Advances in Chemical PhysicsAdvances in Chemical PhysicsФизиология растений0015-33033034-6126The Russian Academy of Sciences69877910.7868/S3034624X25020044ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ СТАТЬИResearch ArticleComprehensive Analysis of Biochemical Adaptations of Balsamic Poplar (Populus balsamifera L.) to Technogenic Stress in Sanitary Protective PlantationsКОМПЛЕКСНЫЙ АНАЛИЗ БИОХИМИЧЕСКИХ АДАПТАЦИЙ БАЛЬЗАМИЧЕСКОГО ТОПОЛЯ (POPULUS BALSAMIFERA L.) К ТЕХНОГЕННОМУ СТРЕССУ В УСЛОВИЯХ САНИТАРНО-ЗАЩИТНЫХ НАСАЖДЕНИЙGiniyatullinR. Kh.ГиниятуллинР. Х

обособленное структурное подразделение Федерального государственного бюджетного научного учреждения Уфимского федерального исследовательского центра Российской академии наук

IvanovR. S.ИвановР. С

обособленное структурное подразделение Федерального государственного бюджетного научного учреждения Уфимского федерального исследовательского центра Российской академии наук

ivanovirs@mail.ruUfa Institute of Biology, Ufa Federal Research Centre, Russian Academy of SciencesУфимский институт биологии15032025722VOL 72, NO2 (2025)ТОМ 72, №2 (2025)12313416122025Copyright ©; 2025, Russian Academy of SciencesCopyright ©; 2025, Российская академия наук2025Russian Academy of SciencesРоссийская академия наукhttps://ruspoj.com/0015-3303/article/view/698779

A comprehensive study of the biochemical adaptations of balsam poplar (Populus balsamifera L.) growing in sanitary protection plantations of the Sterlitamak Industrial Center (SIC) was conducted. A deterioration in the vital condition of balsam poplar under conditions of industrial pollution was established. An increase in the content of gross forms of heavy metals in the soils of the industrial zone was detected, with maximum concentrations in the surface layer (0–20 cm). It was found that an excess of some heavy metals leads to a decrease in the magnesium content in poplar leaves under SIC conditions. In the zone of the highest concentration of toxicants (2–3 km from sources of petrochemical and chemical pollution), an increase in the level of hydrogen peroxide in the leaves by 41.22% was recorded compared to the conditional control zone (10–15 km from the industrial zone). Industrial emissions from city enterprises stimulated oxidative processes in poplar leaves, manifested by an increase in malondialdehyde content (by 33.73%) compared to the conditional control zone. A decrease in flavonol content and catalase activity, an enzyme in the plant antioxidant system, was demonstrated under SIC conditions. Apparently, under stress, plants utilize catalases, flavonols, and other phenolic compounds to reduce the intensification of lipid peroxidation processes. It was found that under SIC pollution, the decrease in flavonols can be compensated for by an increase in anthocyanins. During the active growing season (June-July), a decrease in chlorophyll content was recorded in the leaves of trees in the industrial zone compared to the control zone. It is concluded that technogenic pollution leads to the accumulation of heavy metals in soils, the development of oxidative stress, and the restructuring of the antioxidant system in poplar leaves. A decrease in chlorophyll content can serve as a diagnostic sign of physiological damage to balsam poplars due to exposure to industrial pollution. The detected biochemical changes represent a complex of adaptive responses by plants to industrial stress.

Проведено комплексное исследование биохимических адаптаций тополя бальзамического (Populus balsamifera L.), произрастающего в санитарно-защитных насаждениях Стерлитамакского промышленного центра (СПЦ). Установлено ухудшение жизненного состояния тополя бальзамического в условиях промышленного загрязнения. Выявлено повышение содержания валовых форм тяжелых металлов в почвах промышленной зоны с максимальной концентрацией в приповерхностном слое (0—20 см). Обнаружено, что избыток некоторых тяжелых металлов приводит к снижению содержания магния в листьях тополя в условиях СПЦ. В зоне наибольшей концентрации токсикантов (2—3 км от источников нефтехимического и химического загрязнения) зафиксировано повышение уровня пероксида водорода в листьях на 41.22% по сравнению с зоной условного контроля (10—15 км от промышленной зоны). Промышленные выбросы предприятий города вызывали стимуляцию окислительных процессов в листьях тополя, что проявлялось в увеличении содержания малонового диальдегида (на 33.73%) по сравнению с зоной условного контроля. Показано снижение содержания флавонолов и активности каталазы, как фермента антиоксидантной системы растений, в условиях СПЦ. Видимо, в условиях стресса растения используют каталазы, флавонолы и другие фенольные соединения для снижения интенсификации процессов перекисного окисления липидов. Установлено, что в условиях загрязнения СПЦ снижение флавонолов может компенсироваться увеличением количества антоцианов. В период активной вегетации (июнь– июль) зарегистрировано снижение содержания хлорофиллов в листьях деревьев промышленной зоны по сравнению с контролем. Заключено, что техногенное загрязнение приводит к аккумуляции тяжелых металлов в почвах, развитию окислительного стресса и перестройке антиоксидантной системы в листьях растений тополя. Снижение содержания хлорофиллов может служить диагностическим признаком нарушени физиологического состояния тополя бальзамического под воздействием промышленных загрязнений. Обнаруженные биохимические изменения представляют собой комплекс адаптивных реакций растений к техногенному стрессу.

Populus balsamiferaanthocyaninscatalaserelative vital statelipid peroxidationflavonolschlorophyllsPopulus balsamiferaантоцианыкаталазаотносительное жизненное состояниеперекисное окисление липидовфлавоноидыхлорофиллыThe work was carried out under budget topic No. 123020700152-5 FMRS-2023-0008 “Stability of forest-forming tree species and ecological and biological adaptations taking into account anthropogenic transformation of landscape-natural complexes”.Работа выполнена с использованием оборудования центра коллективного пользования “Агидель” в рамках плановых исследований по бюджетной теме № 123020700152-5 FMRS-2023-0008 “Устойчивость лесообразующих древесных видов и эколого-биологические адаптации с учетом антропогенной трансформации ландшафтно-природных комплексов”.Самусик Е.А., Маринк Т.П., Головатый С.Е. Интенсивность окислительных процессов и активность антиоксидантной системы в листьях древесных растений, произрастающих в условиях техногенного загрязнения // Социально-экологические технологии. 2022. Т. 12. № 4. С. 418. https://doi.org/10.31862/2500-2961-2022-12-4-418Тюлькова Е.Г. Влияние техногенных условий на содержание фотосинтетических пигментов древесных растений различных возрастных групп // Вестник Брестского государственного университета. 2019. № 1. С. 52.Гиниятуллин Р.Х., Иванов Р.С. Оценка состояния древостоев тополя бальзамического (Populus balsamifera L.) и характер накопления антоцианов в листьях у здоровых и сильно ослабленных деревьев в условиях промышленного загрязнения // Аграрная Россия. 2024. № 7. С. 29. https://doi.org/10.30906/1999-5636-2024-7-29-35Государственный доклад “О состоянии природных ресурсов и окружающей среды Республики Башкортостан в 2022 году”. Уфа, 2023. 318 с.Negrão S., Schmöckel S.M., Tester M. Evaluating physiological responses of plants to salinity stress // Ann. Bot. 2017. V. 119. P. 1. https://doi.org/10.1093/aob/mcw19Загоскина Н.В., Назаренко Л.В. Активные формы кислорода и антиоксидантная система растений // Вестник МГПУ. Серия: Естественные науки. 2016. № 2. С. 9.Mittler R. Oxidative stress, antioxidants and stress tolerance // Trends Plant Sci. 2002. V. 7. P. 405. https://doi.org/10.1016/s1360-1385(02)02312-9Anjum N.A., Sharma P., Gill S.S., Hasanuzzaman M., Khan E.A., Kachhap K., Mohamed A.A., Thangavel P., Devi G.D., Vasudhevan P., Sofo A. Catalase and ascorbate peroxidase — representative H2O2-detoxifying heme enzymes in plants // Environ. Sci. Pollut. Res. 2016. V. 23. P. 19002. https://doi.org/10.1007/s11356-016-7309-6Бухарина И.Л., Гибадуллина И.И. Содержание фотосинтетических пигментов в листьях липы мелколистной в городской среде Набережных Челнов // Лесоведение. 2021. № 1. C. 52.Ростунов А.А., Кончина Т.А. Влияние техногенных загрязнений на физиологические показатели листьев древесных растений на примере г. Арзамаса // Известия Иркутского государственного университета. Серия: Биология, экология. 2016. Т. 15. С. 68.Удовенко Г.В. Устойчивость растений к абиотическим стрессам // Теоретические основы селекции растений. Т. 2. Санкт-Петербург: ВИР, 1995. С. 293.Серебрякова Н.Е., Карасева М.А., Карасев В.Н., Граница Ю.В. Диагностика жизнеспособности древесных растений г. Нижнекамска по активности фермента каталазы // Российский журнал прикладной экологии. 2015. № 4. С. 39.Сарсацкая А.С. Содержание фотосинтетических пигментов у древесных пород городских насаждений // Вестник КемГУ. Серия: Биологические, технические науки и науки о Земле. 2017. № 4. С. 9. https://doi.org/10.21603/2542-2448-2017-4-9-14Использование кернов в лесоводственных исследованиях: методические рекомендации // Ленинг. НИИ лесн. хоз-ва. Ленинград: ЛенНИИЛХ, 1988. 43 с.Лесные экосистемы и атмосферное загрязнение // Под ред. В.А. Алексеева. Л.: Наука, 1990. 200 с.Методика количественного химического анализа. Определение As, Cd, Co, Cr, Cu, Hd, Mn, Pb, Sb, Tm (кислотно-растворимые формы) в почвах и донных отложениях атомно-абсорбционным методом. СПб., 2005. 12 с.Hill S.J., Fisher A.S. Atomic absorption, methods and instrumentation // Encyclopedia of spectroscopy and spectrometry // Ed. J.C. Lindon. Elsevier Publ. 2017. P. 37. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-803224-4.00099-6Курганова Л.Н., Веселов А.П., Синицына Ю.В., Еликова Е.А. Продукты перекисного окисления липидов как возможные посредники между воздействием повышенной температуры и развитием стресса-реакции у растений // Физиология растений. 1999. Т. 46. С. 218.Королюк М.А., Иванова Л.И., Майорова И.Г., Токарев В.Е. Метод определения активности каталазы // Лабораторное дело. 1988. № 1. С. 16.Гиниятуллин Р.Х. Биогеохимическая активность древесных видов в поглощении марганца, кадмия, свинца, никеля в зоне наибольшей концентрации токсикантов промышленного центра и в зоне условного контроля // Известия Уфимского научного центра Российской Академии наук. 2025. № 1. С. 52. https://doi.org/10.31040/2222-8349-2025-0-1-52-59Томпсон Л.М., Троу Ф.Р. Почвы и их плодородие. М.: Колос, 1982. 462 с.Аканова Н.И., Козлова А.В., Мухина М.Т. Роль магния в системе питания растений // Агрохимический вестник. 2012. № 6. С. 66. https://doi.org/10.24412/1029-2551-2021-6-014Foroughi M., Hoffmanr G., Teicher K., Venter F. Der erklung steigender gaben von blei, cadmium, chrom, nickel oder zink auf Kopfsalat nach kultur in nahrosund. Landwirt. Forschg. 1975. Bd.28, Sonderh.31/2/S. 206.Устойчивость к тяжелым металлам дикорастущих видов // Под ред. Н.В. Алексеевой-Поповой. Ленинград, 1991. 213 с.Гарифзянов А.Р. Образование перекиси водорода и проявления окислительного стресса в листьях древесных растений в условиях промышленного загрязнения // Фундаментальные исследования. 2012. № 1. С. 151.Коршиков И.И., Котов В.С., Михенко И.П., Игнатенко А.А., Чернышова Л.В. Взаимодействие растений с техногенно загрязненной средой // Устойчивость, фитоиндикация. Оптимизация. Киев: Наукова думка. 1995. С. 175.Дубровина О.А., Зубкова Т.В., Виноградов Д.В., Гогмачадзе Г.Д. Биоаккумуляция тяжелых металлов в хвое ели колючей (Picea pungens) и туи западной (Thuja occidentalis) и защитная реакция растений на экологический стресс [Электрон. ресурс] // АгроЭкоИнфо: Электронный научно-производственный журнал. 2023. № 3. https://doi.org/10.51419/202133309Воскресенская О.Л., Сарбаева Е.В., Старикова Е.А. Изменение активности антиоксидантных ферментов у интродуцированных хвойных растений в условиях городской среды // Вестник Ульяновской государственной сельскохозяйственной академии. 2015. № 2. С. 56.Решетник Г.В., Задиранова Н.С., Серов А.В. Активность антиоксидантных ферментов прорастающих семян пшеницы (Triticum aestivum L.) в условиях воздействия нитрата свинца // Ученые записки Крымского федерального университета имени В.И. Вернадского. Серия: Биология. Химия. 2017. Т. 3. С. 37.Amirjani M.R. Effects of cadmium on wheat growth and some physiological factors // Int. J. Forest Soil Erosion. 2012. V. 2. P. 50.Фарафонтов М.Г. Биоиндикаторные свойства хлорофилла в условиях воздействия загрязнений неопределенного состава // Экология. 1999. № 5. С. 76.Колтунов Е.В. Влияние аэротехногенного загрязнения на состав и содержание фенольных соединений в хвое сосны обыкновенной (Pinus sylvestris L.) в условиях урбанизации // Успехи современного естествознания. 2019. № 9. С. 19.Marquez-Garcia B., Angeles-Fernandez-Recamales M., Cordoba F. Effects of cadmium on phenolic composition and antioxidant activities of Erica andevalensis // J. Bot. 2012. V. 2012. P. 1. https://doi.org/10.1155/2012/936950Петухов А.С., Кремлёва Т.А., Петухова Г.А., Хритохин Н.А. Ответная антиоксидантная реакция травянистых растений различных видов на загрязнение среды тяжелыми металлами // Вестник Нижневартовского государственного университета. 2024. № 2. С. 25. https://doi.org/10.36906/2311-4444/24-2/03Середа Л.Н., Цветов Н.С., Дрозобужская С.В., Жиров В.К. Изменение содержания суммы флавоноидов в Vaccinium myrtillus в градиенте техногенного загрязнения в центральной части Кольского полуострова // Экосистемы. 2023. № 34. С. 163.Петухов А.С., Хритохин Н.А., Петухова Г.А., Кремлёва Т.А. Фенольная система защиты растений в условиях загрязнения среды г. Тюмени тяжелыми металлами // Ученые записки Казанского университета. Серия: Естественные науки. 2019. Т. 161, кн. 1. С. 93.Farrant J.M., Willigen C.V., Loffell A., Bartsch S., Whittaker A. An investigation into the role of light during desiccation of three angiosperm resurrection plants // Plant Cell Environ. 2003. V. 26. P. 1275. https://doi.org/10.1046/j.0016-8025.2003.01052.xHale K.L., Tufan H.A., Picerking I.J. Anthocyanins facilitate tungsten accumulation in Brassica // Plant Physiol. 2002. V. 116. P. 351. https://doi.org/10.1034/j.1399-3054.2002.1160310.xNeill S.O., Gould K.S., Kilmartin P.A., Mitchell K.A., Markham K.R. Antioxidant activities of red versus green leaves in Elatostema rugosum // Plant Cell Environ. 2002. V. 25. P. 539. https://doi.org/10.1046/j.1365-3040.2002.00837.xЧупахина Г.Н., Массеникова Р.В., Скрытник Л.Н., Бессережнова М.И. Реакция пигментной и антиоксидантной систем растений на загрязнение окружающей среды г. Калининграда выбросами автотранспорта // Вестник Томского государственного университета. Биология. 2012. № 2. С. 171.