CC BY
62
Экология
УДК 504.064.02
БИОИНДИКАЦИОННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ АЭРОТЕХНОГЕННЫХ ЗАГРЯЗНЕНИЙ
Б01: 10.24412/1728-323Х-2021-3-5-9
Е. В. Надежкина, д. б. н., профессор, профессор, Московский авиационный институт (НИУ), mnoc_konf@mail.ru, Москва, Россия,
О. В. Тушавина, к. т. н., доцент, директор Института № 6 «Аэрокосмический», Московский авиационный институт (НИУ), dekan6@mail.tu, Москва, Россия, С. В. Зиновьев, к. с.-х. н., доцент кафедры БТБ («Биотехнологии и техносферная безопасность»), ФГОУ ВО ПензГТУ, Zinoviev.ser@yandex.ru, Пенза, Россия, А. А. Горячева, к. с.-х. н., доцент, кафедра, ФГОУ ВО ПензГТ, Zinoviev.ser@yandex.ru, Пенза, Россия,
И. С. Ефремченков, студент Института № 2 «Авиационные, ракетные двигатели и энергетические установки», Московский авиационный институт (НИУ), efrem.200018@mail.ru, Москва, Россия
В статье представлены результаты использования методов биоиндикации для комплексной оценки растительного покрова природно-исто-рического парка «Покровское-Стрешнево». Изучено влияние аэротехногенного фактора на основные морфологические показатели, такие как площадь листьев, некрозы, хлорозы, изменение формы и флуктуирующей асимметрии листовой пластины, а также жизненное состояние зеленых насаждений. В качестве тест-объектов использовались распространенные растения парка, такие как рябина обыкновенная, клен остролистный, береза повислая, липа мелколистная, осина, боярышник, дуб, каштан. В статье показано, что на техногенно загрязненных объектах парка уже в начальный период вегетации (в первой декаде июня) были отмечены поражения листовых пластинок. Установлено, что повышение коэффициента флуктуирующей асимметрии свидетельствует о неблагополучной среде обитания вида-биоиндикатора.
The article presents the results of the use of bioindication methods for a comprehensive assessment of the vegetation cover of the natural-historical park "Pokrovskoe-Streshnevo". The influence of the aerotechnogenic factor on the main morphological parameters, such as leaf area, necrosis, chlorosis, changes in the shape and fluctuating asymmetry of the leaf plate, as well as the vital state of green spaces, was studied. Common plants of the park were used as test objects, such as: the mountain ash, holly maple, hanging birch, small-leaved linden, aspen, hawthorn, oak, chestnut. The article shows that on technogenically polluted objects of the park, already in the initial growing season (in the first decade of June), lesions of leaf blades were noted It was found that an increase in the coefficient of fluctuating asymmetry indicates an unfavorable habitat of the bioindicator species.
Ключевые слова: биоиндикация, аэротехногенные загрязнения, флуктуирующая асимметрия, некрозы, площадь листьев, растительность.
Keywords: bioindication, aerotechnogenic pollution, fluctuating asymmetry, necrosis, leaf area, vegetation.
Введение. Для решения задач экологического мониторинга в последнее время часто используется метод биоиндикации. Он позволяет определить совокупность факторов антропогенного давления на биоценозы, когда трудно или неудобно измерять их непосредственно [1]. По определению многих исследователей, биоиндикация — это метод определения степени загрязнения природной среды с помощью живых организмов или природных сообществ [2, 3].
Биоиндикацию можно определить как совокупность методов и критериев, предназначенных для поиска информативных компонентов экосистем, которые могли бы:
— адекватно отражать уровень воздействия среды, включая комплексный характер загрязнения с учетом явлений синергизма действующих факторов;
— диагностировать ранние нарушения в наиболее чувствительных компонентах биотических сообществ и оценивать их значимость для всей экосистемы в ближайшем и отдаленном будущем.
По данным ряда исследователей [2—4] наиболее чувствительными к различным загрязнениям воздуха являются хвойные породы, которые особенно сильно страдают от диоксида серы.
Их чувствительность к нему убывает в следующей последовательности: ель > пихта > сосна > лиственница.
В роли индикатора может выступить весь фитоценоз. Это связано с тем, что климатические особенности, химизм среды влияют на видовой состав растительности.
По флористическому составу можно установить качество почв и их физико-химические свойства, характер местных климатических условий, наличие в среде тех или иных химических элементов, влияние биотических факторов и различных форм деятельности человека на природу.
По мнению Т. К. Горышкиной [5], в первую очередь повреждения появляются на физиолого-биохимическом уровне и лишь после этого развиваются видимые признаки повреждения — хлорозы и некрозы тканей листка, опадение листьев, торможение роста.
Н. Н. Егорова [6] считает, что видоспецифи-ческие и общие реакции древесных растений на воздействие экстремальных экологических факторов служат основой устойчивости и определяют адаптивный потенциал лесообразующих видов. Определение относительного жизненного состояния в сочетании с анатомическими и морфологическими характеристиками растений позволяет установить не только статус древостоев, но также выяснить причины и тенденции негативных изменений.
Находясь в окружении жилищной застройки, крупнейших транспортных магистралей и промышленных предприятий, зеленые насаждения испытывают антропогенную, в том числе техногенную нагрузку. Они подвергаются химическому, физическому, биологическому и комплексному загрязнениям. Наибольшую опасность для зеленых насаждений представляют загрязнения водного и воздушного бассейнов, почвы и избыточное рекреационное воздействие.
Под их влиянием изменяется скорость роста растений и накопления биомассы, происходит утрата ценных пород деревьев (сосны, ели, дуба, липы, лиственницы). По мере накопления загрязняющих веществ в почвах и тканях растений зеленые насаждения теряют свою биологическую устойчивость и при высоких уровнях промышленных и автотранспортных выбросов могут в короткие сроки деградировать.
Растения реагируют на любые изменения условий внешней среды, изменяя процессы своей жизнедеятельности. В первую очередь изменяется скорость роста растений, темпы сезонного развития, интенсивность цветения и плодоношения, фотосинтез и дыхание, морфологические признаки растения (размер, форма). Последние
могут служить индикаторами степени благополучия окружающей среды для растений и условий жизни человека. Поэтому многочисленные авторы используют высшие и низшие растения в качестве биоиндикаторов загрязнения окружающей среды [3—5]. Поскольку раннее выявление дегра-дационных процессов зеленых насаждений приобретает особую актуальность, поэтому целью данной работы было проведение биоиндикационных исследований в парке «Покровское-Стрешнево».
Методика исследования. Исследования проводились в приро дно-историческом парке «Пок-ровское-Стрешнево» города Москвы, который относится к особо охраняемым природным территориям (ООПТ) и с 1998 года имеет статус регионального значения. Парк расположен на северо-западе Москвы на площади 238 гектаров.
Растительный покров изучали на площадках и по трем трансектам, проходящим по диагонали через весь парк. В качестве тест-объектов использовались рябина обыкновенная, клен остролистный, липа мелколистная, береза повислая.
Определялись морфологические показатели: площадь листьев, средняя площадь некрозов, хлорозов и объеданий в процентах от площади листовой поверхности, плотность листа, а также изменение формы и флуктуирующая асимметрия листовой пластины — методика А. И. Федоровой — А. Н. Никольской [7].
Жизненного состояние насаждений оценивалось по шкале: здоровое — ослабленное, сильно ослабленное и полностью разрушенное — методика В. А. Алексеева [2].
Коэффициент флуктуирующей асимметрии определяли по 5 параметрам: ширины половинки листа; длина второй жилки второго порядка от основания листа; расстояние между основаниями первой и второй жилок второго порядка; угол между главной жилкой и второй от основания жилки второго порядка.
Величина асимметричности (У) оценивалась с помощью интегрального показателя — величины среднего относительного различия признака (х):
У1
хл + хп
где хл — левой, хп — правой стороны.
Значение коэффициента флуктуирующей асимметрии (7 определялось по формуле:
= у 1 + у2 + у3 + у4 + у5
где п — число признаков.
Результаты исследования. Результаты исследований показали, что на техногенно загрязнен -ных объектах парка уже в начальный период вегетации (в первой декаде июня) были отмечены поражения листовых пластинок, что выражается в появлении «медной росы», потери тургора, возникновении хлороза, изменении окраски листьев, появлении некрозов и искривлении пластинок и возникновении уродливых форм листьев. Все негативные изменения проявлялись, как правило, в условиях жары, особенно аномальной.
Нами было выявлено 10 различных видов повреждений листьев деревьев и кустарников — это измененная окраска; пятнистый, точечный и межжилковый некрозы; хлороз; неравномерная плотность листа; мертвый край и кончик; изменение формы листа, асимметрия (рис. 1).
Известно, что межжилковый и верхушечный некрозы листьев, изменения окраски и хлороз связаны с действием окислов азота и двуокиси серы.
Наиболее сильно некротические повреждения и хлороз были выражены у клена остролистного, более чувствительного к недостатку влаги и березы повислой. У хвойных деревьев наблюдалась суховершинность и деформация.
Наиболее сильно признаки повреждения растений (особенно некрозы) проявлялись в наиболее загрязненных участках парка, в районе 004 и 005 площадок. Даже лиственные насаждения, которые более устойчивы к воздействию разного рода загрязнений, испытывали значительный прессинг со стороны Ленинградского шоссе. Листья деревьев и кустарников имели охристую и желтую окраску в июле, а также пятна коричневого и белого цвета.
На стволах древесных растений, произрастающих на площадках 004 и 005 и находящихся под воздействием выбросов автомобильного транспорта, двигающегося по Ленинградскому и Волоколамскому шоссе, наблюдалось «позеленение» стволов и нижних ветвей. Что свидетельствует о повышенном содержании в воздухе оксидов азота, который способствует интенсивному разрастанию на коре деревьев мелких водорослей зеленого цвета, получающих необходимое им азотное питание непосредственно из воздуха.
Изучение повреждений древесных растений и оценка их относительного жизненного состояния (ОЖС) показали, что все виды исследуемых деревьев и кустарников в центре парка могут быть отнесены к категории «здоровый», при этом еди-
Рис. 1. Повреждения листьев клена и березы: 1 — точечный некроз; 2 — хлороз; 3 — неравномерная плотность листа; 4 — мертвый край; 5 — мертвый кончик; 6 — межжилковый некроз; 7 — изменение формы листа; 8 — пятнистый некроз; 9 — асимметрия; 10 — измененная окраска листа
Таблица 1
Флуктуирующая асимметрия листьев в изучаемых растениях парка
Флуктуирующая асимметрия
Рябина Осина Береза Боярышник Дуб Каштан Клен Липа
Площадка 005 0,18 0,0756 0,9 0,042 — — 0,73 0,324
Площадка 004 0,068 0,072 0,4 0,04 — 0,102 0,4 0,134
Площадка 003 — 0,0624 0,23 0,018 0,12898 0,084 0,24 —
Трансекта 2 0,038 0,0616 0,07 0,012 0,07883 — 0,148 0,1008
Площадка 002 — 0,0596 0,05 0,01 — 0,051 0,109 —
Трансекта 1 0,036 0,056 0,05 — — 0,042 0,076 0,084
Трансекта 3 0,03 0,0558 0,03 0,006 0,02422 — 0,052 0,056
Площадка 001 0,014 — 0,025 — 0,0138 0,034 0,02 0,052
Родник «Царевна-Лебедь» 0,004 0,0324 0,02 — 0,011686 0,001 — 0,06
ничные деревья клена, березы, липы и сосен отнесены к категории «слабо ослабленных».
В районе автомагистралей и железной дороги наблюдалось для всех видов деревьев и кустарников снижение относительного жизненного состояния древостоя, увеличивалось количество «ослабленных» и даже несколько деревьев к категории «сильно ослабленных».
Одним из важных показателей биомониторинга является площадь листьев. Размеры листьев растений подвержены очень широкой изменчивости и диапазон их нормы реакции очень широк.
Площадь листьев зависела от места отбора проб (рис. 2). Наибольшая площадь листьев у березы, липы и рябины отмечалась в центральной части парка на площадке 001. На площадке 005 произошло снижение этого показателя у рябины на 58,3 %, у березы — на 14,1, клена — на 13,1 и липы на — 21,8 % по сравнению с площадью листьев у этих культур на площадке 001. Такие изме-
нения связаны как загрязнением почвы тяжелыми металлами, так и поступлением загрязняющих веществ аэральным путем.
Одним из важнейших биоиндикационных показателей служит определение показателя флуктуирующей асимметрии, который оценивает качество среды во всем многообразии факторов, ее пригодность для человека.
Результаты определения асимметрии листьев изучаемых растений приведены в таблице 1.
Результаты исследования свидетельствуют, что условия произрастания влияют на показатель флуктуирующей асимметрии. Так, для рябины в районе Ленинградского шоссе он был очень высоким — 0,18, что свидетельствует о значительном отклонении от нормы. Меньшей степенью загрязнения характеризовались растения в районе площадки 001 и по трансектам 1 и 3, в районе родника «Царевна Лебедь». На площадке около Волоколамского шоссе значение показателя асимметрии соответствовало 4 баллам по шкале отклонения.
Заключение. Использование метода биоиндикации по показателям асимметрии позволяет установить начальные признаки деградации растений под действием антропогенного фактора.
Определение показателя флуктуирующей асимметрии позволяет оценивать качество среды во всем многообразии факторов, ее пригодность для человека. Рассчитав коэффициент флуктуирующей асимметрии, можно оценить здоровье парков и конкретного дерева. Повышение коэффициента флуктуирующей асимметрии свидетельствует о неблагополучной среде обитания вида- биоиндикатора.
300 S 250 3 200 | 150 1100 с? ° 50 И 0 . Ряб —
Трансекта 1 Трансекта 2 Трансекта 3 ина ■ Береза ■ Клен ■ Липа
Рис. 2. Площадь листьев у изучаемых культур на трансектах
Библиографический список
1. Автухович Н. Е. Деревья, как индикаторы экологического неблагополучия в условиях крупного мегаполиса / Н. Е. Ав-тухович, Б. А. Ягодин. — М.: Известия ТСХА, 2000. — С. 180—188.
2. Алексеев В. А. Некоторые вопросы диагностики и классификации поврежденных загрязнением лесных экосистем / В. А. Алексеев. — Л.: Наука, 1990. — С. 38—54 с.
3. Ашихмина Т. Я. Биоиндикация и биотестирование природных сред и объектов в организации экологического мониторинга на территории зоны защитных мероприятий объектов уничтожения химического оружия / Т. Я. Ашихмина, Л. И. Домрачева, Е. В. Дабах, Я. Кантор, С. Ю. Огородникова, В. М. Тимонюк. — Киров: Российский химический журнал, 2005. — 52 с.
4. Бухарина И. Л. Эколого-биологические особенности адаптации древесных растений в урбанизированной среде: монография / И. Л. Бухарина, Т. М. Поварницина, К. Е. Ведерников. — Ижевск: ФГОУ ВПО Ижевская ГСХА, 2007. — 216 с.
5. Горышкина Т. К. Экология травянистых растений лесостепной дубравы / Т. К. Горышкина. — Л.: изд-во Ленингр. ун-та, 1976. — 128 с.
6. Егорова Н. Н. Анатомические и морфологические особенности ассимиляционного аппарата и проводящих корней древесных растений в экстремальных лесорастительных условиях / Егорова Н. Н., Кулагин А. А. — Самарская Лука: проблемы региональной и глобальной экологии, 2008. — Т. 17, № 1 (23). — 3—26 с.
7. Федорова А. И. Практикум по экологии и охране окружающей среды / А. И. Федорова А. И., А. Н. Никольская. — М.: Гуманит. изд. центр ВЛАДОС, 2001. — 288 с.
BIOINDICATION STUDIES OF AEROTECHNOGENIC POLLUTANTS
E. V. Nadezhkina, Ph. D. in Biology, Dr. Habil., Professor, Moscow Aviation Institute (NRU), mnoc_konf@mail.ru, Moscow, Russia,
0. V. Tushavina, Ph. D. in Engineering, Associate Professor, Director of the Institute No.6 "Aerospace", Moscow Aviation Institute
(NRU), dekan6@mail.tu, Moscow, Russia,
S. V. Zinoviev, Ph. D. in Agricultural Sciences, Associate Professor of the Department of BTB ("Biotechnology and Technosphere
Safety"), Penza State Technical University, Zinoviev.ser@yandex.ru, Penza, Russia,
A. A. Goryacheva, Ph. D. in Agricultural Sciences, Associate Professor, Department of BTB ("Biotechnology and Technosphere
Safety"), Penza State Technical University, Zinoviev.ser@yandex.ru, Penza, Russia,
1. S. Efremchenkov, student of the Institute No. 2 "Aviation, Rocket Engines and Power Plants", Moscow Aviation Institute (NRU),
efrem.200018@mail.ru, Moscow, Russia
References
1. Avtukhovich N. E. Derev'ja, kak indikatory jekologicheskogo neblagopoluchija v uslovijah krupnogo megapolisa [Trees as indicators of environmental problems in a large metropolis]. Moscow, Izvestija TSHA. 2000. P. 180—188 [in Russian].
2. Alekseev V. A. Nekotorye voprosy diagnostiki i klassifikacii povrezhdennyh zagrjazneniem lesnyh jekosistem [Some issues of diagnostics and classification of polluted forest ecosystems]. Leningrad, Nauka. 1990. P. 38—54 [in Russian].
3. Ashikhmina T. Ja. Bioindikacija i biotestirovanie prirodnyh sred i ob#ektov v organizacii jekologicheskogo monitoringa na territorii zony zashhitnyh meroprijatij ob#ektov unichtozhenija himicheskogo oruzhija [Bioindication and biotesting of natural environments and objects in the organization of environmental monitoring in the territory of the zone of protective measures of chemical weapons destruction facilities]. Kirov. Rossijskij himicheskij zhurnal. 2005. P. 52 [in Russian].
4. Bukharina I. L. Jekologo-biologicheskie osobennosti adaptacii drevesnyh rastenij v urbanizirovannoj srede: monografija [Ecological and biological features of adaptation of woody plants in an urbanized environment: monograph]. Izhevsk, FGOU VPO Izhevskaja GSHA. 2007. P. 216 [in Russian].
5. Goryshkina T. K. Jekologija travjanistyh rastenij lesostepnoj dubravy [Ecology of herbaceous plants of the forest-steppe oak forest]. Leningrad, Leningrad University Press. 1976. P. 128 [in Russian].
6. Egorova N. N. Anatomicheskie i morfologicheskie osobennosti assimiljacionnogo apparata i provodjashhih kornej drevesnyh rastenij v jekstremal'nyh lesorastitel'nyh uslovijah [Anatomical and morphological features of the assimilation apparatus and conducting roots of woody plants in extreme forest conditions]. Samara, Samarskaja Luka: problemy regional'noj i global'noj jekologii. 2008. P. 3—26 [in Russian].
7. Fedorova A. I. Praktikum po jekologii i ohrane okruzhajushhej sredy [Workshop on Ecology and Environmental Protection]. Moscow, Gumanit. Izd. Centr VLADOS. 2001. P. 288 [in Russian].
