История лаборатории экологической физиологии растений

Техногенное загрязнение окружающей среды, сокращение естественных ресурсов биосферы, деградация лесов и зеленых насаждений, снижение генетического потенциала чувствительных видов или полное их исчезновение – далеко не полный перечень проблем, порождаемых неразумным природопользованием и внедрением в экономику недостаточно эффективных технологий. Экономические и технологические трудности на пути решения этих проблем в областях производства и потребления привели к необходимости экологогигиенической оценки существующего и прогнозируемого загрязнения среды и разработки комплексных методов улучшения ее качества. Решение важнейших в этом смысле задач взял на себя Центральный ботанический сад АН БССР, которому проблема охраны окружающей природной среды была определена в 1967 г. Президиумом АН БССР как одно из приоритетных направлений научных исследований, хотя данное направление явилось нетрадиционным для ботанических садов.

В 1969 г. по инициативе академика Н.В. Смольского создана лаборатория физиологии устойчивости и питания интродуцентов, основными направлениями деятельности которой стали:

  • изучение физиологии прорастания семян; роста, развития и минерального питания интродуцентов;
  • исследования в области индустриальной экологии и физиологии растений;
  • оптимизация урбанизированной среды средствами озеленения.

Физиологическая пластичность, которой обладают интродуценты в новых условиях произрастания, заложена в семенах, и подгонять ритмы развития некоторых растений к условиям внешней среды целесообразно, начиная с воздействия на семена. Исследования П.П. Чуваева и А.В. Шерстеникиной показали, что физиологические особенности прорастания семян интродуцентов зависят, прежде всего, от их систематического положения и географического происхождения. Вместе с тем семена отдельных видов крупных биологических родов поразному реагируют на температурные и световые условия проращивания. Большой вклад в развитие данного направления исследований и получение экспериментального материала внесли в разное время сотрудники: С.В. Винокурова, Т.И. Андрианова, Л.Г. Заранчук.

Вопросами минерального питания интродуцированных цветочных растений с 1976 года занималась тематическая группа Ж.А. Рупасовой. На основании комплексного изучения особенностей формирования фитомассы роз, гвоздики ремонтатной и герберы, характера накопления и перераспределения широкого спектра макро и микроэлементов в ее структурных компонентах на разных этапах онтогенеза, были определены потребности в питательных веществах и разработаны научно обоснованные оптимальные регламенты внесения минеральных удобрений для условий защищенного грунта.

В 1977 году лабораторию возглавил Е.А. Сидорович. В этот период значительное место в исследованиях данного структурного подразделения занимали экологофитоценотические исследования растительных комплексов в зонах влияния техногенеза целью которых была детальная оценка современной экологической ситуации, складывающейся на территориях, прилегающих к промышленным центрам (гг. Минск, Светлогорск, Мозырский НПЗ, Лукомльская ГРЭС). На основании полученных и ретроспективных данных состояния сосновых лесов, использованных в качестве модельных объектов, предполагалось разработать прогноз состояния этих лесов на определенную перспективу. В связи с расширением комплекса решаемых задач, в 1980 году лаборатория была переименована в лабораторию экологической физиологии растений.

Загрязнение атмосферы токсическими газами делает все более актуальным поиск путей нейтрализации их пагубного действия, и в этом процессе важнейшая роль принадлежит городским зеленым насаждениям и естественным лесным массивам. Именно они, синтезируя органическое вещество, вовлекают в метаболизм ингредиенты промышленных и автотранспортных отходов, в том числе ядовитые газы, и тем самым снижают их концентрацию в воздушной среде, улучшают микроклимат и санитарногигиенические характеристики воздуха.

Начало разработке научных основ использования растительности в качестве средств извлечения и нейтрализации токсических техногенных компонентов из атмосферы было положено исследованиями Н.В. Гетко. Сотрудники лаборатории проводят в этот период исследования газопоглотительной способности и газовыносливости ряда местных и интродуцированных видов на территории Новополоцкого нефтеперерабатывающего и в окрестностях Минского тракторного заводов. Было установлено, что большинство интродуцентов отличается более высокой устойчивостью, по сравнению с аборигенными видами. Это связано с большей пластичностью в адаптации их к новым экологическим условиям.

Эти исследования позволили накопить богатый экспериментальный материал о структурнофункциональных нарушениях, характере поступления, превращения и аккумуляции загрязнителей в отдельных органах растений, произрастающих вблизи крупных промышленных центров Беларуси.

Механизм фитотоксического действия комплекса серусодержащих загрязнителей (сероуглерода, сероводорода и двуокиси серы), аккумулирующая способность и адаптивная реакция растений по отношению к этому фактору обобщены в кандидатской диссертации С.А.Сергейчик "Устойчивость древесных растений к сероуглероду, сероводороду, двуокиси серы, биологическая очистка атмосферного воздуха в условиях Белоруссии".

Адаптационная перестройка фотосинтетического аппарата растений в ответ на неблагоприятное внешнее воздействие, которым являются техногенные эмиссии различной химической природы, сопровождается изменениями на разных уровнях организации листа: от отдельных хлоропластов до целого органа. Анатомическая структура листа при этом играет роль регулятора в поддержании сбалансированности физиологических процессов при изменении их скоростей, с одной стороны, и сама является результатом этих изменений – с другой. Результаты этих исследований отражены в кандидатской диссертации Л.Д. Рак "Биологические особенности основных лесообразователей темнохвойной тайги европейской части СССР в условиях промышленного загрязнения" и ряде публикаций Е.А. Сидоровича с соавторами.

Выявленные взаимосвязи ряда анатомических параметров растений, таких как степень развития покровных и хлорофиллоносных тканей листа, устьичного аппарата растений, параметры хлоропластов, чрезвычайно важны, поскольку на их основе можно составить представление о фотосинтезе растений в неблагоприятных условиях существования. В процессе фотосинтеза и дыхания происходит углеродный обмен, начинающийся с поглощения углекислоты листьями и образования углеводов. Часть их расходуется на дыхание, а другая часть накапливается в виде прироста массы сухого вещества. Исследования показали, что в условиях города Минска и Березинского стационара в листьях и хвое отобранных для наблюдений растений накапливается практически одинаковое количество углерода. Это свидетельствует в пользу того, что адаптивная способность вида направлена на поддержание жизнеобеспечения.

Известно, что изменения объемов хлоропласта очень близки по характеру к изменениям скоростей протекающих в них реакций Хилла и фотофосфорилирования и являются следствием преимущественного образования тех или иных соединений в реакциях с противоположно изменяющимися скоростями. Вероятно, именно таким путем происходит авторегуляция структуры и функций хлоропластов как динамичной биохимической системы, существующей в постоянно изменяющихся условиях техногенной среды. По результатам этих исследований защищена докторская диссертация Н.В. Гетко «Структурные и функциональные особенности ассимиляционного аппарата растений в техногенной среде».

Основными системами растительной клетки, обеспечивающими устойчивость ассимиляционного аппарата растений к органогенным ксенобиотикам, являются: состояние пигментной и ферментной систем, а также сбалансированность основных физиологобиохимических параметров, определяющих функциональную активность ассимилирующих органов. Присутствие органогенных эмиссий стимулирует накопление фотосинтетических пигментов и увеличивает каталитическую активность пероксидаз, основных ферментов, участвующих в метаболических превращениях поглощенных ксенобиотиков. Эти исследования были положены в основу кандидатской диссертации И.А. Шобановой " Экологобиологическая оценка устойчивости основных лесообразующих пород СССР к органогенным загрязнителям ароматической природы".

Важный вклад в развитие теоретических и прикладных аспектов газоустойчивости растений внесли сотрудники лаборатории экологической физиологии растений С.А. Сергейчик, А.А. Сергейчик, Н.В. Гетко, Л.Д. Рак, И.А. Шобанова, Е.А. Борсук, Л.В. Бурейко, Л.В. Божко, С.Ф. Жданец, О.С. Козырь. Результаты многолетних исследований в области экологической физиологии, газоустойчивости аборигенных и интродуцированных растений обобщены в докторской диссертации С.А. Сергейчик "Устойчивость и поглотительная способность древесных растений к газообразным загрязнителям атмосферы в условиях Беларуси".

В 1991 году в состав существующей лаборатории экологической физиологии растений переведены сотрудники лаборатории экологии и охраны природы. В этот период структурное подразделение достигает наибольшего численного состава – 25 сотрудников. В эти же годы в лаборатории были развернуты широкомасштабные комплексные исследования трансформации лесных экосистем региона под воздействием техногенных и рекреационных нагрузок, в которых активное участие приняла Ж.А. Рупасова. Выбор данного направления был обусловлен тем, что наиболее чувствительным индикатором этих нагрузок, по общепризнанному мнению, являются именно лесные экосистемы, широко распространенные на территории региона и способные аккумулировать до 48 загрязняющих веществ, что приводит в ряде случаев к нарушению сложившихся в ходе эволюции связей между отдельными их компонентами и, как следствие, к частичной и даже полной деструкции и деградации растительных комплексов.

В результате данных исследований было установлено, что во всех без исключения перечисленных типах растительных сообществ, произрастающих в пределах рекреационной зоны, несмотря на худшие, по сравнению с заповедными территориями, лесорастительные условия, они обладают намного большей, чем их природные аналоги, емкостью биологического круговорота, ежегодно вовлекая в него и трансформируя значительные объемы органического вещества и связанных с ним химических элементов. Установленные особенности функционирования лесных фитоценозов в условиях антропогенных нагрузок нашли свое подтверждение и в более поздних широкомасштабных исследованиях Е.А. Сидоровича, Ж.А. Рупасовой, Е.Г. Бусько, К.Д. Чубанова, Н.М. Арабея, К.К. Кирковского, А.И. Алехно, Н.И. Пикулика и других сотрудников лаборатории, выполненных в рамках Европейского экологического мониторинга и состоявших в изучении трансформации сосновых лесов под воздействием антропогенного пресса в отдельных частях Белорусского региона.

Особое место в исследованиях лаборатории занимало изучение радиационнотеплового режима лесов Беларуси, проводившееся посредством стационарных теплобалансовых наблюдений, включавших синхронные актинометрические, градиентные и фотометрические измерения на 24х стационарах в основных лесных формациях республики. В выполнении этих масштабных исследований участвовали Е.Г. Бусько, А.И. Алехно, В.Д. Бурганский, Р.В. Богаткевич, П.В. Веленко, С.Ф. Жданец, А.Н. Иодо, М.М. Мотыль, Д.Д. Рак, а в обобщении их результатов принимала активное участие Ж.А. Рупасова. Полученные результаты исследований дали возможность вскрыть ряд особенностей в изменении составляющих радиационнотеплового баланса как в зоне влияния антропогенных нагрузок, так и на заповедных территориях. Было высказано предположение, что в условиях урбанизированной среды, отличающейся повышенным загрязнением промышленными отходами окружающего фона, роль абиотических факторов в изменении составляющих радиационнотеплового баланса должна быть существенно выше, нежели на заповедных территориях.

Для обеспечения полного комплекса биогеоценотических исследований, отвечающих задачам биологического мониторинга, была спроектирована и создана система автоматизированного сбора и анализа первичной информации с помощью ЭВМ, что дало возможность установить достоверные корреляционные связи и регрессионные зависимости между экологическими факторами среды (солнечная радиация, температура, влага) и структурнофункциональными характеристиками лесных фитоценозов.

В 1990-1994 гг. научными сотрудниками лаборатории экологической физиологии растений ЦБС АН БССР были осуществлены широкомасштабные исследования экологической ситуации на всей территории Беларуси на основе мониторинга уровня техногенного загрязнения снежного покрова и фитомониторинга лесных экосистем с использованием лихеноиндикации и сосновых насаждений в качестве модельных объектов. Основное внимание при этом было уделено изучению степени трансформации лесных экосистем Беларуси под воздействием техногенных и рекреационных нагрузок, характеру их ответных реакций на антропогенные воздействия, а также зонированию территории республики по уровню техногенных загрязнений соединениями серы, азота и тяжелыми металлами.

В результате многолетних комплексных исследований состояния природной среды в лесных экосистемах Беларуси дана опосредованная оценка закономерностей формирования экологической ситуации в республике под воздействием антропогенных нагрузок. В качестве завершающего этапа фитоиндикационного зонирования территории Беларуси были составлены картысхемы загрязнения серой и тяжелыми металлами по отдельным областям республики и в целом.

В 1996-1997 гг. по договору с Министерством природных ресурсов и охраны окружающей среды РБ лабораторией была проведена оценка риска техногенного загрязнения лесных экосистем Национальных парков «Браславские озера», «Нарочанский» и сопредельных с ними территорий. На основе данных лихеноиндикации в названных Национальных парках осуществлено в том же масштабе, что и для Беловежской пущи, зонирование их территорий по степени загрязнения серой и 8 тяжелыми металлами. В пределах Национального парка «Браславские озера» проведена также оценка состояния сосновых древостоев.

В 1998-1999 гг. для Министерства лесного хозяйства РБ лаборатория экологической физиологии растений ЦБС НАНБ осуществила выполнение весьма трудоемкого проекта. В течение сравнительно короткого срока исследований была произведена экологобиологическая оценка состояния лесов Беларуси на рубеже XXI века и разработан комплекс мероприятий по их оздоровлению. В результате реализации данного проекта дана оценка современного санитарного состояния древостоев, прослежены структурные изменения в некоторых лесных фитоценозах за различные периоды ретроспекции. Приведены данные дендрохронологического анализа радиального текущего прироста древостоев, фитопатологической ситуации в лесах, а также результаты сравнительных физиологобиохимических исследований ассимиляционного аппарата основных лесообразующих пород Беларуси в естественных и техногенно нарушенных условиях. С учетом фактического состояния лесов Беларуси разработан комплекс профилактических, лесохозяйственных и лесокультурных мероприятий по оздоровлению лесных насаждений.

С 2001 года лаборатория приступила к выполнению заданий в рамках ГПОФИ "Природные комплексы" и "Биологические ресурсы". Были получены новые данные, расширяющие наши представления о механизме фитотоксического действия ряда приоритетных загрязнителей окружающей среды Республики Беларусь: формальдегида, бенз(а)пирена, хлористого водорода. Выявлены закономерности изменения физиологических показателей ассимиляционного аппарата древесных и кустарниковых растений местной и мировой флоры (105 видов) (содержание водорастворимых белков, фотосинтетических пигментов, активность ферментов пероксидазы и полифенолоксидазы, буферная ёмкость цитоплазмы и др.) под влиянием указанных токсикантов.

Определены уровни аккумуляции серы и хлора в ассимиляционном аппарате хвойных и лиственных древесных растений в зимневесенний период в разных зонах техногенных нагрузок г. Минска.

Для усиления кадрового потенциала лаборатории и выполнения заданий в рамках ГПОФИ "Ресурсы растительного и животного мира", ГПОФИ "Природопользование" в штат лаборатории в начале 2000х гг. зачислены к.б.н. Яковлев А.П. и к.б.н. Булавко Г.И. С их участием установлено, что ухудшение жизненного состояния большинства представителей дендрофлоры вдоль автомагистралей республики обусловлено оседанием солевых частичек, растворенных в воде, переносимых воздушными потоками, на хвое и побегах растений. Проявления негативного воздействия противогололедных реагентов обнаруживаются при изучении анатомоморфологической структуры ассимилирующих органов, на фоне снижения активности ряда физиологобиохимических процессов. Полученные результаты исследований имеют выраженную прикладную направленность. Так, совместно с "БелДорНИИ" Минтранса разработан дорожный методический документ ДМД 02191.3.019-2009 «Устройство и содержание техногенно устойчивых снегозадерживающих древеснокустарниковых насаждений вдоль автомобильных дорог общего пользования». Его практическая значимость определяется разработкой научных основ создания вдоль основных транспортных магистралей Беларуси новых древостоев, способных выдерживать усиливающийся антропогенный пресс и снижать вредное воздействие транспорта на окружающую среду. В результате выполненных исследований подготовлены также картысхемы степени отклонений от ПДК уровня накопления тяжелых металлов (Cd, Cr, Cu, Ni, Pb, Zn) в корнеобитаемом слое почвы еловых насаждений, примыкающих Минскому промышленному узлу.

С 2004 г. в научной тематике лаборатории сформировалось еще одно важное для народного хозяйства республики направление исследований в области индустриальной экологии, связанное с разработкой научных основ биологического этапа рекультивации выбывших из промышленной эксплуатации торфяных месторождений республики, и реализуемое совместно с сотрудниками лаборатории химии растений в рамках 2х проектов с Белорусским фондом фундаментальных исследований, а также по заданию ГНТП "Экологическая безопасность".

С 2011 г. сотрудники лаборатории экологической физиологии растений приступили к выполнению заданий в следующих программах научных и прикладных исследований:

  • ГПНИ "Природноресурсный потенциал" 20112013 гг.;
    • раздела научного обеспечения Государственной программы социальноэкономического развития и комплексного использования природных ресурсов Припятского Полесья на 20102015 гг. (совместно с лабораторией химии растений);
    • раздела научного обеспечения Государственной программы реконструкции объектов ЦБС НАН Беларуси, 20112013 гг.;
  • ГНТП "Природные ресурсы и окружающая среда", 20112013 гг. (совместно с лабораторией химии растений);
  • ОНТП "Интродукция и озеленение", 20112013 гг. (совместно с ИЭБ им. В.Ф. Купревича).
1 - Главный вход
2 - Коллекции цветочных растений
3 - Экспозиции цветочных растений
4 - Розарий
5 - Ландшафтный парк
6 - Центральный партер
7 - Экспозиционная оранжерея
8 - Каменная горка
9 - Сад сирени
10 - Сад рододендронов
11 - Лимонарий
12 - Плодовый сад
13 - Маточник садовых форм
14 - Древесный питомник
15 - Сектор флоры Дальнего Востока
16 - Сектор флоры Северной Америки
17 - Сектор флоры Европы и Сибири
18 - Сектор флоры Крыма и Кавказа
19 - Сектор флоры Средней Азии
20 - Сектор флоры Беларуси
21 - Участок лекарственных и пряно-ароматических растений
22 - Участок кормовых и биоэнергетических растений
23 - Лесопарк
24 - Карантинная оранжерея и питомник
25 - Селекционный питомник орнаментальных растений
Кафе
Туалет
1
Главный вход
2
Коллекции цветочных растений
2
Коллекции цветочных растений
3
Экспозиции цветочных растений
4
Розарий
5
Ландшафтный парк
6
Центральный партер
7
Экспозиционная оранжерея
8
Каменная горка
9
Сад сирени
10
Сад рододендронов
10
Сад рододендронов
11
Лимонарий
12
Плодовый сад
12
Плодовый сад
13
Маточник садовых форм
14
Древесный питомник
15
Сектор флоры Дальнего Востока
16
Сектор флоры Северной Америки
16
Сектор флоры Северной Америки
16
Сектор флоры Северной Америки
17
Сектор флоры Европы и Сибири
18
Сектор флоры Крыма и Кавказа
19
Сектор флоры Средней Азии
20
Сектор флоры Беларуси
21
Участок лекарственных и пряно-ароматических растений
22
Участок кормовых
и биоэнергетических
растений
23
Лесопарк
24
Карантинная оранжерея и питомник
25
Селекционный питомник орнаментальных растений
Аллея ореха маньчжурского
Аллея рябины обыкновенной
Ал. дуба черешчатого
Ал. тополя черного
Аллея тополя канадского
Аллея клена серебристого
Аллея березы повислой
Аллея туи западной
Аллея липы мелколистной
Аллея ели европейской
Аллея ясеня пенсильванского
Аллея черемухи Маака
Ал. яблони сливолистной
Озеро