sibirskogo federal'nogo universiteta. Seriya: Biologiya. – 2015. – T. 8, № 3. – S. 333-346. – DOI: https://doi.org/10.17516/1997-1389-2015-8-3-333-346
33. Pasqualini V., Robles C., Garzino S., Greff S., Bousquet-Melou A., Bonin G. Phenolic compounds content in Pinus halepensis Mill. needles: a bioindicator of air pollution. Chemosphere. 2003; 52(1): 239-248. – DOI: https://doi.org/10.1016/S0045-6535(03)00268-6
