CC BY
22
УДК 551.521.5:577.4.621.03
БО!: 10.24411/1728-323Х-2019-17053
БИОМОНИТОРИНГ ТЕРАТОЛОГИЧЕСКИЙ: КОНЦЕПЦИЯ, ПРОЕКТЫ, ФОТОБАНК
Д. А. Маркелов, доктор технических наук, член-корреспондент РАЕН, ООО «КАРТЭК», ведущий научный сотрудник, pink@dmpink.ru, Москва, Россия,
А. В. Маркелов, доктор географических наук,
профессор, действительный член РАЕН, лауреат премии Правительства Российской Федерации в области науки и техники, ООО «КАРТЭК», ведущий научный сотрудник, nlink@bk.ru, Москва, Россия, Н. Я. Минеева, доктор географических наук, профессор, действительный член РАЕН, лауреат премии Правительства Российской Федерации в области науки и техники, ООО «КАРТЭК», ведущий научный сотрудник, nlink@bk.ru, Москва, Россия, А. П. Акользин, доктор технических наук, профессор, член-корреспондент РАЕН, ООО «КАРТЭК», генеральный директор, cartec-com@mail.ru, Москва, Россия, М. А. Григорьева, кандидат географических наук, доцент, ФГБОУ ВПО «Бурятский государственный университет», gmabsu@rambler.ru, г. Улан-Удэ, Россия, Н. Н. Малышева, кандидат географических наук, начальник лаборатории, Федеральное государственное унитарное предприятие «Объединенный эколого-технологический и научно-исследовательский центр по обезвреживанию РАО и охране окружающей средь» ФГУП «РАДОН», ФГУП «Радон», НПК, info@radon.ru, Сеpгиево-Посадский район Московской обл., Россия, Б. И. Кочуров, доктор географических наук, профессор, в. н. с. Институт географии РАН, camertonmagazin@mail.ru, Москва, Россия, Д. А. Шаповалов, доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Государственный университет по землеустройству», shapoval_ecology@mail.ru, Москва, Россия, А. О. Хуторова, кандидат географических наук, доцент, ФГБОУ ВПО «Государственный университет по землеустройству», hutorova_alla@mail.ru, Москва, Россия
В статье обоснован тератологический биомониторинг. Система геоэкологических стандартов территории должна включать показатели и характеристики состояния биоты, легко наблюдаемые и эффективно индицирующие условия среды. К таким показателям относятся тераты — морфологические аномалии растений.
Пределы толерантности биомониторинга определяются ареалом видов-биоиндикаторов. Виды,
Концепция. Изучение откликов биоты на воздействие, выявление их числа и пространственного распределения становятся одной из приоритетных задач мониторинга окружающей среды. Биомониторинг основан на сравнении реакции на шкале воздействий от оптимума до катастрофического состояния. В природных и полуприродных антропогенно трансформированных системах решение поставленной задачи возможно при наличии стандартов структурно-функциональной
доминирующие в экосистемах, типичных для территории, развиваются и функционируют в оптимальных условиях (климатических, эдафических, ценоти-ческих). Это позволяет считать, что появление аномалий роста и развития у растений вызывается действием дополнительных факторов. Данное положение является основой концепции биомониторинга с использованием терат, морфологических аномалий растений. Проведен анализ опубликованных работ. Выбраны биоиндикаторы и их признаки: это иван-чай узколистный (Chamaenerion angustifolium), нивяник обыкновенный (Leucanthemum vulgare), вербейник обыкновенный (Lysimachia nummularia.). Разработаны методика отбора проб и учет терат. Показана достоверность и значимость биомониторинга. Создан фотобанк терат.
In the article the teratological biomonitoring is substantiated. The system of geo-ecological standards of the area should include the indicators and characteristics of the biota, easily observed and efficiently indicated environmental conditions. These indicators include terato-mas, i.e. morphological anomalies in plants.
The limits of tolerance of biomonitoring are determined by the species habitat bioindicators. The species dominating in the ecosystems, typical for the area, develop and function in optimal conditions (climatic, edaph-ic, cenotic). This suggests that the occurrence of abnormalities of growth and development in plants are caused by the influence of other factors. This provision is the basis for the concept of biomonitoring using teratomas, morphological abnormalities of plants. The analysis of the published papers is given. Biological indicators and signs are selected: rose-angustifolia (Chamaenerion an-gustifolium), daisy (Leucanthemum vulgare), Lysimachia vulgaris (Lysimachia nummularia.). The technique of sampling and accounting teratomas is carried out. The accuracy and relevance of biomonitoring is shown. The photobank of teratomas is created.
Ключевые слова: биомониторинг, тераты — морфологические аномалии растений, биоиндикаторы: иван-чай узколистный (Chamaenerion angusti-folium), нивяник обыкновенный (Leucanthemum vulgare), вербейник обыкновенный (Lysimachia nummularia.).
Keywords: biomonitoring, teratomas as morphological abnormalities in plants, bio-indicators: willow-herb angustifolia (Chamaenerion angustifolium), daisy ordinary (Leucanthemum vulgare), Lysimachia vulgaris (Lysimachia nummularia.).
организации территории и пространственных портретов эко-лого-географических, биогеохимических и ландшафтно-зо-нальных типов биоты. Сопряженные взаимосвязи биоиндикатора и индиката, организованные в базы данных, составляют информационную основу биомониторинга.
Система геоэкологических стандартов территории должна включать показатели и характеристики состояния биоты, легко наблюдаемые и эффективно индицирующие условия среды. К таким показателям относятся тераты — морфологические аномалии растений.
Пределы толерантности биомониторинга определяются ареалом видов-биоиндикаторов. Виды, доминирующие в экосистемах, типичных для территории, развиваются и функционируют в оптимальных условиях (климатических, эдафических, ценотических). Это позволяет считать, что появление аномалий роста и развития у растений вызывается действием дополнительных факторов. Это положение является основой концепции биомониторинга с использованием терат, морфологических аномалий растений.
Обоснование. Тератогенные изменения возникают при воздействии различных экологических факторов. К числу тератогенных факторов относятся ионизирующее излучение и содержание радионуклидов, т.е. это результат либо биологического поглощения, либо химического включения в ткани и органы, либо механического осаждения. Морфологические аномалии появляются у растений как реакция на отклонения условий от оптимума и служат сигналом экологического неблагополучия. Таким образом, тератообразующие виды растений являются неспецифическими индикаторами аномальных условий среды.
В местах повышенного загрязнения, в том числе радиоактивного (радиационного воздействия), формируются адаптивные популяции растений и животных, что свидетельствует о перестройке жизнеспособности биотических компонентов экосистем, последствия которых непредсказуемы, так как связаны с нарушением биосферного функционирования био-ты, обеспечивающего и поддерживающего качество среды. Формирование адаптивных популяций в местах техногенного загрязнения природной среды становится реальным фактором угрозы жизнеобеспечения человека, так как перестройка организмов растений может привести к изменению их метаболизма и выделению в биосферу, например, не кислорода, а повышенного количества углекислого газа или метана.
Установлены факты, подтвержающие формирование адаптивных популяций под воздействием радиационного фактора [1—4].
1. У растений, произраставших на территориях урано-ра-диевого и стронциево-иттриевого загрязнения, отмечены: повышенная энергия прорастания семян, повышенная митоти-ческая активность клеток корней проросших семян, с первых дней после прорастания отставание молодых растений в росте, усиливающееся с возрастом, большая часть проростков нежизнеспособна и выпадает из популяции, в итоге вегетативная продуктивность надземной массы к концу сезона значительно ниже, чем в контрольной популяции.
2. Подобная реакция у овсяницы луговой (Festuca pratensis Huds.), произраставшей 5 лет на урано-радиевом участке, про-
является при действии острого провокационного у-облучения — как реакция на ионизирующее излучение.
3. Реакция на ионизирующее излучение: предпосевное облучение: повышение всхожести, ускорение роста и развития проростков, увеличение ветвления, увеличение образования генеративных органов, более раннее цветение, повышение урожая, более быстрый рост на некоторых стадиях развития, развитие боковых почек.
4. Реакция дикорастущих растений с ВУРС на провокационное облучение: повышение числа клеток с аберрациями хромосом в проростках семян, собранных с экспериментальных участков, частота аберраций хромосом в мейозе у растений чины гороховидной (Lathyrus pissiformis L.) с опытного участка выше, чем у растений с контрольного участка, среднее число семян в стручке у хронически облучаемых растений крупки меньше, чем у контрольных необлучаемых растений, повышенная частота хлорофильных мутаций у крупки (Draba nemorosa l.), проломника северного (Androsace septentrionalis L.).
5. Цитогенетические показатели семенного потомства дуба черешчатого и березы повислой, произрастающих в 1-киломтровой зоне Нововоронежской АЭС: митотическая активность: выявлено изменение времени прохождения клетками стадий митоза, уровень и спектр патологических митозов — выявлен рост в спектре нарушений митоза доли мостов как свидетельство активации систем репарации, ядрышковые характеристики: доля многоядрышковых клеток увеличивается у дуба, снижается у березы, возрастает площадь поверхности одиночных ядрышек — у березы.
6. Выявлена корреляция между цитогенети-ческими показателями семенного потомства березы повислой (патологиями митоза и площадью поверхности одиночных ядрышек в ядре) и уровнем микроядер в буккальном эпителии людей, проживающих на этих же территориях.
7. Вывод: у людей, длительно находящихся в 1-километровой зоне Нововоронежской АЭС, следует ожидать повышения уровня микроядер в буккальном эпителии по сравнению с уровнем микроядер у людей, проживающих в экологически «чистом» районе.
8. Как показали исследования, в районах воздействия предприятия по хранению радиоактивных отходов ЛСК «Радон» Ленинградской области, в районе «рыжего леса» 30-километровой зоны ЧАЭС, в районе Черевач 30-километровой зоны ЧАЭС отмечены эффекты, свидетельствующие о наличии мутагенного воздействия на популяции сосны обыкновенной, проявляющиеся в достоверном росте цитогенетических нарушений, час-
тота и спектр которых позволяют следить и прогнозировать направленность и динамику адаптивных процессов в популяциях растений.
9. На территории Семипалатинского испытательного ядерного полигона выявлены аномалии цитогенетической структуры в меристеме корешков проростков дикорастущих растений, таких как волоснец узкий, житняк гребневидный, овсяница валисская, люцерна серповидная, по следующим показателям: увеличение мостов, увеличение фрагментов, увеличение отставших хромосом, что свидетельствует о формировании адаптивных популяций.
10. Вычленение специфического отклика биоты именно на тот или иной тип воздействия требует создания банка эталонов, стандартов структурно-функциональной организации территории, содержащих фотобанк как обязательный элемент распознавания взаимосвязи реакция-воздействие [1-4].
Проекты. Основу проекта биомониторинга составляют виды, реагирующие на загрязнение среды такими морфологическими или физиологическими изменениями, которые проявляются пропорционально степени разрушающего воздействия и легко могут быть обнаружены. В качестве критериев неблагополучия условий среды использованы различные морфологические аномалии растений (тераты), такие как изменчивость ростовых характеристик, изменчивость числа органов относительно нормы, нарушения окраски и некоторые другие. Нами детально разработан и реализован в течение 10 лет мониторинг терато-образующих видов растений как неспецифических индикаторов с целью выявления отклика именно на комплексное радиационное воздействие. В проекте использованы виды, массово произрастающие на тестовой территории Клин-ско-Дмитровской гряды, находящейся в сфере воздействия радиационно опасного объекта. Это иван-чай узколистный (Chamaenerion angusti-folium), нивяник обыкновенный (Leucanthemum vulgare), вербейник обыкновенный (Lysimachia nummularia) и некоторые другие. Учет морфологических аномалий проведен на участках в сфере воздействия (полигон) и на контрольных участках-аналогах за пределами сферы воздействия объекта (контроль). Мониторинг включал отбор видов: по 1000 экземпляров иван-чая и по 200 экземпляров нивяника и вербейника на полигоне и контрольном участке. В специальном бланке фиксировались следующие показатели: морфологические аномалии стеблевые, листовые, генеративных органов; нарушение окраски; размеры растений и отдельных органов; любые другие аномалии.
Проект «Биомониторинг тератологический — иван-чай узколистный (Chamaenerion angustifolium l.)»
(рис. 1)
Гофрированность листьев у иван-чая узколист.
Контроль □ Отстойники •: Промплощадка
Промплощадка Отстойники Контроль
Неразвитое соцветие (пенек) у иван-чая узколист.
120 100
ромплощадка Отстойники Контроль
Разветвление соцветия у иван-чая узколист.
Контроль
Отстойники
Промплощадка
Промплощадка Отстойники Контроль
Лист в соцветии у иван-чая узколист.
Контроль
Отстойники
Промплощадка
Промплощадка Отстойники Контроль
Поражение «Галлы» у иван-чая узколист.
250 ий200 ; 150 окл200 от 50
0
Контроль
Отстойники
Промплощадка
Промплощадка Отстойники Контроль
Изменение цвета растения у иван-чая узколист.
Контроль
Отстойники
Промплощадка
Рис. 1. Тераты. Иван-чай узколистный Проект «Биомониторинг тератологический — нивяник обыкновенный (Leucantemum vulgare L.)» (рис. 2)
Рис. 2. Тераты. Нивяник обыкновенный
Проект «Биомониторинг тератологический — вербейник обыкновенный (Lysimachia nummularia)»
(рис. 3)
Рис. 3. Тераты. Вербейник обыкновенный
Изменение цвета у вербейника обыкн.
число "" отклонений 40 20 0
□ контроль
■ отстойники
□ промплощадка
промплощадка отстойники контроль
Сросшиеся цветки у вербейника обыкн.
350 300 250 200
число 150 отклонений 100
□ контроль
■ отстойники
□ промплощадка
промплощадка отстойники
контроль
Выявлены и установлены тератообразующие виды растений, которые эффективно и достоверно отражают геоэкологическое состояние территории и составляют элемент геоэкологического стандарта территории в разработанной ГИС технологии. Созданы базы данных, которые включены в модули ГИС. Каждый проект содержит фотобанк эталонов и аномалий (терат). Проекты верифицированы, достоверны и рекомендованы для практического применения [1—4].
Выводы. Биомониторинг тератологический представляет инструмент слежения за экологической безопасностью путем изучения откликов биоты на воздействие, выявления их числа и пространственного распределения. Биомониторинг основан на сравнении реакции на шкале воздействий от оптимума до катастрофического состояния и требует создания банка стандартов структурно-функциональной организации территории и пространственных портретов эколого-географических, биогеохимических и ландшафтно-зональных типов биоты. Сопряженные взаимосвязи биоиндикатора и индиката, организованные в базы данных, составляют информационную основу биомониторинга.
Система геоэкологических стандартов территории должна включать показатели и характеристики состояния биоты, легко наблюдаемые
и эффективно индицирующие условия среды. К таким показателям относятся тераты — морфологические аномалии растений.
Пределы толерантности биомониторинга определяются ареалом видов-биоиндикаторов. Виды, доминирующие в экосистемах, типичных для территории, развиваются и функционируют в оптимальных условиях (климатических, эдафичес-ких, ценотических). Это позволяет считать, что появление аномалий роста и развития у растений вызывается действием дополнительных факторов. Данное положение является основой разработанной концепции биомониторинга с использованием терат, морфологических аномалий растений.
Вычленение специфического отклика биоты именно на тот или иной тип воздействия требует создания банка эталонов, стандартов структурно -функциональной организации территории, содержащих фотобанк как обязательный элемент распознавания взаимосвязи реакция-воздействие. Предствлены конкретные проекты биомониторинга тератологического с использованием фи-зиономичных, быстро реагирующих видов, таких как иван-чай узколистный (Chamaenerion angusti-folium), нивяник обыкновенный (Leucanthemum vulgare), вербейник обыкновенный (Lysimachia nummularia).
Библиографический список
1. Соболев И. А., Дмитриев С. А., Маркелов А. В., Минеева Н. Я. и др. Разработка биомониторинга природопользования при обращении с радиоактивными отходами // Охрана окружающей среды и обращение с радиоактивными отходами научно-промышленных центров: Итоги научной деятельности ГУП МосНПО «Радон» за 2003 г. — Вып. 11. — М.: Радон-Пресс, 2005. — С. 99—101.
2. Маркелов А. В., Минеева Н. Я., Маркелов Д. А., Малышева Н. Н., Григорьева М. А. и др. Биомониторинг природопользования при обращении с радиоактивными отходами в экстремальных условиях // Актуальные проблемы геохимической экологии: Материалы V Международной биогеохимической школы. Семипалатинский государственный педагогический институт, 8—11 сентября 2005 года. — Семипалатинск, 2005. — С. 460—461.
3. Дмитриев С. А., Соболев А. И., Маркелов А. В., Минеева Н. Я., Маркелов Д. А., Малышева Н. Н., Григорьева М. А. и др. Разработка биомониторинга природопользования при обращении с радиоактивными отходами в экстремальных условиях Москвы и Московского региона // Охрана окружающей среды и обращение с радиоактивными отходами научно-промышленных центров: Труды ГУП МосНПО «Радон»: Итоги научной деятельности за 2004 г. — М.: «1ББО», 2006. — Вып. 12. — С. 72—77.
4. Минеева Н. Я., Маркелов А. В., Дмитриев С. А., Соболев А. И., Маркелов Д. А., Малышева Н. Н., Крючкова Г. А., Прокуронов И. Б., Приклонский М. В., Григорьева М. А., Полынова О. Е. Проект биомониторинга «Тератологический с использованием неспецифических растительных индикаторов» / Тяжелые металлы и радионуклиды в окружающей среде. Материалы IV Международной научно-практической конференции. Семипалатинский государственный педагогический институт, 19—21 октября 2006 г. — Т. 2. — Семипалатинск, 2006. — С. 525—532.
BIOMONITORING TERATOLOGICAL: CONCEPTS, PROJECTS, PHOTOBANK
D. A. Markelov, Doctor of Technical Sciences, Corresponding Member of the Russian Academy of Natural Sciences, KARTEK LLC, Leading Researcher, pink@dmpink.ru. Moscow, Russia,
| A. V. Markelov , Doctor of Geographical Sciences, Professor, Full Member of the Russian Academy of Natural Sciences, Laureate of
the Russian Government Prize in the Field of Science and Technology, KARTEK LLC, Leading Researcher, nlink@bk.ru. Moscow, Russia, N. Y. Mineeva, Doctor of Geographical Sciences, Professor, Full Member of the Russian Academy of Natural Sciences, Laureate of the Prize of the Government of the Russian Federation in the Field of Science and Technology, KARTEK LLC, Leading Researcher, nlink@bk.ru. Moscow, Russia,
A. P. Akolzin, Doctor of Technical Sciences, Professor, Corresponding Member of the Russian Academy of Natural Sciences, LLC KARTEK, General Director, cartec-com@mail.ru. Moscow, Russia,
M. A. Grigoreva, Ph. D. in Geography, Associate Professor, Buryat State University, gmabsu@rambler.ru. Ulan-Ude, Russia, N. N. Malysheva, Ph. D. in Geography, Head of Laboratory, Federal State Unitary Enterprise "United Ecological, Technological and Scientific Research Center for RW Disposal and Environmental Protection" FSUE "RADON", FSUE "Radon", NPK, info@radon.ru. Moscow, Russia,
B. I. Kochurov, Doctor of Geographical Sciences, Professor, Institute of Geography Russian Academy of Science, Moscow, Russia, D. A. Shapovalov, Doctor of Technical Sciences, Professor, Federal State Budgetary Educational Establishment of Higher Professional Education "State University of Land Management", shapoval_ecology@mail.ru, Moscow, Russia,
A. O. Khutorov, Ph. D. in Geography, Associate Professor, Federal State Budgetary Educational Establishment of Higher Professional Education "State University of Land Management", hutorova_alla@mail.ru, Moscow, Russia
References
1. Sobolev I. A., Dmitriev S. A., Markelov A. V., Mineeva N. Ya., et al. Razrabotka biomonitoringa prirodopol'zovaniya pri obrashchenii s radioaktivnymi othodami [Environmental Protection and Radioactive Waste Management of Scientific and Industrial Centers: Results of Scientific Activities of the State Unitary Enterprise MosNPO Radon for 2003. No. 11] Moscow. Radon-Press, 2005. P. 99-101 (in Russian).
2. Markelov A. V., Mineeva N. YA., Markelov D. A., Malysheva N. N., Grigor'eva M. A. et al. Biomonitoring prirodopol'zovaniya pri obrashchenii s radioaktivnymi othodami v ekstremal'nyh usloviyah. Materialy V Mezhdunarodnoj bioge-ohimicheskoj shkoly. "Aktual'nye problemy geohimicheskoj ekologii" Semipalatinskij gosudarstvennyj pedagogicheskij institut, 8—11 sentyabrya 2005 goda.[Biomonitoring of nature management in the treatment of radioactive waste in extreme conditions. Current issues of geochemical ecology: Proc. of the V International biogeochemical school.] Semipalatinsk, 2005. P. 460—461 (In Russian).
3. Dmitriev S. A., Sobolev A. I., Markelov A. V., Mineeva N. YA., Markelov D. A., Malysheva N. N., Grigor'eva M. A. et al. Razrabotka biomonitoringa prirodopol'zovaniya pri obrashchenii s radioaktivnymi othodami v ekstremal'nyh usloviyah Moskvy i Moskovskogo regiona [Development of biomonitoring of environmental management at radioactive waste management in extreme conditions of Moscow and the Moscow Region. Environmental Protection and radioactive waste management of scientific and industrial centers: Proceedings of sue MosNPO "radon": Results of scientific activity for 2004]. Moscow, IBDG. 2006. P. 72—77 (In Russian).
4. Mineeva N. Ya., Markelov A. V., Dmitriev S. A., Sobolev A. I., Markelov D. A., Malysheva N. N., Kryuchkova G. A., Prokuronov I. B., Priklonskij M. V., Grigor'eva M. A., Polynova O. E. Proekt biomonitoringa "Teratologicheskij s is-pol'zovaniem nespecificheskih rastitel'nyh indikatorov" [Biomonitoring project "Teratological using non-specific plant indicators". Heavy metals and radionuclides in the environment. Proceedings of the IV international scientific and practical conference.] Semipalatinsk State Pedagogical Institute, October 19—21, 2006. Vol. 2.]. Semipalatinsk, 2006. P. 525—532 (In Russian).
