CC BY
48
Самарская Лука: проблемы региональной и глобальной экологии.
2021. - Т. 30. - № 1. - С. 31-35.
УДК 581.14:522.5 DOI 10.24412/2073-1035-2021-10372
БИОИНДИКАЦИЯ ПАРКОВЫХ ЭКОСИСТЕМ Г. КИЕВА ПО РЕАКЦИИ ПЫЛЬЦЫ TARAXACUM OFFICINALE WIGG.
© 2021 М.Ю. Мазура
ГУ «Институт эволюционной экологии Национальной академии наук Украины»,
г. Киев (Украина)
Поступила 17.08.2020
Мазура М.Ю. Биоиндикация парковых экосистем г. Киева по реакции пыльцы Taraxacum officinale Wigg. В работе исследовалась мужская генеративная система популяций Т. officinale, произрастающих в парковых экосистемах разных административных районах Киева, с неодинаковым уровнем антропогенной нагрузки. Установлено, что с увеличением загрязнения окружающей среды, повышается продукция стерильной пыльцы Т. officinale. У растений контрольной зоны зафиксирован невысокий уровень стерильности - 11,5%, на экспериментальных тест-полигонах продукция абортивной пыльцы возрастала в зависимости от уровня антропогенного воздействия в 1,7 и 2,2 раза. Наиболее показательными из всех предложенных индексов чувствительности пыльцы Т. officinale в условиях загрязнения окружающей среды оказались: индекс стерильности и палино-токсического эффекта, их рекомендовано использовать для биологической оценки парковых экосистем мегаполиса.
Ключевые слова: антропогенная нагрузка, стерильность пыльцы, палинотоксический эффект, коэффициент чувствительности.
Mazura M.Yu. Bioindication of park ecosystems in Kiev by pollen reaction of Taraxacum officinale Wigg. The work investigated the male generative system of populations of Т. officinale growing in park ecosystems of different administrative districts of Kiev, with an unequal level of anthropogenic load. It was found that with an increase in environmental pollution, the production of sterile pollen increases. The plants of the control zone showed a low level of sterility - 11,5%, on experimental test sites, the production of abortive pollen increased by 1.7 and 2.2 times depending on the level of anthropogenic influence. The most indicative of all the proposed indices of sensitivity of T. officinale pollen under environmental pollution were: the index of sterility and palynotoxic effect, they are recommended to be used for biological assessment of park ecosystems of a megacity.
Key words: anthropogenic load, pollen sterility, palynotoxic effect, sensitivity coefficient.
На сегодняшний день рост антропогенного прессинга в городских экосистемах сопровождается техногенным загрязнением окружающей среды, негативное влияние которого проявляется деструктивными изменениями в функционировании биотических групп, деградацией природных биотопов и ухудшением здоровья людей [2, 3]. В первую очередь, в городах - это загрязнение атмосферного воздуха из-за функционирования предприятий и увеличение нагрузки городским транспортом [17]. Территория Киева с одной стороны характеризуется сложным рельефом, в условиях которого формируются воздушные массы с высокой концентрацией загрязняющих веществ, а с другой - имеет мощную систему зеленых насаждений и объектов природно-заповедного фонда.
Мазура Марина Юрьевна, исполняющий обязанности научного сотрудника, кандидат биологических наук, marinamazura 1978@gmail. com
Высокий уровень загрязнения атмосферного воздуха в г. Киеве как одно из последствий урбанизации представляет угрозу здоровью населения и окружающей природной среде (далее ОПС). Аэротехногенное загрязнение города обусловлено выбросами стационарных (промышленные предприятия, ТЭЦ) и передвижных источников (речной и автотранспорт, авиационная техника). Объемы выбросов аэрополлютантов от стационарных и передвижных источников свидетельствуют о ежегодном росте вредных выбросов в атмосферу [10]. По этой причине мониторинг ОПС проводится прежде всего с целью контроля антропогенного влияния на биосферу [15, 18]. Биоиндикация, как элемент мониторинга, занимается проблемой оценивания экологических факторов или экосистем, их состояния и изменений по биотическим признакам. Наиболее чувствительными к изменениям окружающей среды являются растения-биоиндикаторы, которым свойственна резко выраженная приспособ-
ляемость к определённым условиям ОПС, с их помощью можно качественно оценивать условия внешней среды [4]. Одним из наиболее перспективных и доступных подходов в определении состояния окружающей среды рассматривается изменение репродуктивных структур растений (пыльцы), которые проявляют значительную чувствительность к загрязнителям [8].
Серия зарубежных и отечественных публикаций, которые свидетельствуют о возможности использования палиноиндикации как единицы системы мониторинга состояния окружающей среды. На примере нескольких мест СевероЗападного региона Европейской части России О. Дзюба продемонстрировала, что характер патологий пыльцевых зёрен у 36 видов покрытосеменных растений, это - следствие загрязнения ОПС [6]. В своих работах Т. Чипиляк, Р. Матя-шук, М. Мазура рассматривают возможность использования цветочно-декоративных культур (Hemerocallis L., Canna L.) для определения влияния поллютантов на генеративные органы растений [9, 19]. Изменения размеров пыльцевых зерен используется как один из показателей адаптации растений семейства Brassicaceae к техногенным условиям среды [1]. В связи с этим пыльцу растений можно использовать в научных и экспериментах исследованиях в качестве биомаркеров к негативному воздействию различных поллютантов по их гаметоцидному действию. В Украине работы, в которых пыльцу Taraxacum officinale используют как объект исследования единичны. Например, А. Дычко, Т. Демьяненко классифицировали урбосистемы г. Черкасы по реакции пыльцы T. officinale [7]. В своих исследованиях Н. Хомич усовершенствовала тест «Стерильность пыльцы растений-биоиндикаторов» на примере T. officinale [18]. Приведенный краткий анализ литературы свидетельствует, что одним из приоритетных и доступных подходов в биологической индикации окружающей среды является характер изменения репродуктивных структур растений под влиянием загрязнения разного уровня.
В нашей работе для биоиндикационной оценки состояния парковых экосистем г. Киев, объектом выбрали показатели чувствительности пыльцы Taraxacum officinale к уровню антропогенной нагрузки.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ
Для исследований были взяты тест-полигоны в трёх административных районах города Киева, которые отличались между собой по уровню загрязнения атмосферного воздуха, водных объектов, насыщенностью территории города улич-но-дорожной сетью и т.п. [10]. Голосеевский
район расположен на окраине города и граничит с его «зеленым поясом» лесопарков, индекс антропогенной нагрузки (7ан) составляет 1,66, Risk-оценка (0,84), экологическая ситуация в районе характеризуется как очень хорошая, в парке памятка садово-паркового искусства «Фе-офания» (далее ППСПИ «Феофания») - контроль, выбран тест-полигон № 1, который расположен от автодороги на расстоянии около 1000 метров. Хорошая экологическая ситуация по числовым значениям индекса Уан - 3,64) и Risk-оценка (4,70) в Дарницком районе, который расположен на левом берегу реки Днепр, в парке Победы находится тест-полигон № 2, расстояние от автодороги составляет приблизительно 80 метров. Самыми неблагоприятным являются центральные районы города, к ним относится Шевченковский в нем расположено 71 предприятие, он занимает первое место по количеству твердых бытовых отходов и является густонаселенным [12, 16]. Показатели антропогенной нагрузки самые высокие в Киеве: Уан - 12,82) и Risk-оценка (32,70), экологическая ситуация характеризуется как плохая, в урочище Бабин Яр выбран тест-полигоном № 3, который находится в 5-6 метрах от центральной дороги (рис.).
Для исследования пыльцу Т. officinale отбирали (на стадии массового цветения) и переносили в каплю йодного раствора. Учитывая, что фер-тильные и стерильные клетки пыльцы растений отличаются по содержанию крахмала, качество пыльцы определяли йодным методом (окраска по Граму) [14], лабораторные иследования проводили с помощью микроскопа Nikon ECLIPSE E100.
Стерильность пыльцы рассчитывали по формуле 1:
(1)
Коэффициент стерильности, который определяет, во сколько раз частота индуцированного уровня стерильности превышает уровень спонтанной стерильности в контроле, рассчитывали по формуле 2:
Ксп
(2)
где: Ксп - коэффициент стерильности пыльцы; Срд - стерильность пыльцы в районе исследования; Ск - стерильность пыльцы на контрольной территории.
Коэффициент чувствительности пыльцы Т. officinale определяли по формуле 3:
Кчп = Ф/С (3)
где: Кчп - коэффициент чувствительности пыльцы; Ф - фертильные пыльцевые зерна, С - стерильные пыльцевые зерна на тест-полигоне.
Палинотоксичность загрязнителей окружающей среды с использованием репродуктивной системы растений определяли по формуле 4:
Фо - Фх
ПЭ =100
Фо
(4),
где: ПЭ - палинотоксичний эффект, Фо - показатель величины спонтанной фертильности пыльцы растений контрольной зоны, Фх - показатель
величины индуцированной фертильности растений, растущих в фитотоксичной среде [13].
Проводили ранжирование тест-полигонов по классификации ЕС10.90: инициальное (слаботоксичное), эффективное (среднетоксичное) и сублетальное (высокотоксичное), содержание токсических концентраций загрязнителей в изученных районах - соответственно ЕС10, ЕС50, ЕС90, при которых наблюдалось ингибирование продукции фертильной пыльцы исследованных растений 10, 50 и 90% по сравнению с контролем, по полученным результатам сделан вывод о степени загрязнения парковых экосистем Киева [13].
1
2
3
Рис. Тест-полигоны г. Киев: 1. Урочище Бабин Яр (Шевченковский район); 2. ППСПИ «Феофания» (Голосеевский район); 3. Парк Победы (Дарницкий район)
Примечание: желтым цветом отмечены тест-полигоны сбора пыльцы Taraxacum officinale.
РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
На основании проведенной оценки экологической ситуации в административных районах Киева, с помощью расчета интегрального индекса антропогенной нагрузки и риск-оценки Н. Ми-рошник и И. Тесленко проведено экологическое зонирование районов города по степени экологического неблагополучия [10]. Сейчас целесообразно использовать скрининг палинотоксическо-го эффекта на ряду с традиционными методами. Результаты исследования показали, что между популяциями T. officinale, произрастающими в зонах с различным уровнем загрязнения, установлены отличия в продукции стерильной пыльцы. Изучение реакции мужской генеративной системы на повышение уровня загрязнения позволило прийти к заключению, что продукция стерильных пыльцевых зерен T. officinale была разной. Так, в урочище Бабин Яр Шевченковско-
го района с плохой экологической ситуацией, зафиксирован самый высокий уровень абортив-ности пыльцевых зёрен - 26,9%, что в 2,3 раза больше чем в контроле. В Дарницком районе, который имеет хорошую экологическую ситуацию (парк Победы), процент безкрохмальных пыльцевых зёрен превышал контроль в 1,7 раз (таблица). Данный факт позволил прийти к выводу, что мужская генеративная система T. officinale палиночувствительная к высокому уровню загрязнения, что проявляется в изменении показателя продукции абортивной пыльцы по мере увеличения загрязнения парковых экосистем Киева.
Подобные изменения, а именно, увеличение уровня стерильности пыльцы T. officinale на градиенте аэротехногенного загрязнения в своих работах наблюдали В. Гришко, И. Комарова, Т. Морозова, В. Хрутьба, О. Кобзиста [5, 11].
Таблица
Показатели чувствительности пыльцы Taraxacum officinale Wigg. в парковых экосистемах Киева
Показатели чувствительности пыльцы
Название района Тест-полигон Кол-во пыльцы, шт СП, % ФП, % Кчп Ксп ПЭ, % Уровень загрязнения
Голосеевский ППСПИ «Феофания» 2035 11,5 88,5 7,66 - - условный контроль
Дарницкий Парк Победы 1589 19,6 80,4 3,62 1,37 30,8 инициальный
Шевченковский Урочище Бабин Яр 1396 26,9 73,1 2,83 1,64 45,2 эффективный
Примечание: СП, % - стерильные пыльцевые зёрна, ФП, % - фертильные пыльцевые зёрна, Кчп - коэффициент чувствительности пыльцы, Ксп - коэффициент стерильности пыльцы, ПЭ, % - палинотоксический эффект.
В нашем исследовании установлено, что у популяций T. officinale, произрастающих в административных районах Киева с разным уровнем антропогенного воздействия, отмечено увеличение продукции стерильной пыльцы. Расчет коэффициента стерильности пыльцевых зёрен (Ксп) T. officinale выявил различие в продукции стерильных мужских гамет между тест-полигонами № 2 и № 3. В Шевченковском районе, который по показателям антропогенной нагрузки ^ан - 12,82) и по (Risk-оценка - 32,70) характеризуется как плохой по экологической ситуации, показатель стерильности пыльцы составляет 1,64 (тест-полигон № 3). А на тест-полигоне № 2 Дарницкого района с хорошей экологической ситуацией, где Уан - 3,64) и (Risk-оценка - 4,70) этот коэффициент - 1,37 (табл.). Полученные данные позволили сделать заключение, что растения, которые изменяют продукцию абортивной пыльцы по мере увеличения загрязнения окружающей среды, являются чувствительными и могут быть рекомендованы как фитоиндикаторы при биоиндикационной оценке парков мегаполиса.
По отношению фертильных пыльцевых зерен к стерильным (Кчп) T. officinale на разных тест-полигонах наблюдалась определённая реакция пыльцы на уровень антропогенной нагрузки. Наивысший показатель коэффициента чувствительности 7,66 был отмечен в экологически благоприятных условиях Голосеевский район ППСПИ «Феофания» (контроль). В самом загрязненном Шевченковском районе Киева на тест-полигоне № 3 в урочище Бабин Яр этот показатель снизился в 2,7 раз по сравнению с контролем. Тенденция уменьшения в 2,1 раз этого коэффициента по отношению к контролю наблюдается и в Дарницком районе на тест-полигоне № 2 в парке Победы. Отмечена высокая чувствительность генеративных структур T. officinale по отношению к контролю, а между
экспериментальными тест-полигонами (Кчп) незначительно отличаются, на тест-полигоне № 2 в парке Победы этот показатель в 1,2 раза больше, чем в урочище Бабин Яр.
При анализе полученных данных было проведено ранжирование исследованных районов Киева в соответствии с классификацией ECi0-90. Установлено, что на тест-полигоне в парке Победы (Дарницкий район) токсиканты проявляли слаботоксичное действие на гаметогенез (ПЭ -30,8%), что подтверждалось производством определённого уровня стерильности пыльцы генеративными органами T. officinale. На тест-полигоне № 3 в урочище Бабин Яр (Шевченковский район) имело место эффективного (средне-токсичного) действия поллютантов на органы мужской репродукции, показатель палинотокси-ческого эффекта составил 45,2%. Полученные данные позволяют прийти к выводу, что в районах с повышенной антропогенной нагрузкой загрязняющие вещества оказывают эффективное действие на гаметогенез растений T. officinale.
Анализ данных расчета ряда предложенных коэффициентов, по которым оценивают чувствительность мужского гаметофита T. officinale, свидетельствуют, что в условиях с разным уровнем антропогенного воздействия в парковых экосистемах Киева целесообразнее использовать индекс стерильности и палинотоксического эффекта, как более информативные. Эти показатели изменяются пропорционально с уровнем загрязнения окружающей среды. Тогда как для коэффициента чувствительности не всегда отмечается четкое разграничение к интенсивности антропогенной нагрузки. Подобное заключение сделали И. Комарова и В. Гришко, о том, что более показательными индексами для проведения биоиндикации с использованием T. officinale в условиях Криворожья оказались, индекс стерильности и палинотоксического эффекта [5].
ВЫВОДЫ
Итак, загрязнение окружающей среды приводит к запуску определенных адаптивных механизмов, обеспечивающих функционирование растений в неблагоприятных условиях существования. На примере T. officinale это проявляется в постепенном увеличении от 19,6 до 26,3% нежизнеспособной пыльцы к комплексу экзогенных факторов.
Наиболее показательными из всех предложенных индексов чувствительности мужского гаметофита T. officinale в условиях загрязнения парковых экосистем Киева оказались: индекс стерильности и палинотоксического эффекта.
Показатель повышенной продукции абортивных пыльцевых зерен T. officinale может быть использован в системе экологического мониторинга за объектами окружающей среды, испытывающими различную степень антропогенной нагрузки.
Считаем необходимым дальнейшее исследование реакции пыльцы T. officinale в парковых экосистемах мегаполиса.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Бакташева Н.М., Сероглазова Н.Г., Струков
В.М. Морфология пыльцы весенне- и раннелетнее цветущих представителей семейства Brassicaceae // Экология биосистем: проблемы изучения, индикации и прогнозирования: материалы II Междунар. конф. Астрахань: Изд. дом «Астраханский университет», 2009. С. 328-332.
2. Глухов А.З., Хархота А.И. Растения в антропогенно трансформированной среде // Промышленная ботаника. 2001. Вып. 1. С. 5-10.
3. Голубець М.А. Екосистемолопя. Львiв: Полл^ 2000. 316 с.
4. Горова А.1., Грунтова В.Ю., Павличенко А.В.
Про можливють використання цитогенетичних мето-дiв бюшдикацп при виборi контрольних територш в системi екомошторингу // Науковий вюник Черниве-цького ушверситету. 2008. Вип. 416. С. 3-8.
5. Гришко В.Н., Комарова И.А. Бюшдикащя атмосферного забруднення за реакщею пилкових зерен Taraxacum officinale F.H.Wigg (на прикладi м. Кривий Pfr) // Scientific Journal «ScienceRise». 2016. № 5/1 (22). С. 15-19. DOI: 10.15587/2313-8416.2016.69276
6. Дзюба О.Ф. Палиноиндикация качества окружающей среды. СПб.: Недра, 2006. 198 с.
7. Дичко А.О., Дем'яненко Т.Б. Визначення стану повиряного середовища мюта Черкаси за допомогою
пилкових зерен кульбаби лшарсько! // Вюник НТУУ «КП1». Серiя «Прництво». 2009. Вип. 18. С. 140-143.
8. Комарова 1.О. Еколого-бюлопчш особливостi Taraxacum officinale Wigg за дп забруднення важкими металами в умовах промислового Криворiжжя: Авто-реф. дис. ...канд. бiол. наук. Дншро, 2019. 24 с.
9. Матяшук Р.К., Мазура М.Ю., Ткаченко 1.В. Стан пилку канни в умовах урбашзованих територiй // Вюник харювського нацiонального аграрного ушвер-ситету. Серiя "Бюлопя". 2014. Вип. 3(33). С. 43-51.
10. Мирошник Н.В., Тесленко И.К. Экологическое зонирование территорий с учетом роли сохранившихся естественных экосистем (на примере г. Киева) // Самарская Лука: проблемы региональной и глобальной экологии. 2018. Т. 27, № 4(2). С. 32-40. DOI: 10.24411/2073-1035-2018-10133
11. Морозова Т.В., Хрутьба В.О., Кобзиста О.П. Скриншг палшоморфолопчного та палшотоксичного ефекту автотранспортних емiсiй // Вюник Нацюналь-ного транспортного ушверситету. Серiя "Техшчш науки". 2019. Вып. 1(43). С. 116-126.
12. Основш показники охорони навколишнього природного середовища м. Киева. Статистичний збiр-ник / Головне управлшня статистики у м. Киевц за ред. О.1. Настоящего. К., 2017. 75 с.
13. Балiчиeва Д.В., ¡браимюва G.G., Емiрова Д.В. Патент 32513 Украши на корисну модель, МПК (2006) G01N 1/100. Споаб визначення палшотоксич-носп техногенних хiмiчних забруднювачiв навколишнього середовища. Заявка № u200711625; заявл. 22.10.2007; опубл. 26.05.2008, бюл. № 10.
14. Паушева З.П. Практикум по цитологии растений. Москва: Колос, 1980. 300 с.
15. Рассадина Е.В. Биоиндикация и ее место в системе мониторинга окружающей среды // Актуальные вопросы ветеринарной медицины, биологии и экологии 2007. С. 48-53.
16. Ршення КМР вщ 19 липня 2005 року № 806/3381 «Про затвердження Програми розвитку зелено! зони м. Киева до 2010 року та Концепцп фор-мування зелених насаджень в центральны частиш мюта» (продовжена до 31.12.2017 зпдно Ршення КМР вщ 7 липня 2016 року № 572/572).
17. Ханнанова О.Р., Арканова А.А. Бюшдика-цшна ощнка екологiчного стану атмосферного пови-ря Полтавського мюького парку // Бюлопя та еколо-гiя. 2017. Том 3, № 1-2. С. 69-75.
18. Хомич Н.Р. Оцшювання забруднення урбоеко-системи мюта Рiвне за показниками ушкодженосп рослин-бiоiндикаторiв: Автореф. дис. ... канд. бюл. наук. Ки!в, 2009. 21с.
19. Чипиляк Т.Ф. Аутеколопчш особливосп ви-дiв роду Hemerocallis L. в умовах м. Кривий Р^ // Вюник Львiвського ушверситету. Серiя бiологiчна. 2014. Вип. 65. С. 202-209.
