Биологические методы оценки качества воздуха урбанизированных территорий на примере города тольятти Текст научной статьи по специальности «Экологические биотехнологии»

УДК 504.064

БИОЛОГИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ОЦЕНКИ КАЧЕСТВА ВОЗДУХА УРБАНИЗИРОВАННЫХ ТЕРРИТОРИЙ НА ПРИМЕРЕ ГОРОДА ТОЛЬЯТТИ

© 2016 В.В. Заболотских1, А.В. Васильев1, В.Н. Валиуллина2

1 Самарский научный центр РАН 2 ООО «Профессиональный центр экологии», г. Тольятти

Статья поступила в редакцию 02.12.2015

Проведена оценка экологического состояния окружающей среды в промышленном городе Тольятти на основе использования биологических методов диагностики. В качестве биоиндикаторов состояния окружающей среды использовались хвойные растения ели голубой Picea pungens f. Glauca, лишайники и показатели флуктуирующей асимметрии листьев берёзы Betula pendula L. Интегральная биологическая оценка воздуха городских территорий позволила выявить зоны с наибольшей антропогенной нагрузкой токсичных аэрополлютантов.

Ключевые слова: биоиндикационные исследования, биодиагностика состояния окружающей среды, биологический мониторинг урбанизированных территорий, загрязнения атмосферного воздуха.

Работа выполнена в рамках гранта РФФИр_поволжье_а, проект № 15-48-02629

Высокая степень загрязнения воздуха урбанизированных территорий промышленных городов представляет серьёзную экологическую проблему. Так в Самарской области в атмосферу городов выбрасывается около 600 тыс. тонн вредных веществ. Основными источниками загрязнения атмосферного воздуха являются 650 промышленных предприятий энергетики, химической и нефтехимической промышленности, машиностроения, а также около 3 тыс. автотранспортных предприятий. Как следствие, ухудшается качество городской среды и увеличивается заболеваемость населения [2, 3].

Общая картина загрязнения атмосферного воздуха в городе Тольятти характерна для многих промышленных городов, где основными источниками загрязнения атмосферы являются предприятия автомобилестроения, нефтехимии, предприятия по производству химических удобрений и стройматериалов, ТЭЦ и котельные, автомобильный, железнодорожный и речной транспорт.

Основным источником загрязнения атмосферного воздуха г.о. Тольятти, как и в других городах, является транспорт, на долю которого приходится более 70% всех аэрополлютантов. В личном пользовании тольяттинцев зарегистрировано порядка 240 тысяч автомобилей (в

Заболотских Влада Валентиновна, кандидат биологических наук, доцент, научный сотрудник отдела инженерной экологии экологического мониторинга Самарского научного центра РАН. E-mail: Vlada310308@mail.ru Васильев Андрей Витальевич, доктор технических наук, профессор, начальник отдела инженерной экологии и экологического мониторинга Самарского научного центра РАН. E-mail: avassil62@mail.ru Валиуллина Венера Нагимовна, эколог. E-mail: venik-92@yandex.ru

среднем одна машина на три человека). Одной из основных причин загрязнения атмосферного воздуха г.о. Тольятти является проблема качества бензина - практически весь бензин, реализуемый на территории города, содержит повышенную концентрацию серы [2,8]. Особый вклад в загрязнение воздуха вносят стационарные источники: в Центральном районе города на их долю приходится 63,2 % всех атмосферных загрязнений, из них ТЭЦ - 33,7 %; в Автозаводском районе - 26,2 % выбросов (17,9 % - ТЭЦ ВАЗа); в Комсомольском районе - 10,6 %.

В целом для Тольятти загрязнение атмосферного воздуха определяется выбросами около 30 промышленных предприятий. Только общий валовый выброс загрязняющих веществ от основных промышленных предприятий ежегодно составляет 40-50 тыс. тонн. Уровень загрязнения воздуха города характеризуется как очень высокий. Он обусловлен высокими среднегодовыми концентрациями: формальдегида - 6 ПДК, пыли - 2,6 ПДК, аммиака - 2 ПДК, диоксида азота - 2 ПДК, фторида водорода - 1,4 ПДК.

Актуальны дальнейшие исследования токсичности аэрополлютантов города и их воздействия на человека и природные системы.

Применяемая в настоящее время система экологического мониторинга состояния окружающей среды не всегда позволяет точно определить степень экологической опасности загрязняющих веществ. Данная система базируется на санитарно-гигиенических нормативах и включает в основном анализ отдельных поллютантов, не учитывая эффекты совместного воздействия лимитирующих факторов. Антропогенные загрязнения действуют на живые организмы, и в том числе на человека, в самых различных

сочетаниях, комплексно. Их интегральное токсическое влияние можно оценить только с помощью методов биологического мониторинга (биоиндикация и биотестирование) по реакции живых организмов или целых сообществ.

Природные компоненты урбосреды, и в первую очередь растения как объекты биомониторинга могут использоваться для получения информации как о недавнем и кратковременном, так и о длительном (хроническом) воздействии загрязняющих веществ в течение определенного периода времени в прошлом. Анализируя реакции растений в составе зеленых насаждений города, мы имеем возможность определения ответных реакции, интегрированных во времени и в пространстве. Таким образом, только пополнение объективной информации химического и физико-химического контроля данными биомониторинга приблизит нас к адекватной оценке экологической ситуации в современном городе и проведению его экологического зонирования [1].

В отличие от биоиндикации, методы биотестирования позволяют получить достаточно надежные данные о токсичности конкретных проб. Методы биотестирования приближаются к химическим, но, в отличие от последних, они позволяют реально оценить токсические свойства среды, обусловленные наличием комплекса загрязняющих химических веществ. Биотестирование представляет собой оценку качества среды по ответным реакциям организмов, которые являются в этих случаях тест — объектами [1, 8].

Для обеспечения экологической безопасности городской среды в условиях возрастающего антропогенного стресса актуальны развитие комплексного подхода к проведению эколого-токсикологического мониторинга с использованием биологических методов (биоиндикация и биотестирование) оценки токсического воздействия аэрополлютантов на биологические системы [1-8, 12].

Биологические методы контроля качества среды имеют ряд преимуществ - не требуют предварительной идентификации конкретных химических соединений или физических воздействий, достаточно просты в исполнении, экспрессны дешевы, и позволяют вести контроль качества среды в непрерывном режиме.

Одним из неизученных воздействий на окружающую среду химических загрязнений или аэрополлютантов является токсическое воздействие, которое проявляется в токсическом эффекте. Токсический эффект представляет собой реакцию организма или живого объекта на воздействие комплекса неблагоприятных факторов.

Методы биомониторинга позволяют по реакциям живых организмов на токсическое воздействие аэрополлютантов оценить степень загрязнения воздуха и интегральную токсичность аэрополлютантов в различных точках города Тольятти.

На основе применения биологических методов исследования в 13 точках города Тольятти нами была проведена биоиндикационная оценка загрязненности атмосферного воздуха: оценка качества атмосферного воздуха по состоянию ели голубой Picea pungens f. Glauca; биоиндикация загрязнения воздуха г.о.Тольятти с помощью лишайников; оценка качества воздушной среды по флуктуирующей асимметрии листьев берёзы Betula pendula L. и оценка токсичности аэрополлютантов методами биотестирования.

1. Оценка качества атмосферного воздуха по состоянию ели голубой Picea pungens f. Glauca Исследовались ветви условно одновозрастных деревьев (10 лет), на высоте 2 метра со стороны источников выбросов.

В ходе морфометрических измерений хвои второго года жизни на 10 см участка исследуемой ветви ели определялась средняя длина хвои на каждом образце, средняя ширина хвои, число хвоинок предыдущего года, процентное количество некрозов и усыхания (таблица 1).

В результате исследования качества атмосферного воздуха по состоянию биоиндикатора ели Picea pungens f. Glauca на территории города Тольятти были выявлены зоны с наиболее высокой степенью загрязнения воздуха: Южное шоссе (45% некрозов), пересечение ул. 50 лет Октября - ул. Ленина (60% некрозов), ул. Громова (80% некрозов), ул. Лизы Чайкиной (75% некрозов).

Наиболее чистыми зонам I степени г.о. То -льятти, согласно проведенным исследованиям, оказались: лес Автозаводского района, парк Победы и детский парк Автозаводского района, центральный парк Центрального района города.

Рис. 1. Некротические повреждения хвои

Таблица 1. Результаты морфометрических измерений образцов ели Picea pungens., взятых в различных точках г.о. Тольятти

№ Место взятия образца Длина хвои, Бирина Продол - Число Наличие

точки ХСр, ММ хвои, жительность хвоинок некрозов,

Хср, ММ жизни дерева, лет на 10 см в %

1. Яес Автозаводского района 22,8 1,2 10 150 0

2. Парк Победы 21,2 1,2 10 147 5

3. Детский парк 24,8 1,3 10 164 2

4. пр-т Степана Разина (ПНЗ 8) 21,5 1 10 185 15

5. Пересечение ул. Ворошилова - ул. Дзержинского 19,8 1 10 161 25

6. Пересечение ул.Тополиная - ул.70 Яет Октября 21,8 1,2 10 159 35

7. Южное шоссе 21,3 1 10 170 45

8. Пересечение ул. 50 лет 21,4 1,1 10 138 60

Октября - ул. Ленина

9. Центральный парк 22 1,3 10 99 10

10. ул. Баныкина 20,1 1 10 175 45

11. ул. Громова 18,1 1 10 82 80

12. ул. Лизы Чайкиной 21,6 1,2 10 106 75

13. ул.Коммунистическая 22,7 1,3 10 164 35

2. Биоиндикация загрязнения атмосферного воздуха г.о.Тольятти с помощью лишайников

Оценка качества атмосферного воздуха г.о. То -льятти с помощью лишайников проводилась по проективному покрытию стволов деревьев и общему количеству встречающихся видов лишайников.

В результате биоиндикационных исследований загрязненности атмосферного воздуха с

помощью лишайников были определены зоны с высокой антропогенной нагрузкой (рисунок 2): 21 кв., Южное шоссе (15% лишайников), пересечение ул. 50 лет Октября - ул. Ленина (19% лишайников), ул. Баныкина (15% лишайников), ул. Громова ул. (15% лишайников), Лизы Чайкиной (ПНЗ 4) (15% лишайников), ул. Коммунистическая (15% лишайников).

зиморскии

6-я зона - Очень чистый воздух

5-я зона - Чистый воздух

4-я зона - Относительно чистый воздух

3-я зона - Умеренное загрязнение

2-я зона - Сильное загрязнение

1-я зона - Очень сильное загрязнение

Рис. 2. Оценка степени загрязнения воздуха г.о. Тольятти по проективному покрытию стволов деревьев лишайниками

3. Оценка качества воздушной среды по флуктуирующей асимметрии листьев берёзы Betula pendul L..

Экспресс-оценка качества воздушной среды г.о. Тольятти по флуктуирующей асимметрии листьев берёзы бородавчатой (повислой) Bétula péndula L. заключалась в определении интегрального показателя - среднего арифметического отношения разности сумм замеров правой и левой половинок листа, отнесенного к числу признаков.

На основе оценки качества атмосферного воздуха по флуктуирующей асимметрии листьев березы были выявлены зоны различной степени загрязненности: ул. 50 лет Октября - ул. Ленина (асимметрия - 0,057), ул. Баныкина (асимметрия - 0,057) ул. Лизы Чайкиной (асимметрия - 0,067).

4. Оценка токсичности снежного покрова городской среды г.о. Тольятти с применением метода проращивания семян

Для анализа атмосферного воздуха г.о. То -льятти на токсичность использовался биологический метод определения токсичности проб снега по измерению средней длины и среднего сухого

веса, показателя всхожести проростков семян кресс-салата. Исследования проводились на основе методики определения токсичности питьевых, грунтовых, поверхностных и сточных вод, растворов химических веществ по измерению показателей всхожести, средней длины и среднего сухого веса проростков семян кресс-салата (Lepidium sativum) ПНД Ф Т 14.1:2:4.19-2013.

Для проведения экспресс-метода в 13 пронумерованных чашек Петри на обеззоленный фильтр синяя лента раскладывались на одинаковом друг от друга расстоянии по 30 семян кресс-салата (рис. 4).

Каждый день на протяжении всего эксперимента в чашки Петри добавлялось по 5 мл талого снега с соответствующего места отбора проб снега.

Токсичность проб снежного покрова определялась по степени всхожести семян кресс-салата согласно балльной оценки.

В результате определения токсичности снежного покрова методом биотестирования по проросткам кресс-салата были выявлены зоны

Рис. 3. Параметры листьев для детального расчета: 1 - ширина половинок листа (измерение проводится по изгибу, полученному после сложения листа пополам); 2 - длина второй жилки от основания листа; 3 - расстояние между основаниями 1-ой и 2-ой жилок; 4 - расстояние между концами 1-ой и 2-ой жилок; 5 - угол между основной и второй жилками

Рис. 4. Метод биотестирования по проросткам кресс-салата: а - 2-ой день эксперимента; б - 7-ой день эксперимента

a

разной степени токсичности снега, что является показателем токсичности аэрополлютантов атмосферного воздуха (рис. 5).

В результате анализа качества атмосферного воздуха методом оценки токсичности снежного покрова, были выявлены зоны с повышенной антропогенной нагрузкой (Пересечение ул. 50 лет Октября - ул. Ленина и ул. Лизы Чайкиной (ПНЗ 4)).

5.Исследования токсичности аэропол-лютантов воздуха г.о. Тольятти на основе применения планшетных методов и методов биотестирования

Определение степени токсичности аэропол-лютантов является слабо изученной областью в оценке качества городской среды. Методы биоиндикации недостаточно эффективны для определения токсичности аэрополлютантов, так как по состоянию растений-биоиндикаторов можно судить о состоянии экосистем городской среды

и общей антропогенной нагрузке на природные сообщества.

Исследования токсического воздействия аэрополлютантов на живые объекты мы проводили с помощью методов биотестирования, позволяющих выявить степень токсической нагрузки по выживаемости тест-объектов в лабораторных условиях.

Для проведения исследований токсичности воздуха г.о. Тольятти нами были разработаны и использованы планшеты (рис. 6), состоящие из пластикового корпуса и наполнителя-сорбента.

Корпус планшета имеет ряд отверстий для свободной циркуляции воздуха. По мере прохождения воздуха через планшет, загрязняющие вещества адсорбируются и аккумулируются сорбентом. Токсичность воздуха определялась далее с помощью методов биотестирования вытяжек сорбентов с помощью тест-объектов дафнии и

I- нет токсичности

II- очень слабая токсичность

III- слабая токсичность

IV-средняя

V- высокая

VI- очень высокая

Рис. 5. Оценка токсичности снежного покрова г.о. Тольятти, методом биотестирования на проростках кресс-салата

Рис. 6. Различные виды планшетов

хлореллы по методике ПНД Ф Т 14.1:2:4.12-06 Т 16.1:2.3:3.9-06, а также с применением методов проростков (семян кресс-салата).

В результате определения токсичности по выживаемости дафний (Daphnia magna Straus) была установлена острая токсичность всех трех вытяжек, полученных из планшетных сорбентов в трех точках г.о. Тольятти: Южное шоссе, пересечение ул.Тополиная - ул.70 лет Октября, ул. 40 Лет Победы. Данные результаты свидетельствуют о наличии токсического воздействия аэрополлю-тантов в этих точках города.

Таким образом, в результате оценки качества воздуха с помощью планшетного метода и метода биотестирования была выявлена токсичность аэрополлютантов городской среды г.о. Тольятти в разных точках города.

По результатам биологического мониторинга г.о. Тольятти с применением методов биоиндикации и биотестирования была проведена интегральная оценка качества окружающей среды г.о. Тольятти и выявлены зоны разной степени загрязнения атмосферного воздуха.

Интегральная оценка качества воздушной среды г.о. Тольятти на основе применения биологических методов показала, что наиболее неблагоприятными участками в городе с повышенной токсичностью аэрополлютантов являются северная часть Автозаводского района, располагающаяся вблизи с промышленным узлом, зона Центрального района, граничащая с химическим предприятием (ОАО «КуйбышевАзот») и крупными предприятиями ООО «Тольяттинский Трансформатор», ОАО «Волгацеммаш». Повышенная токсическая нагрузка в этих районах, вероятно, связана с повышенной концентрацией и наличием токсичных аэрополлютантов вблизи их источников - химических предприятий, автодороги, энергетических предприятий и ТЭЦ.

Мониторинговые исследования с применением методов биоиндикации позволили выявить интегральную токсичность аэрополлютантов г.о. Тольятти и их влияние на биологические системы в условиях городской среды г.о. Тольятти. Были выявлены зоны с повышенной токсической нагрузкой аэрополлютантов на человека и

Таблица 2. Оценка токсичности вытяжек аэрополлютантов из сорбентов

Место Иссле- Время от Количество Смерт- Оценка качества

отбора дуемая начала био- выживших дафний ность атмосферного воздуха

пробы концен- тести- (в трех дафний в ЛКР50-48 БКР10-48

трация рования параллельных опыте, в % к

водной определениях) контролю

вытяжки, %

Конт- 6,25 48 часов 30 0 - Проба не

рольная 12,5 30 0 токсична

проба 25 30 0

50 30 0

100 27 10

Южное 6,25 48 часов 30 0 53,48 %-ная 18,26%-

шоссе 12,5 30 0 концен- ная

25 30 0 трация, концен-

50 18 40 разбавление трация,

в 1,87 раза разбавле ние в

100 0 100 5.48 раза

Пере- 6,25 48 часов 30 0 59,61 %-ная 24,51%-

сечение 12,5 30 0 концен- ная

ул.Топо- 25 30 0 трация, концен-

линая - 50 24 20 разбавление трация,

ул.70 Лет в 1,68 раза разбавле

Октября ние в

100 0 100 4,08 раза

ул. 40 Лет 6,25 48 часов 30 0 49,40 %-ная 14,72%-

Победы 12,5 30 0 концен- ная

25 30 40 трация, концен-

50 15 100 разбавление трация,

в 2,02 раза разбавле ние в

100 0 100 6,79 раза

природную экосистему, где, в первую очередь,

необходимы мероприятия по экологизации городской среды.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Биологический контроль окружающей среды: биоиндикация и биотестирование: учеб. пособие для студ. высш. учеб. заведений / О.П. Мелехова, Е.И. Егорова, Т.И. Евсеева и др. [под ред. О.П. Мелеховой и Е.И. Егоровой]. М.: Издательский центр «Академия», 2007. 288 с.

2. Васильев А.В. Обеспечение экологической безопасности в условиях городского округа Тольятти: учебное пособие. Самара: Изд-во Самарского научного центра РАН, 2012. 201 с.

3. Васильев А.В. Комплексный экологический мониторинг как фактор обеспечения экологической безопасности // Академический журнал Западной Сибири. 2014. Т. 10. № 2. С. 23.

4. Информационно-аналитическая система оценки рисков здоровью населения в условиях урбанизированных территорий / А.В. Васильев, В.В. Заболотских, И.О. Терещенко, Ю.П. Терещенко // Экология и промышленность России. 2013. № 12. С. 29-31.

5. Общие подходы к биоиндикационной оценке водных экосистем по степени токсичности /А.В. Васильев, В.В. Заболотских, Ю.П. Терещенко, В.А. Васильев // В сборнике: ЕЬРГГ-2013. Экология и безопасность жизнедеятельности промышленно-транспортных комплексов: сборник трудов IV Международного экологического конгресса (VI Международной научно-технической конференции). Научный редактор: А.В. Васильев. 2013. Т. 4. С. 55-61.

6. Негативное влияние выбросов автотранспорта на человека в условиях городской среды / А.В. Васильев,

В.В. Заболотских, И. О. Терещенко, Д. С. Шпрингер // В сборнике: XV Всероссийская конференция «Химия и инженерная экология» с международным участием. Сборник докладов. Казань, 2015. С. 155-157.

7. Гумерова Г.И., Гоголь Э.В., Васильев А.В. Новый подход к качественному и количественному определению диоксинов // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. 2014. Т. 16. № 1(6). С. 1717-1720.

8. Заболотских В.В., Васильев А.В. Мониторинг токсического воздействия на окружающую среду с использованием методов биоиндикации и биотестирования: Монография. Самара: Издательство Самарского научного центра РАН, 2012. 333 с.

9. Заболотских В.В., Васильев А.В. Комплексный мониторинг антропогенного загрязнения в системе обеспечения экологической безопасности города // Вектор науки ТГУ. 2012. № 2 (20). С.58 - 62.

10. Перегудов Д.Н., Васильев А.В. Биодиагностика воздействия отходов аэрокосмической отрасли на окружающую среду. Туполевские чтения» (школа молодых учёных) // В сборнике: Международная молодежная научная конференция «XXII Туполевские чтения». Материалы конференции. Министерство образования и науки Российской Федерации, Российский фонд фундаментальных исследований, Казанский национальный исследовательский технический университет им. АН. Туполева-КАИ (КНИТУ-КАИ). 2015. С. 57-61.

11. Vasilyev A.V., Zabolotskikh V.V., Vasilyev V.A. Development of methods for the estimation of impact of physical factors on the health of population // Safety of Technogenic Environment. 2013. № 4. Pp. 42-45.

12. VasilyevA.V. Method and approaches to the estimation of ecological risks of urban territories // Safety of Technogenic Environment. 2014. № 6. Pp. 43-46.

BIOLOGICAL METHODS OF AIR QUALITY ASSESSMENT IN URBAN TERRITORIES ON THE EXAMPLE OF THE TOGLIATTI CITY

© 2016 V.V. Zabolotskikh1, A.V. Vasilyev1, V.N. Valiullina2

1 Samara Scientific Center of Russian Academy of Science 2 JSC "Professional center of ecology", Togliatti

Estimation of ecological state of environment in industrial city Togliatti has been carried out on the basis of using of biological methods of diagnostics. As biological indicators of state of environment coniferous plants of blue spruce Picea pungens f. Glauca, lichens and indexes of fluctuating asymmetry of birch leaves Betula pendula L. were used. Integral biological indication estimation of air of city territories is allowing to determine the zones with the biggest anthropogenic load of toxic air pollutants. Keywords: bioindication research, biological diagnostics, environment, biological monitoring, urban territories, pollution, atmosphere air.

Vlada Zabolotskikh, Candidate of Biology, Associate Professor, Research Fellow at the Engineering Ecology and of Ecological Monitoring Department. E-mail: Vlada310308@mail.ru

Andrey Vasilyev, Doctor of Technical Science, Professor, Head at the Engineering Ecology and of Ecological Monitoring Department. E-mail: avassil62@mail.ru Venera Valiullina, Ecologist. E-mail: venik-92@yandex.ru