CC BY
106
УДК 528.7:574
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МЕТОДА КОМПЬЮТЕРНОГО АНАЛИЗА ЦИФРОВЫХ ИЗОБРАЖЕНИЙ В БИОИНДИКАЦИОННЫХ ИССЛЕДОВАНИЯХ
Евгения Ивановна Баранова
Сибирский государственный университет геосистем и технологий, 630108, Россия, г. Новосибирск, Плахотного, 10, кандидат технических наук, доцент кафедры экологии и природопользования, тел. (383)361-08-86, e-mail:[email protected]
Анна Юрьевна Луговская
Сибирский государственный университет геосистем и технологий, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, аспирант кафедры экологии и природопользования, тел. (383)361-08-86, e-mail: [email protected]
В данной статье предложены методы компьютерного анализа цифровых изображений для определения морфологических характеристик конкретных биологических объектов разных уровней в биоиндикационных исследованиях. Экспериментальная апробация осуществлялась на примере таких биоиндикаторов, как листовые пластины Pentaphylloides fruticosa (L.) O.Schwarz - пятилистника кустарникового и пыльцевые зерна злаковых растений вида Тонконог.
Ключевые слова: компьютерный анализ, цифровые изображения, биоиндикационный подход, листовые пластины Pentaphylloides fruticosa (L.) O.Schwarz, пыльцевые зерна Koele-ria delavignei.
USE OF THE METHOD OF THE COMPUTER ANALYSIS OF DIGITAL IMAGES IN BIOINDICATOR RESEARCHES
Yevgeny I. Baranova
Siberian State University of Geosystems and Technologies, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo St., Ph. D., associate prof., Department of Ecology and Natural Resources Management, tel. (383)361-08-86, e-mail: [email protected]
Anna Yu. Lugovskaya
Siberian State University of Geosystems and Technologies, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo St., Post-graduate, Department of Ecology and Natural Resources Management, tel. (383)361-08-86, e-mail: [email protected]
In this article methods of the computer analysis of digital images for definition of morphological characteristics of concrete biological objects of different levels in bioindicator researches are offered. Experimental approbation was carried out on the example of such bioindicators as sheet plates of Pentaphylloides fruticosa (L.) O.Schwarz - of a cinquefoil shrubby and pollen grains of cereals of a type of Koeleria delavignei.
Key words: Computer analysis, digital images, bioindicator approach, sheet plates of Pentaphylloides fruticosa (L.) O.Schwarz, pollen Koeleria delavignei grains.
В последнее время, для интегральной оценки состояния окружающей среды стало актуальным применение биоиндикационного подхода, основанного на оценке морфометрических параметров. Это связано с тем, что при антропогенном воздействии листья растений и пыльца не только меняют окраску, но и
имеют аномальную конфигурацию. Проявление таких отклонений является результатом несовершенства онтогенетических процессов, т.е. неспособностью организма развиваться по определенным путям. Иными словами, изменение морфологических характеристик является показателем степени соответствия условий среды требованиям организма. Таким образом, речь идет о качестве среды, которое непосредственно воздействует на здоровье живых организмов.
Цель данной работы состояла в оценке применимости компьютерных методов анализа цифровых изображений для определения морфологических характеристик конкретных биологических объектов разных уровней в биоиндикационных исследованиях.
Экспериментальная апробация осуществлялась на примере таких биоиндикаторов, как листовые пластины Pentaphylloides fruticosa O.Schwarz - пяти-листника кустарникового и пыльцевые зерна злаковых растений вида Тонконог.
Разнокачественность и многоуровневость таксономического разнообразия предусматривают разносторонние подходы к его изучению. Так, при исследовании листовых пластин Pentaphylloides fruticosa (L.) O.Schwarz - пятилистника кустарникого семейства Яовасеае применялся метод цифровой макросъемки, что обеспечивает изучение формы и структуры поверхности отдельных органов растений.
Растения представляют собой сильноветвистый кустарник высотой до 1,5 м с непарноперистыми листьями, обычно с 5-ю, изредка 7-ю листочками и золотисто-желтыми крупными цветками, собранными обычно на концах побегов. Цветение продолжительное (июнь-август), плоды созревают в августе - сентябре. Этот вид широко распространен в восточной Сибири, на Дальнем востоке, Алтае, Урале и на Кавказе.
Для исследования взяты растения лапчатки кустарниковой, высаженные на газоне вдоль автомобильной магистрали по ул. Шамшурина в Железнодорожном районе г. Новосибирска саженцами из Центрального сибирского ботанического сада СО РАН (ЦСБС СО РАН) и растения, выращенные на интродукционном участке ЦСБС СО РАН, расположенном среди лесного массива в относительно благоприятном с экологической точки зрения районе (Советский район, Академгородок), принятом за контроль.
Согласно данным ряда авторов (Ильин, Сысо, 2001; Пивкин, Чиндяева, 2002) Железнодорожный район относится к районам с неблагоприятной экологической ситуацией. В 2008 г. в течение вегетационного периода основными загрязняющими веществами, дающими превышения ПДК, в Железнодорожном районе по данным Западно-Сибирского ЦМС г. Новосибирска зафиксированы пыль, азота диоксид, аммиак, оксид углерода, формальдегид, 3,4-бенз(а)пирен, не обнаружено диоксида серы. Для сравнения взяты результаты по содержанию примесей в воздухе Советского района.
Важное преимущество цифровых изображений, получаемых в режиме «макро», в детальном отображении структур поверхности органов растений, что позволяет в некоторых случаях отказаться от микросъемки как более трудоемкого способа [1]. Исходя из этого, для измерения метрических параметров
листа пятилистника кустарникового проводилась съемка цифровой камерой в режиме «макро», с последующей обработкой снимков и интерпретацией результатов средствами геоинформационных технологий и электронных таблиц, используя программное обеспечение MapInfo и Microsoft Excel.
Исходное изображение сначала преобразовывалось в декартову систему координат, затем проводилась векторизация растровых изображений с последующим вычислением морфометрических характеристик листовой пластинки -длины, ширины, площади, периметра; измеряли длину годичного побега и флуктуирующую асимметрию, так же подсчитывали количество листьев на нем [2].
Анализ морфологических признаков и флуктуирующей асимметрии пяти-листника кустарникового показал, что в условиях города площадь листовой пластинки сократилась на 54%, периметр - на 41%, длина и ширина листовой пластины - на 32% и 28% соответственно, длина черешка снизилась на 31%, длина годичного побега - на 37%, количество листьев на побеге - на 12% по сравнению с контрольными образцами. Кроме того, флуктуирующая асимметрия листьев пятилистника кустарникового в городских условиях составила 0,182 (загрязненная), а на контрольном участнике - 0,040 (условно чистая).
В результате установлено, что растения P.fruticosa проявляют реакцию в ответ на промышленно-транспортное влияние в городе, заключающееся в сокращении размеров ассимиляционных органов, длины годичных побегов, черешка листа.
Следующий объект исследования - пыльцевые зерна злаковых растений вида Тонконог, морфологические признаки которых значимы для выявления внутривидовых различий, а также опосредованно характеризуют экологическое состояние окружающей среды.
Данный вид - Тонконог (Koeleria delavignei ) распространен в лесостепной зоне от Днепра до Енисея. Более или менее одюродный в западной части ареала, в восточной - содержит несколько форм, различающихся в разных таксономических рангах. Виды этих семейств распространены во всех растительных зонах и поясах Сибири. В низкогорьях и предгорьях Северного Алтая встречаются растения Koeleria delavignei, отличающиеся волосистостью всех частей растения.
Материал для исследования получены с гербарных образцов (NSK) ЦСБС СО РАН, взятых из нескольких пунктов распространения вида - Чановского района (Барабинская степь), Курганской области (степная зона), Украины (заливные луга), Ленинградской области.
Изображения поверхности пыльцевых зерен были получены на широко -форматной негативной пленке при использовании сканирующего электронного микроскопа. Микрофотографии получены при увеличении от 1 500 до 50 000 крат. Преобразование негативных изображений в цифровую форму выполнено с помощью сканера с разрешением 1200 dpi. Дальнейшая идентификация отдельных элементов структуры пыльцевых зерен проводилась при визуальном рассматривании изображений с увеличением на мониторе [3].
Для каждого пыльцевого зерна определялась: форма и размеры пыльцы и оперулума, ширина и высота ободка, диаметр поры, количество бугорков (степень зернистости) на единицу площади, скульптура поверхности экзины, а у пыльников - размеры поверхности тапетума и диаметры орбикул. Результаты интерпретировались средствами геоинформационных технологий и электронных таблиц, также, как и в вышепредставленном исследовании, используя программное обеспечение MapInfo и Microsoft Excel.
Всего обработано более шестидесяти микроизображений пыльцевых зерен вида Тонконог Делявиня из различных пунктов произрастания. Вычислены морфологические характеристики каждого пыльцевого зерна. Пыльцевые од-нопоровые, шаровидные, в очертании округлые; от 24,4 до 33,5 мкм в ширину и от 28,8 до 37,2 мкм в длину. Пора округлая, с ободком, в диаметре от 5 до 11,0 мкм, выступающая над поверхностью, высота поднятия в сред-1,5 мкм, ободок поры хорошо заметный, с ровным или несколько волнистым наружным краем, толщиной, в среднем, 2,7 мкм. Отверстие поры округлое, с диаметром от 1,9 до 5,1 мкм. Оперкулум округлый или слегка овальный, от 1,1 до 3,3 мкм в диаметре, негладкий, зернистый, погруженный, с неровными краями. Скульптура поверхности зернистая (или зернистобугорчатая), со слабо выявленными площадками. Форма площадок слабо вытянута, средняя площадь - 0,7 мкм, густота размещения бугорков в среднем 4,8 шт/мкм2.
В целом выполнено сравнительно-морфологическое исследование пыльцы у видов рода Тонконог (Koeleria, сем. Poaceae) из разных местонахождений, отличающихся экологическими условиями. Впервые для многих видов с помощью электронного микроскопа получены изображения, по которым выполнено объективное описание пыльцевых зерен в целом, их пыльников и деталей поверхности.
Таким образом, с использованием разработанных методических подходов, цифровых методов обработки изображений и ГИС проанализирован большой фактический материал и получены новые сведения об особенностях биологических объектов разного уровня, необходимые для индикации экологического состояния окружающей среды.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Храмова Е. П., Тарасов О. В., Трубина Л. К. Использование метода компьютерного анализа изображений в ботанических исследованиях // ГЕ0-Сибирь-2008. IV Междунар. науч. конгр. : сб. материалов в 5 т. (Новосибирск, 22-24 апреля 2008 г.). - Новосибирск: СГГА, 2008. Т. 3, ч. 2. - С. 3-7.
2. Луговская А. Ю., Храмова Е. П., Трубина Л. К. Оценка влияние транспортно-промышленного загрязнения на морфологические и биохимические показатели Pentaphyoides fruticosa // Растительный мир Азиатской России, 2014. № 1.- С. 71-76.
3. Трубина Л. К., Беленко О. А., Дюхина Е. И. Новый подход к представлению объектов растительного и животного мира в базах данных // ГЕО-Сибирь-2008. IV Междунар. науч. конгр. : сб. материалов в 5 т. (Новосибирск, 22-24 апреля 2008 г.). - Новосибирск: СГГА, 2008. Т. 3, ч. 2. - С 47-49.
© Е. И. Баранова, А. Ю. Луговская, 2015
