Флуктуирующая асимметрия листа клена остролистного (Acer platanoides L. ) как индикационный показатель качества среды Текст научной статьи по специальности «Биологические науки»

18. Тюлин В. В., Охорзин Н. Д. Особенности структуры почвенного покрова юго-западной части Кировской области // Структура почвенного покрова и ее значение для картирования почв, учета и использования почвенных ресурсов. Кишинев, 1980. С. 197-199.

19. Тюлин В.В., Россохина М.В. Почвы со вторым гумусовым горизонтом Чепецко-Кильмезского водораздела // Почвоведение. 1967. № 7. С. 28-37.

20. Тюлин В.В., Россохина М.В., Прокашев А.М. Некоторые особенности почвообразования и физико-химические свойства почв со вторым гумусовым горизонтом Ярано-Немдинского междуречья Кировской области // Вопросы повышения плодородия почв и урожайности сельскохозяйственных культур Кировской области: Сб. науч. тр. Т. 70. Пермь, 1981. С. 15-25.

А.В. Щербаков, Е.О. Королькова

Флуктуирующая асимметрия

листа клена остролистного (Acer platanoides L.)

как индикационный показатель качества среды

В настоящее время широкое распространение получила методология оценки «здоровья среды», использующая изучение флуктуирующей асимметрии у билатерально симметричных организмов. В данной работе проанализирована возможность использования Acer platanoides L. как одного из объектов данной методологии. Проведенное исследование не выявило четкой зависимости между величиной флуктуирующей асимметрии клена остролистного и загрязнением окружающей среды.

Ключевые слова: Acer platanoides L., лист, флуктуирующая асимметрия, загрязнение окружающей среды, биоиндикация.

Стабильность формообразования как способность организма к развитию без нарушений и ошибок является чувствительным индикатором состояния природной среды. Наиболее простым и доступным для широкого использования способом оценки стабильности развития является определение величины флуктуирующей асимметрии билатеральных организмов

или их отдельных структур [3]. Этот подход достаточно прост с точки зрения сбора, хранения и обработки данных. Он не требует специального сложного оборудования, но при этом позволяет получить интегральную оценку состояния организма при всем комплексе возможных воздействий (включая антропогенные). Однако существует ряд теоретических и практических возражений против самой методики [6].

Флуктуирующая асимметрия является результатом неспособности организмов развиваться по точно определенному сценарию, т.е. ее можно рассматривать как незначительные ненаправленные отклонения от строгой симметрии. По форме выражения она представляет собой незначительные отклонения от строгой билатеральной симметрии, которые скорее могут быть отнесены к случайным нарушениям развития, чем к направленным изменениям. Соответственно, эти незначительные отклонения не несут функциональной значимости и находятся в пределах определенного люфта, допускаемого естественным отбором [5].

В качестве биоиндикаторов наземных экосистем наиболее часто используются растения и млекопитающие, водных - рыбы и земноводные. Положительный опыт использования флуктуирующей асимметрии в целях биоиндикации был получен на животных, а также на некоторых видах растений, преимущественно деревьях: например, на березе повислой (Betula pendula) [3]. Что же касается водных растений, то положительный результат на рдесте пронзеннолистном (Potamogeton perfoliatis L.) был получен А. А. Изотовым [4]. Однако, когда двумя годами позже Е.А. Власова с соавторами [8] провели точно такое же исследование на этом объекте, результат оказался отрицательным: оказалось, что на флуктуирующую асимметрию листа этого растения значительно большее влияние оказывает скорость течения воды, а не ее загрязненность.

Краткий обзор состояния загрязнения воздушного бассейна г. Тулы и близлежащих районов Тульской области

В настоящее время в Туле действуют несколько десятков крупных предприятий различных отраслей народного хозяйства. К основным из них можно отнести: концерн «Тулачермет» и серию его дочерних предприятий, расположенных в восточной части города; с южной стороны города расположен Косогорский металлургический комбинат, а в 20 км от него одно из крупнейших в стране химических производств - ОАО «Щекиноазот». На юго-восточной окраине города находится городской полигон твердых бытовых отходов. Имеется еще более 10 машиностроительных заводов, в том числе крупных, но их вклад в загрязнение атмосферы заметно меньше.

113

ь. ,

Четкого разделения промышленных зон и селитебных территорий | в Туле нет, т.к. исторически большинство рабочих поселков туляков не- | посредственно примыкали к промышленным предприятиям, за исключе- | нием части Центрального и Советского районов, застроенных в после- | военные годы. На значительной части города сохранилась частная & застройка с автономным отоплением, причем местами для этих целей о продолжают использоваться топочные угли. Относительно равномерное § расположение основных стационарных источников загрязнения опреде- § ляет его мозаичный характер в пределах города. |

Транспортная сеть Тулы - радиально-кольцевая. Внутри города движе- 5 ние транспорта распределяется неравномерно, формируясь в значительной степени под воздействием основных элементов и сооружений города: промышленных предприятий, административно-торгового и культурного центра, городских мостов и путепроводов, а также выходов на основные автомагистрали [10].

Пространственное распределение химических загрязнителей на территории Тулы весьма неоднородно: загрязнение от стационарных источников имеет площадное распределение и объясняется местоположением крупных предприятий, рельефом местности и розой ветров, а загрязнение от автомобильного транспорта носит линейный характер и приурочено к основным автомагистралям города [1].

Основными источниками загрязнения атмосферы в Туле являются предприятия черной металлургии, энергетики, стройматериалов, нефтехимической и газовой промышленности, в меньшей степени - машиностроения и металлообработки. Ежегодно в атмосферу города выбрасывается около 125 тыс. т окиси углерода, 6,6 тыс. т окислов азота, 7,9 тыс. т двуокиси серы, 85 тыс. т пыли, 9,7 тыс. т углеводородов. В атмосфере города регулярно наблюдается превышение предельно допустимых концентраций окиси углерода и окислов азота. Наблюдаются также превышения ПДК по свинцу, марганцу, алюминию, никелю, хрому, меди, магнию, железу, цинку, кальцию [1].

Общая сумма выбросов загрязняющих веществ в атмосферу г. Тулы в 2003 г. составила около 159,3 тыс. т. Среди стационарных источников загрязнения атмосферы лидирует ПАО «Тулачермет»: 87% выбросов попадает в воздух именно оттуда. Косогорский металлургический завод выбрасывает 36 ингредиентов, из которых 1444 т/год приходится на твердые выбросы и 5034 т/год - на газообразные.

На долю автотранспорта приходится около трети всех загрязнений воздуха, или 62,5 тыс. т. Это связано с расположением на территории города большого числа крупных предприятий, для подвоза сырья которым

и вывоза готовой продукции широко используется автотранспорт. Его вклад в суммарный выброс по окиси углерода составляет 26,9%, по оксидам азота - 43,9%, углеводородам - 92,1%, диоксиду серы - 21,2%.

Автотранспорт оказывает существенное влияние на качество атмосферы города: практически на всех селитебных территориях, расположенных в центре города, в результате выбросов от автотранспорта ПДК по окислам азота, а во многих случаях - и по свинцу, превышена. В местах, непосредственно примыкающих к автомагистралям с наибольшей интенсивностью движения, это превышение достигает нескольких раз [9].

По выбросам вредных веществ в атмосферу Тульская область в 12 раз превосходит соседние Калужскую и Орловскую. В то же время общая площадь земельных массивов и насаждений в расчете на одного жителя здесь в 4-6 раз меньше, чем, например, в Курске [1].

Материалы и методы

В качестве объекта исследования был выбран клен остролистный (Acer platanoides L.). Мы решили использовать этот вид как биоиндикатор качества окружающей среды, поскольку он встречается практически повсеместно, обладает четкими и легко измеряемыми признаками и в качестве объекта исследования ранее использовался другими авторами, однако единой методики, как в случае с березой, не существует [7].

Сбор материала проводили после завершения роста листьев. Каждая выборка включала в себя 100 листьев (по 10 листьев с 10 деревьев). При выборе растений мы старались учитывать условия произрастания особей и их возрастное состояние. Для хранения собранных листьев использовалась гербаризация. Листья собирали летом 2010 и 2011 гг. в городах Тула и Щекино; в качестве контроля были выбраны деревья из Тульских засек (окрестности с. Крапивна Щекинского р-на Тульской обл. и 61-й км шоссе Тула-Одоев-Белев).

Отбор листьев клена остролистного производился в пяти точках города Тулы и Тульской области, в одной из точек с периодичностью в 1 год.

Первая выборка была произведена в г. Туле на ул. Щегловская засека, д. 59. Близ этого участка находятся 3 предприятия:

1) конструкторское бюро приборостроения - 20 м от места сбора материала;

2) ГН1111 «Базальт» - 100 м от места сбора материала;

3) ГН1111 «Сплав» - 100 м от места сбора материала.

Вторая выборка была произведена в Щекинском р-не Тульской обл., в 5 км севернее с. Крапивна.

Третья выборка была взята в Одоевском р-не, на 61-м километре | шоссе Тула-Одоев-Белев. §

Четвертая выборка быта произведена в г. Щекино на расстоянии 30 м | от предприятия «Щекиноазот». I

Пятая и шестая выборки была произведена в Комсомольском парке & г. Тулы (Зареченский р-н). о

Анализировалось по 100 листьев из каждой выборки, из одной части § кроны, примерно одного размера. На каждом листе по методике, предло- § женной В.М. Захаровым, делалось по 10 измерений: по 5 на левой и пра- | вой половинах листа.

Измерения проводились с помощью линейки и транспортира. Для каждого листа быши измерены следующие параметры (рис. 1):

1) длина жилки первого порядка, первой от основания листа;

2) длина жилки первого порядка, второй от основания листа;

3) ширина половинки листа;

4) угол между первой и второй жилкой от основания листа;

5) угол между главной жилкой и второй от основания листа жилкой второго порядка.

Рис. 1. Схема расположения морфологических признаков, измеряемых для оценки стабильности развития клена остролистного.

Полученные данные обрабатывались в программе «Microsoft Excel» по формулам, представленным в методиках, предложенных В.М. Захаровым [3].

1. В первом действии для каждого промеренного листа вычисляются относительные величины асимметрии для каждого признака. Для этого разность между промерами слева (L) и справа (R) делят на сумму этих же промеров: (L - R) / (L + R).

2. Во втором действии вычисляют показатель асимметрии для каждого листа. Для этого суммируют значения относительных величин асимметрии по каждому признаку и делят на число признаков.

3. В третьем действии вычисляется интегральный показатель стабильности развития - величину среднего относительного различия между сторонами на признак. Для этого вычисляют среднюю арифметическую всех величин асимметрии для каждого листа.

Ниже приведены: сводная таблица для одного дерева из первой выборки (в каждой выборке по 10 деревьев) (таблица 1) и итоговая таблица по выборке № 1, показывающая среднюю величину асимметрии в выборке (таблица 2).

Таблица 1

Измерение значения флуктуирующей асимметрии для дерева № 1 из первой выборки

Номер признака Величина асимметрии листа

№ 1 2 3 4 5

1.1.1 0,018 0,043 0,055 0,034 0,04 0,038

1.1.2 0,012 0,013 0,014 0 0,011 0,010

1.1.3 0,077 0,036 0,084 0,045 0,036 0,056

1.1.4 0,091 0,053 0,053 0,027 0 0,045

1.1.5 0,074 0,098 0,008 0,086 0,114 0,076

1.1.6 0,124 0,092 0,084 0,056 0,136 0,098

1.1.7 0,072 0,06 0,047 0,159 0 0,068

1.1.8 0,047 0,075 0,014 0,024 0,011 0,034

1.1.9 0,094 0,068 0,091 0,048 0,034 0,067

1.1.10 0,024 0,007 0,018 0,015 0,056 0,024

Величина асимметрии 1 дерева КБП 0,052

Для оценки степени нарушения стабильности развития удобно использовать пятибалльную шкалу (таблица 3). По ней 1 балл шкалы принимается за норму. Значения интегрального показателя асимметрии (величина среднего относительного различия на признак), соответствующие

(

первому баллу, обычно наблюдаются в выборках растений, сделанных в благоприятных условий произрастания. Балл 5 наблюдается в крайне неблагоприятных условиях, когда растения находятся в сильно угнетенном состоянии.

Значения показателя асимметрии, соответствующие баллам 3 и 4, обычно характерны для загрязненных районов.

Таблица 2 Таблица 3

Величина асимметрии Бальная оценка показателя

в выборке № 1 флуктуирующей асимметрии [3]

№ дерева Величина асимметрии по всем отобранным листьям дерева

1.1 0,052

1.2 0,036

1.3 0,040

1.4 0,041

1.5 0,049

1.6 0,054

1.7 0,052

1.8 0,029

1.9 0,039

1.10 0,041

Величина асимметрии в выборке 0,043

Балл Величина показателя стабильности развития

I < 0,040

II 0,040-0,044

III 0,045-0,049

IV 0,050-0,054

V > 0,054

Результаты и их обсуждение

Результаты нашего исследования представлены в таблице 4. Самым чистым местом оказались непосредственные окрестности одного из крупнейших химических предприятий страны - объединения «Щекиноазот», что, несмотря на заверения руководства этого предприятия о «чистоте» его выбросов, все же выглядит странным. Тем более что менее чем в 20 км к северу от этого места находится доменное производство Косо-горского металлургического комбината, и, с учетом розы ветров, в зимний период поступление загрязнителей неизбежно. Частично это подтверждается наблюдениями на пункте наблюдения за загрязнениями в расположенном поблизости музее-заповеднике «Ясная Поляна» [8].

Данные стационарных постов наблюдений за загрязнением атмосферы представлены в таблице 5. Степень загрязнения атмосферного воздуха на территории музея-усадьбы Л.Н. Толстого «Ясная Поляна» за 2011 г.

характеризуется как очень высокая и определяется концентрациями формальдегида, метанола, диоксида азота, бензапирена, взвешенных веществ.

Таблица 4

Значения флуктуирующей асимметрии листа клена остролистного из разных мест г. Тулы и Тульской области

№ выборки Место сбора Величина асимметрии в выборке Класс асимметрии

1 Тула, ул. Щегловская засека, д. 59 0,043 II

2 Щекинский р-н, 5 км севернее с. Крапивна. 0,038 I

3 61-й километр дороги Тула-Одоев-Белев 0,036 I

4 Щекино, «Щекиноазот» 0,034 I

5 Комсомольский парк г. Тулы, 2010 г. 0,047 III

6 Комсомольский парк г. Тулы, 2011 г. 0,044 II

Таблица 5

Характеристики загрязнения атмосферного воздуха Музея-усадьбы «Ясная Поляна» за 2011 г. [10]

Исследовано проб (абс.)

В том числе

Пост Наименование а а а а

наблюдения вещества Всего % 1 й

о « о ко 1 о ® 1 о ® Л

ПНЗ №1 Взвешенные вещества 728 727 1* - -

Диоксид серы 1079 1079 - - -

Оксид углерода 2159 2159 10 - -

Диоксид азота 2159 2016 143 2 -

Сероводород 1079 1079 - - -

Аммиак 2159 2154 4 - -

Формальдегид 2159 900 1259 128 11

Бенз/а/пирен 12 7 5 - -

Таблица 5. Продолжение

Исследовано проб (абс.)

В том числе

Пост наблюдения Наименование вещества Всего .р. .р. .р. .р.

о « о "Р о ® 1 но о ® Л

ПНЗ №2 Взвешенные вещества 728 728 - - -

Диоксид серы 1416 1416 - - -

Оксид углерода 2912 2912 - - -

Диоксид азота 2830 2772 58 - -

Оксид азота 1062 1060 2 - -

Сероводород 2830 2830 - - -

Аммиак 2830 2825 5 - -

Формальдегид 2830 1779 1051 89 10

Метанол 726 642 84 5 -

Неудивительны низкие показатели флуктуирующей асимметрии для окрестностей Крапивны и 61-го км Одоевского шоссе. Оба эти места находятся в крупнейшем лесном массиве области - в Тульских засеках, а ближайшим и единственным предприятием-загрязнителем, расположенным по розе ветров в 30-60 км от мест отбора проб, является Черепет-ская ГРЭС, в настоящее время работающая на природном газе.

Оба места отбора проб в г. Туле показали умеренный (Щегловская засека и Комсомольский парк в 2011 г.) и относительно высокий (Комсомольский парк в 2010 г.) уровни загрязнения, что также неудивительно (таблица 6). По данным, предоставленным Министерством природных ресурсов и экологии Тульской области, степень загрязнения атмосферного воздуха в г. Туле за 2011 г. характеризуется как повышенная и определяется концентрациями формальдегида, бензапирена, аммиака, диоксида азота, оксида углерода [2]. Также рядом с Комсомольским парком проходит главная автотранспортная магистраль города, а интенсивность дорожного движения, а также уровень выбросов могут быть подвержены значительным колебаниям от года к году (например, из-за дорожных работ).

Результаты по ул. Щегловская засека близ предприятий «Конструкторского бюро приборостроения», ГН1III «Базальт» и ГН1III «Сплав» свидетельствуют о неблагоприятных, хотя и не критических условиях для произрастания клена остролистного. Вероятно, это связано с тем,

что в 7 км от этого места расположен Криволукский металлургический комбинат ОАО «Тулачермет», являющийся в городе лидером по выбросу вредных веществ в атмосферу. Хотя с его стороны ветры дуют относительно редко, но, возможно, и этого количества поллютантов достаточно для того, чтобы растения реагировали на них.

Таблица 6

Характеристики загрязнения атмосферного воздуха по г. Туле за 2011 г. [2]

Исследовано проб (абс.)

В том числе

Пост Наименование а а & £-

наблюдения вещества Всего ^ ||

1-Н о "Р о о' 1 о ®

КО Л

ПНЗ №1 Взвешенные вещества 914 914 - - -

Диоксид серы 914 914 - - -

Оксид углерода 914 914 - - -

Диоксид азота 914 914 - - -

Оксид азота 914 912 - - -

Аммиак 914 914 - - -

Бенз(а)пирен 12 4 8 - -

ПНЗ №5 Взвешенные вещества 104 104 - - -

Оксид углерода 915 915 - - -

Диоксид азота 915 915 - - -

Формальдегид 915 772 143 - -

ПНЗ №9 Взвешенные вещества 913 913 3 - -

Оксид углерода 894 894 - - -

Диоксид азота 913 912 1 - -

Сероводород 913 912 1 - -

Аммиак 913 913 - - -

Формальдегид 913 903 10 - -

Бенз(а)пирен 12 5 7 - -

Выводы

1. В целом изученный объект (клен остролистный) продемонстрировал связь между уровнем загрязнения воздуха и показателями флуктуирующей асимметрии листьев: в г. Туле показатели асимметрии соответствовали умеренному или относительно сильному загрязнению, а в

контрольных точках лесов Тульских засек в Одоевском и Щекинском районах - незагрязненным участкам.

2. В условиях непосредственной близости от предприятия «Щекино-азот», являющегося мощным источником атмосферных загрязнений, показатели флуктуирующей асимметрии листьев клена остролистного оказались даже ниже, чем на чистых участках в Тульских засеках.

3. Из выводов 1 и 2 следует, что, хотя клен остролистный в большинстве случаев и продемонстрировал некоторые биоиндикаторные признаки по показателю флуктуирующей асимметрии листовой пластинки, этот метод на данном объекте нельзя признать надежным. Вероятно, это растение с применением рассмотренной методики вообще не следует использовать в качестве биоиндикатора качества окружающей среды и, в частности, атмосферного воздуха.

Библиографический список

1. Доклад о состоянии и охране окружающей среды Тульской области в 2003 г. Тула, 2004.

2. Доклад об экологической ситуации в Тульской области за 2011 г. // Министерство природных ресурсов и экологии Тульской области. URL: http://ekolog.tularegion.ru/presscenter/news/press-release_308.html (1ата обращения: 01.07.2015).

3. Здоровье среды: методика оценки / Захаров В.М., Баранов А.С., Борисов В.И. и др. М., 2000.

4. Изотов А.А. Использование высших водных растений как индикаторов состояния окружающей среды: Автореф. дис. ... канд. биол. наук. Калуга, 2003.

5. Кожара A.M. Структура показателя флуктуирующей асимметрии и его пригодность для популяционных исследований // Биол. науки. 1985. № 6. С. 100-103.

6. Козлов М. Стабильность развития: мнимая простота методики (о методическом руководстве «Здоровье среды: методика оценки») // Заповедники и национальные парки. 2001. № 36. С. 23-25.

7. Мелькумов Г.М., Волков Д.Э. Флуктуирующая асимметрия листовых пластинок клена остролистного (Acer platanoides L.) как тест экологического состояния паркоценозов городской зоны // Вестник ВГУ. Сер. «География». 2014. № 3. С. 95-98.

8. Флуктуирующая асимметрия листа рдеста пронзеннолистного (Potamogeton perfoliatus L., Potamogetonaceae) как индикационный показатель качества водной среды / Власова Е.А., Белова П.А., Федорова Т.А. и др. // V Мжрегюн. новорiчнi бюл. читання: зб. наук. праць. Миколагв, 2005. Вып. 5. С. 12-17.

9. Экологическая оценка проекта прокладки автомагистрали / Симанкин А. Ф., Фокина Е.А., Старченкова С. В. и др. // Тульский экологический бюллетень. 2000. № 11. С. 86-90.

10. Экологические проблемы транспортно-дорожного комплекса / Агуре-ев И.Е., Догаев Б.И., Клейнерман А. Л. и др.: Монография. Тула, 2004.