СТРОЕНИЕ ДРЕВЕСИНЫ ПРЕДСТАВИТЕЛЕЙ РОДА ULMUS L В НОРМЕ И В СВЯЗИ С ВОЗДЕЙСТВИЕМ ДЕНОРМАЛИЗУЮЩИХ ФАКТОРОВ

STRUCTURE OF WOOD OF REPRESENTATIVES OF THE GENUS ULMUS L IN NORM AND IN CONNECTION WITH THE INFLUENCE OF DENORMALIZING FACTORS

Silvia Petrosyan

student, Department of forestry, selections and dendrology, Moscow State Technical University Bauman,

Russia, Moscow

Peter Aksenov

candidate of agricultural sciences, Moscow State Technical University Bauman,

Russia, Moscow

АННОТАЦИЯ

Уровень антропогенного воздействия на окружающую среду постоянно растет. Одной из главных проблем является увеличение количества наземного транспорта. Ранее построенные дороги не рассчитаны на современное количество машин, дорожное покрытие зачастую нуждается в капитальном ремонте, поэтому возникающая акустическая обстановка превышает предельно допустимые нормы. Чрезвычайно остра проблема расположения дорожной сети вблизи жилых домов. Шум достигает значений, которые создают дискомфортную обстановку для организма людей и животных, отрицательно влияет на их здоровье. Кроме того, возрастающий уровень загразнения атмосферы угарными газами делает проблему еще более актуальной. Одной из мер защиты территорий населенных пунктов от шумов, возникающих на автомобильных дорогах, является использование зеленых насаждений.

В рамках научно-исследовательской работы под руководством Аксенова П.А. нами изучается строение макро- и микростроение древесины вяза гладкого, а также строение древесины ветвей вяза гладкого, измененной под воздействием патогена.

Методика исследования

За основу нами принята классическая методика, изложенная в работах по общей анатомической и микроскопической технике.

Методика наших исследований разделена на следующие этапы исследования: сбор образцов, предварительная обработка образцов древесины, пропитка и удаление воздуха из древесины, размягчение и промывка материала, изготовление микросрезов, окрашивание, промывка, обезвоживание и заключение срезов, микроскопирование и микрофотография.

В эту методику мы внесли свои изменения и дополнения. В частности:

1) для быстрого определения величины и варьирования радиального прироста, протяженности и процента зон поздней и ранней древесины использовалась разработанная нами методика (Аксенов П.А., 2002), основанная на макроскопическом анализе зашлифованных поперечных плоскостей спила и исследовании сколов древесины;

2) пропитка проводилась с использованием вакуумной системы для удаления газов из образцов и пропитки древесины;

3) размягчение древесины проводилось с использованием различных режимов пластификации в зависимости от твёрдости;

4) изготовление срезов проводилось с применением нестандартных углов резанья и криотомов;

5) использовались оригинальные методы окраски срезов (тионин + генцианвиолет и др.);

6) для изучения и фотосъёмки срезов использовались нестандартные методы освещения объектов и комбинирования оптических систем световых микроскопов.

Сбор образцов

Спилы. В насаждении, со стволов модельных деревьев берутся спилы толщиной 2–3 см с помощью бензиномоторной пилы с мелкими зубцами пильной цепи. Высота взятия спила, в среднем, должна соответствовать 1,3 м от уровня земли. При этом необходимо вести учет образцов по их видовой принадлежности и экологическим особенностям произрастания насаждений. Число используемых моделей определяется эмпирически в зависимости от однородности насаждения, рельефа и почвенно-грунтовых условий.

В случае, когда невозможна валка деревьев, допустимо взятие спилов из нижней части толстых скелетных ветвей. Однако, вопрос о степени соответствия анатомической структуры древесины ствола и скелетной ветви нуждается в дополнительной доработке. Необходимо проводить корректировки по наличию тяговой древесины.

Предварительная обработка образцов древесины

Для быстрого определения величины и варьирования радиального прироста, протяженности и процента зон поздней и ранней древесины используется разработанная нами методика (Аксенов, 2002), основанная на макроскопическом анализе зашлифованных поперечных плоскостей спила.

Образцы высушивают в теплом помещении с пониженной влажностью до воздушно-сухого состояния. Затем их подвергают шлифовке на шлифовальном станке с бегущей лентой, покрытой наждачным порошком средней зернистости с примерно одинаковым давлением, воздействующим на единицу площади разных участков торцовой поверхности. В некоторых случаях мы применяем методику зачистки сухой поверхности дрвесины с использованием ножей с углом заточки 30-35° или скалывания в продольных плоскостях.

Измерение макроанатомических параметров древесины проводится с использованием микроскопа МБС – 10, снабженного окулярной линейкой или с помощью измерительного микроскопа МИ – 1. Измерения проводят минимум по двум взаимоперпендикулярным направлениям.

На плоских сколотых тангентальных поверхностях спилов стволов и клепки определяется число широких радиальных лучей на единицу площади. При этом поверхность с помощью простого карандаша аккуратно разграничивают на несколько прямоугольников, далее определяют их площади и подсчитывают количество широких лучей с применением 5 –7´ плосковыпуклой лупы или микроскопа МБС – 10. Подсчет однорядных лучей проводится при больших разрешениях прямых биологических микроскопов (МБИ-15, Jenaval).

Пропитка и удаление воздуха из древесины

Для приготовления микропрепаратов древесины дуба необходимо иметь размягченные образцы, в структуре которых отсутствуют свободные газы.

Так, как структурные элементы высушенной древесины заполнены воздухом, который затрудняет процесс размягчения материала, необходимо прибегнуть к замещению его жидкостью при пониженном давлении.

Кусочки древесины (стволовые высечки, участки спилов, полученные путем раскалывания их в определенных направлениях) помещают в дистиллированную воду или спиртоглицериновуб смесь (1:1), наполовину заполняющую сосуд вакуумной системы изображенной на рисунке Е.57 и подвергают циклическому вакуумированию в растворителе под гнётом.

Степень разряжения должна составлять 10 – 15 мм рт. ст., температура воды – не выше 25 – 28 °С; в противном случае произойдет закипание воды. Обработку проводят циклически (изменяя давление в системе от 10 – 15 мм рт. ст. до 1 атм) с периодичностью 2-5 часов, до тех пор, пока при кратковременном повышении давления на 50 – 100 мм рт. ст. все образцы материала не опустятся на дно. Затем давление приводится до уровня атмосферного.

Размягчение и промывка материала

Для улучшения процесса резки тканей на микротоме и получения качественных тонких срезов, образцы древесины подвергают длительному воздействию размягчающей смеси или кратковременному кипячению.

Хорошие результаты дает следующий метод размягчения древесины: кусочки древесины выдерживаются в смеси глицерина, этилового спирта и воды (1:1:1) в течение длительного промежутка времени, зависящего от размеров и твёрдости объекта (для кубика со стороной 1 см, не менее 20-30 дней). Срок размягчения можно значительно сократить (в 2-3 раза), поместив сосуды в термостат, настроенный на температуру 40-45 °С. В спирто-водно-глицериновой смеси древесина (без значительных изменений микроструктуры) может храниться, практически, неограниченное время.

Изготовление микросрезов

Структурные особенности тканей древесины изучаются под прямым биологическим микроскопом на срезах, изготовленных с помощью салазочных и ротационных микротомов.

Основная масса срезов изготавливается на медицинском санном микротоме с автоматической подачей объекта. Угол наклона ножа устанавливается по методу Ромейса (угол между блоком и плоскостью заточки ножа » 1,5 – 2°). Оптимальный угол отклонения ножа от оси его перемещения определяется эмпирически, в процессе резки и зависит восновном от твёрдости образца.

Серии одинаковых по толщине тангентальных срезов получали на ротационных микротомах, при этом угол наклона ножа устанавливается так же, а угол отклонения остается постоянным и составляет 90°.

Ряд тангентальных срезов получали на криотоме фирмы Leitz, позволяющем замораживать объект до температуры, не зависящей от температуры ножа. Температура объекта, угол наклона и температура ножа определяются эмпирически в процессе резки. Угол отклонения = 90°. Угол заточки ножа = 25-30°. Полученные срезы переносили в водную или спиртоводную среду.

Окрашивание, промывка, обезвоживание и заключение срезов

Для определения процента поздней древесины, величины годичного прироста, подсчет количества клеток в радиальном ряду и прочих операций, не требующих точных микрометрических измерений, исключая микрофотографию, препараты изготавливали по упрощенным схемам.

1) Срезы без промывки и окрашивания сразу заключали в глицерин, после чего приступали к микроскопированию. Срок годности таких препаратов = 3 – 10 дней.

2) Срезы окрашивали 0,1 % – водным раствором хризоидина или реактивом Шода, после чего длительно промывали в воде, проводили через глицерин и заключали в глицерин-желатину. Срок годности таких препаратов = 1 – 2 года.

Во всех остальных случаях пользовались классическим методом изготовления постоянных бальзамических микропрепаратов с внесением некоторых модификаций в стандартные методики.

Для окраски ксилемы наиболее подходящими оказались красители, приведенные в таблице Е.10.

Микроскопирование и микрофотография

Определение количества поздней древесины, величины радиального прироста, определение расположения и подсчет сосудов ранней и поздней древесины (на микропрепаратах) проводится под стереоскопическим микроскопом МБС – 10 или Citoval (Karl Zeiss) с использованием окулярной линейки (цена деления определяется по объект-микрометру ОМП – 1 (ГОСТ 7513 – 55)) и нижнего освещения. Подсчет количества и размеров сосудов удобно проводить, снабдив микроскоп демонстрационной насадкой, проецирующей изображение на плоскость матового стекла.

Измерение толщины клеточных стенок, диаметров сосудистых и волокнистых трахеид, изучение расположения и контактов осевой паренхимы, изучение структуры сердцевинных лучей и некоторые другие исследования проводятся под микроскопами категории МБИ (МБИ – 15, МББ – 1А, Jenaval), снабженными планахроматическими объективами высоких апертур. Настройка освещения осуществляется по методу Келлера. При проведении микроизмерений к тубусу микроскопа присоединяется винтовой окуляр-микрометр типа МОВ – 1 – 15 или АМ9 – 2.

Степень затиллованности сосудов ранней древесины определяется на толстых радиальных срезах (или на продольных сколах) при малом увеличении микроскопа как малая, средняя и высокая. Косвенно такую оценку можно провести на толстых поперечных срезах, анализируя частоту встречаемости вазицентрической паренхимы, частоту контактов радиальных лучей со стенками сосудов и учитывая наличие обрывков стенок тилл в просветах члеников сосудов.

Оценку расположения сосудов поздней древесины удобно проводить на микросрезах при среднем увеличении под стереоскопическим микроскопом.

Для цифровой микрофотосъемки и наблюдения микроструктур по дисплею компьютера через световой микроскоп разработан методический подход к применению цифровых камер (фотоаппаратов) производства фирмы Sony (DSC-W1), Nikon. Такие камеры позволяют передавать изображение в цифровом формате с высоким уровнем качества в память компьютера и на экран для просмотра или дополнительной обработки. При этом обеспечивается приемлемое сохранение параметров разрешения и контраста, определяемых объективом микроскопа. Использование этого приема существенно облегчает работу и увеличивает точность анатомо-гистохимических измерений. Кроме того, упрощается задача представления графических материалов.

Результаты исследований

В результате исследований были получены следующие результаты.

Строение древесины ветвей вяза гладкого, сформировавшейся под влиянием патологических воздействий, имеет ряд отличий от нормальной древесины.

На макроуровне отмечаются следующие изменения:

1. Центральная часть древесного цилиндра приобретает тёмный почти чёрный оттенок. В границах потемнения выделяется зона патологии древесины, образованная в связи с воздействием денормализующих факторов. Границы зоны могут соответствовать границам внутренних годичных колец или образовывать расширяющиеся радиальные полосы (секторы). В ряде случаев отмечаются множественные тёмные участки во внешних годичных кольцах. При слиянии множественных патологических зон образуется сплошное темноокрашенное кольцо.

2. Ядрообразование проходит ускоренно на ранних стадиях развития стебля.

3. Наблюдаются чёрно-коричневые радиальные линии от боковых почечных следов и побегов, подвергшихся воздействию патогенов.

4. Падение текущего радиального прироста ксилемы ветвей, прежде всего, за счёт сокращения зоны поздней древесины периферийных годичных колец.

Изменения отмеченные на микросрезах.

В результате патологических процессов зоны измененной древесины образцов 1, 1-2 имеют следующие анатомические особенности:

1. Членики ранних и, частично, поздних сосудов активно затилловываются. Причем, чем сильнее воздействие денормализующего фактора, тем выше встречаемость и меньше размеры тилл в просветах сосудов.

2. В паренхимных клетках и далее в полостях трахеальных элементов возникают отложения темноокрашенных пластических веществ – микоинфильтратов. По мере того как в полостях паренхимных клеток образуются микоинфильтраты, они начинают пропитывать оболочки как паренхимных, так и трахеальных элементов и скапливаются в тиллах, полостях волокон и просветах сосудов. Количество пластических веществ напрямую зависит от силы воздействия неспецифического денормализующего фактора – обычно ксилопатогенных грибов. В местах особенно обильного развития последних микоинфильтратов всегда бывает больше, и они заполняет все полости элементов. Образование микоинфильтратов и пропитывание ими клеточных оболочек приводит к появлению бурой окраски древесины, хорошо заметной простым глазом и являющейся очень характерным признаком гриба, поселившегося в живой древесине. При этом процесс образования микоинфильтратов весьма схож с подобными процессами при раневой реакции древесины.

3. В полостях трахеальных анатомических элементов встречаются оптически активные отложения кальцинатов, растворимых при воздействии 5-% уксусной кислоты с образованием пузырьков углекислого газа. По химической природе эти кальцинаты представляют собой преимущественно уплотненный кристаллический карбонат кальция. Кальцинаты образуются в следствии специфического ответа на денормализующие воздействия патогена. Кальцинаты закупоривают одиночные сосуды или распространяются на отдельные участки зон сосудов и близлежащих волокон либриформа. Применение методов поляризационной микроскопии помогает выявить границы зон кальцинации ксилемы вяза.

4. В протопластах паренхимных клеток происходит полное или частичное растворение крахмальных зёрен с одновременной трансформацией растворимых углеводов в нерастворимые пластические комплексы.

5. Дополнительные патологические образования в древесине вяза представленны единичными сердцевинными повторениями, вызванными локальными воздействиями патогенов на зону камбия и проводящей флоэмы ветвей. Сердцевинные повторения в древесине вяза представлены вертикальными скоплениями изодиаметрических слабо упорядоченных паренхимных клеток с утолщенной клеточной стенкой. В центральной части сердцевинных повторений часто наблюдается накопление темноокрашенных пластических веществ в межклеточном пространстве. Образование единичных сердцевинных повторений как правило происходит в следствие локальных разрушений кольца камбия и проводящей флоэмы под действием насекомых (по аналогии с сердцевинными повторениями ольхи и берёзы). Также возникают случаи вторичных изменений при проникновение в сердцевинные повторения грибной и/или бактериальной инфекции.

Строение древесины, изменённой под воздействием патогена в связи с принципами CODIT.

Наблюдаемые изменения в древесине ветвей вяза согласуются с принципами модели компартметализации (изоляции) патологического процесса во вторичной ксилеме («CODIT» - Compartmentalization of Decay in Trees ). В соответствии с данной моделью, в результате патологического процесса, в древесине образуются четыре защитных барьера ограничивающие распространение патогена и продуктов его жизнедеятельности в продольном, радиальном и тангенциальном направлениях:

– Барьер 1 препятствует осевому распространению патогена, перекрывая проводящие каналы ксилемы.

– Барьер 2 препятствует проникновению патогена по радиусу вглубь стебля с помощью отложения химически инертных пластических веществ во внутренних слоях древесины.

– Барьер 3 блокирует распространение патогена в тангенциальном направление (по окружности годичных колец), путем отложения пластических веществ в протопластах сердцевинных лучей.

– Барьер 4 представляет собой следующие слои неповреждённой древесины, которые формируются поверх зоны патологических изменений с помощью боковых участков камбия. Барьер предотвращает проникновение патогена в направление к периферийным годичным кольцам. Также эта барьерная зона защищает камбий от дальнейших повреждений.

Устойчивость вяза к мико- и бактериопатогенам во многом определяется способностью транспортной системы стебля ограничивать распространение патологического процесса. Скорость формирования защитных барьеров, по-видимому, является решающим фактором устойчивости. Быстрая реакция хозяина локализует патоген в ограниченной части ксилемы, давая вязу большие шансы на выживание. Напротив, отсроченный ответ хозяина дает патогену возможность быстро рассеиваться по всему дереву, уменьшая способность дерева преодолевать распространение инфекции.

В древесине ветвей (образцы 1, 1-2) наблюдается образование и компартментализация зон патологически изменённой ксилемы в направление от сердцевины до внешних годичных колец. В образце 2-2 выявляется только раннее образование ядра с интенсивно затиллованными сосудами.

В процессе изоляции патологически измененной древесины вяза формируются 1, 2 и 3 барьеры. Образование четвертого барьера также выражено, но не приостанавливает распространение патогена в радиальном направление к последним, активно транспортирующим пасоку, годичным кольцам.

Первый барьер представлен массовым затилловыванием сосудов вторичной ксилемы. Клетки вокруг затиллованных сосудов содержат аморфные отложения по типу «микоинфильтратов», которые проявляют высокую степень устойчивости к деградации микоферментами. Заполнение отложениями полостей клеток может быть, как полное, так и частичное. Формы микоинфильтратов как правило повторяют форму полости, но при не полном заполнение часто имеют форму линз, капель и зёрен. Цвет отложений варьирует от тёмно-коричневого до жёлтого. Массовые отложения пластических веществ также распространены во всех типах лучевой и аксиальной паренхимы патологически изменённых зон древесины.

Внутреннее распространение патогена по направлениям в плоскости поперечного сечения стебля ограничивают барьеры 2, 3.

Барьер 2 в основном представлен плотным слоем терминальных анатомических элементов (волокна и терминальная паренхима), заполненных темноокрашенными микоинфильтратами.

Барьер 3 очень хорошо выражен в зонах патологически изменённой древесины. При этом типе изоляции в древесине вяза происходит массовое заполнение протопластов сердцевинных лучей пластическими веществами. Микоинфильтраты из лучевых полостей через поры полей перекреста могут перетекать в членики сосудов, тем самым дополнительно усиливают барьер первого типа. Кроме пластических отложений в просветах сосудов также происходит кристаллизация солей кальция. Стоит отметить, что первичный синтез пластических веществ и растворимых компонентов кальцинатов в древесине вяза, как при ядрообразовании, так и при патологическом воздействие происходит именно в протопластах лучевой паренхимы. Дальнейшее распространение микоинфильтратов с последующей эмболией трахеальных анатомических элементов происходит в основном за счёт перемещения аморфных веществ через поля перекреста. В большинстве случаев отложения в сосудах покрыты полисахаридной оболочкой и представляют собой плотно прилегающие друг к другу тиллы заполненные аморфным или кристаллическим содержимым.

Таким образом, в древесине ветвей вяза гладкого наблюдается ярко выраженная комплексная ответная реакция изменения структуры древесины в ответ на неспецифическое денормализующее воздействие патогена.

Список литературы:

1. Бенькова В.Е., Швейнгрубер Анатомия древесных растений России - Берн-Штуттгарт – Вена: Издательство Хаупт
2. Бордонос Т.Г., Рудин Д.С. Судебнобиологическая экспертиза мелких частиц древесины – Киев,1970
3. Бурмистрова О.Н. Макроскопическое и микроскопическое строение древесны [текс]: метод.указания/ О.Н. Бурмистрова, М.А. Воронина – Ухта: УГТУ,2013-44 с.
4. Ванин С.И. Древесиноведение.- М: Голесбумиздат,1949
5. Вихров В.Е. Диагностические признаки древесины главнейших пород СССР.- М: Государственное лесотехническое издательство, 1947.
6. Сафронова З.А., Снежковая С.А., Ворожиловая Г.И. Экспертный атлас древесины основных пород деревьев и кустарников Дальнего Востока: методич.пособие для экспертов- М, 1985