УДК 574.24 Международный государственный экологический университет имени А.Д.Сахарова, г. Минск, Республика Беларусь
advertisement
УДК 574.24 О. В. Лозинская, А. И. Крижевская, С. Б. Мельнов Международный государственный экологический университет имени А.Д.Сахарова, г. Минск, Республика Беларусь СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ЦЕНОПОПУЛЯЦИЙ БЕРЕЗЫ ПОВИСЛОЙ (BETULA PENDULA ROTH), ПРОИЗРАСТАЮЩЕЙ В УСЛОВИЯХ С РАЗНЫМ УРОВНЕМ АНТРОПОГЕННОЙ НАГРУЗКИ Основные исследования проводили в урбанизированных экосистемах и для сравнительной характеристики – на заповедных территориях. Изучали взаимосвязь между уровнем накопления тяжелых металлов и состоянием листовой пластинки березы повислой (Betula pendula Roth.), взятой в качестве биоиндикатора. Выявлены статистически достоверные зависимости воздействия между разными концентрациями солей тяжелых металлов и состоянием популяции березы вблизи промышленных предприятий, автомагистралей и т. д. Ключевые слова: Биоиндикация, стабильность развития, асимметрия, береза повислая, листовая пластинка, КФА (коэффициент флуктуирующей асимметрии) Введение Проблема стабильности любого биогеоценоза затрагивает многие аспекты, в том числе и взаимосвязь животных и растительных организмов со средой их обитания [1]. Растительность является важнейшим компонентом биогеоценоза, обеспечивающим жизнедеятельность других организмов. Изменения растительности под действием различных факторов внешней среды отражаются на состоянии биогеоценоза в целом и используются в диагностике состояния окружающей среды [2]. В значительной степени экологические проблемы, вызванные деятельностью человека, обусловлены включением в миграционные потоки всех основных цепей техногенных токсикантов, в том числе и соединений тяжелых металлов. Растениям отведена роль естественных сорбентов, избыточно содержащихся в почве мобильных форм металлов-токсикантов. Вред, причиняемый мобильными формами соединений металлов, ощутим на уровне растений, губительно влияя на них, а т. к. в биосфере все взаимосвязано и взаимообусловлено, то не вызывает сомнений, что миграция металлов-токсикантов по пищевым цепям приводит к нежелательным последствиям, проявление которых может сказаться и на всей биоте в целом [3]. Одним из перспективных подходов для интегральной характеристики качества среды является оценка состояния живых организмов по стабильности их развития, которая характеризуется, в частности, уровнем флуктуирующей асимметрии морфологических структур. Флуктуирующей асимметрией называют небольшие ненаправленные различия между правой и левой сторонами различных морфологических структур, в норме обладающих билатеральной симметрией. Исследования показывают, что уровень флуктуирующей асимметрии чувствителен к действию химического загрязнения и возрастает при увеличении антропогенного прессинга. Повышение уровня воздействия приводит к возрастанию изменчивости показателей и снижению стабильности. Было отмечено, что морфологические и цитогенетические показатели согласованно изменяются под влиянием внешних факторов [4] . Древесные растения в городских ландшафтах выполняют важнейшие средообразующие и средозащитные функции, связанные с выделением кислорода и фитонцидов, ионизацией воздуха, формированием своеобразного микроклимата. Однако насаждения, произрастающие на урбанизированных территориях, испытывают на себе постоянное отрицательное влияние техногенного загрязнения. Поэтому с каждым годом все большее значение приобретает проблема изучения жизнедеятельности древесных растений в городских условиях. Работы подобного рода традиционно ведутся на березе повислой (Betula pendula Roth.), т. к. для нее характерно активное влияние на метаболизм ионов тяжелых металлов из почв, особенно свинца, олова, ванадия, стронция, серебра, кобальта, меди и цинка [5]. Это является убедительным аргументом при выборе метода фитоиндикации для оценки состояния данного вида в разнообразных ЭКОЛОГИЧЕСКИЙ ВЕСТНИК, 2013, № 4 (26) 103 условиях произрастания (естественных и антропогенных), и использованного для мониторинга качества среды. Исследование популяций березы и почв в местах произрастания растений позволили дать оценку состояния условий обитания на основании морфометрических показателей – асимметрии листовой пластинки, а также оценить эффективность перехода различных соединений ТМ по цепи «растение–биомасса–почва» Методика исследований Работа проводилась в крупном промышленном центре – городе Минске, а также на территории Березинского биосферного заповедника. Сбор материала проводился в мае–июне с деревьев после завершения интенсивного роста листьев, произрастающих в сходных экологических условиях. Материал собран в 30 точках города Минска и в 20 точках на территории Березинского заповедника. В местах произрастания растений был проведен отбор образцов почв, состоящих из 5 точечных проб по стандартной методике [6]. Подготовленную таким образом почву использовали для приготовления «таблетки» массой 48,000–52,000 мкг с целью дальнейшего определения ее элементного состава. Проведен качественный и количественный анализ микроэлементного состава проб из естественных и урбанизированных территорий. Для определения микроэлементного состава в анализируемом материале (листьях и почве) использовался прибор X-Ray spectrometer ElvaX с оригинальным программным обеспечением Elvatech MCA Software. Для определения коэффициента флуктуирующей асимметрии был разработан программный комплекс, состоящий из двух частей. Первая, и основная, представляет собой программу с графическим интерфейсом, предназначенную для замеров основных топологических параметров, таких как длина жилки первого порядка, ширина листа, угол между жилками. Вторая часть программного комплекса – небольшая программа, производящая автоматическую обработку промежуточных данных и сведение результатов измерений в таблицу. В графическом модуле расставляется серия точек, на основании которых производятся измерения по пяти основным показателям. Отметив вершину главной жилки, программа автоматически измеряет ее длину, ширину листа по обе стороны от нее, а при аналогичной расстановке точек на второй жилке еще и угол, под которым вторая жилка отходит от главной. Результаты исследований и их обсуждение Уровни концентраций промышленных предприятий и нагрузки автомобильного потока в различных зонах урбанизированной территории варьировались в широких пределах: от почти их полного отсутствия до наличия выраженного комбинированного воздействия этих факторов среды. Популяции березы повислой (Betula pendula) достаточно часто встречаются на территории г. Минска и охватывают широкий спектр в экологическом плане территорий: наряду с ботаническим садом – Тракторный, Радиаторный заводы, РУП «Белмедпрепараты», автозаправочные станции, ТЭЦ. Данные, полученные по г. Минску, показывают, что степень асимметрии листовой пластинки (в соответствии со шкалой баллов по Захарову (2000г.)), значительно варьирует в разных точках сбора. Наибольшие его значения (>0,060) отмечены в местах интенсивной промышленной инфраструктуры (Радиаторный завод, 1 и 2-ой Велосипедный пер., МТЗ, Минский Мотовелозавод и др.), что является показателем неблагоприятных экологических условий, при которых у растений наблюдается отклонение от нормы в развитии листовой пластинки. Наименьшие значения коэффициента флуктуирующей асимметрии отмечены для территории Ботанического сада и ул. Веснянка. Это позволило на основании среднего значения коэффициента флуктуирующей асимметрии листовой пластинки березы повислой из различных частей города условно выделить на две зоны: «чистый» Минск и «грязный» Минск (табл.1). Таблица 1 Значение КФА по данным морфометрии листовой пластинки Betula pendula Roth. в Минске Точки сбора 1 2 104 Место сбора образцов Ботанический сад (левая сторона) ул. Веснянка (церковь) КФА № п/п 0,035 16 0,038 17 Место сбора образцов ул. ВанееваДолгобродская пр.Независимости КФА 0,048 0,050 ВЛИЯНИЕ И МЕТОДЫ ОЦЕНКИ ПРИРОДНЫХ И АНТРОПОГЕННЫХ ВОЗДЕЙСТВИЙ НА ЭКОСИСТЕМЫ Продолжение табл. 1 3 4 5 6 7 8 9 10 11 ул.Матусевича ул. Володарского ул. Запорожская ул. Одоевского-Бельского ул. Руссиянова Хладкомбинат (ул. Маяковского) пр. Победителей (г-ца Планета) ул. Аэродромная (АЗС) РУП «Белмедпрепараты» ул. Железнодорожная (АС Юго-запад) ул. Немига (маг.Алеся) ул. Железнодорожная, 31 0,045 0,040 0,041 0,046 0,041 18 19 20 21 22 ТЭЦ ул. Бядули З. ул. Алибегова пер. 2-ой Велосипедный ул. Олега Кошевого 0,053 0,051 0,052 0,058 0,058 0,045 23 Радиаторный завод 0,069 0,053 24 ул. Варвашени 0,070 0,045 0,050 25 26 пер. 1-й Велосипедный Долгобродская, 23 Министерство 0,045 12 27 промышленности 0,045 13 28 ул. Шишкина,20 0,046 14 29 Минский мотовелозавод Минский тракторный 0,048 15 ул. Ванеева (АЗС) 30 завод *на сером фоне отмечены точки, находящиеся в зоне «грязного» Минска 0,071 0,071 0,075 0,075 0,079 0,083 По пятибалльной шкале оценки отклонений состояния организма от условий нормы по величине интегрального показателя стабильности развития для березы повислой (Захаров, 2000г.) значение КФА ≥ 0,060 соответствует 5 баллам, что является показателем неблаго- приятных экологических условий, при которых у растений наблюдается выраженное отклонение от нормы в развитии исследованных вегетативных органов, проявляющееся в ее асимметрии. Данные по городу в целом характеризуются высоким значением коэффициента асимметрии. Так, максимальные уровни КФА отмечены для растений, произрастающих в промышленных районах (точка №30 – 0,083, №29 – 0,79, №24 – 0,70 и № 23 – 0,069), на территории, прилегающей к Минскому тракторному заводу – 0,081. Такие показатели свидетельствуют о явном критическом состоянии растительных организмов под воздействием факторов техногенной природы. Тем не менее можно отметить точки, где величина КФА находится в пределах нормы. Наименьшим значением (0,045) характеризуются точки № 1 – 0,035, № 2 – 0,038, № 4 – 0,040 и № 5 – 0,041. Расположение этих точек характеризуется отсутствием явной техногенной нагрузки. Для оценки состояния среды в сравнительном аспекте проанализирован материал, взятый из биосферного заповедника. Анализ полученных данных показал, что даже в условиях заповедности места произрастания березы повислой показатели флуктуирующей асимметрии также неравнозначны (табл.2). Популяции березы в окрестностях д. Крайцы находятся практически в абсолютно заповедной зоне и являются наиболее старыми по возрастному составу. Так, популяции из окрестностей д. Кветче и д. Домжерицы находятся в районе движения автотранспорта. Популяция вблизи метеостанции наименее подвержена антропогенному воздействию. Таблица 2 Значение КФА по данным морфометрии листовой пластинки Betula pendula в Березинском заповеднике № п/п Место сбора образцов Среднее значение КФА № п/п Место сбора образцов Среднее значение КФА 1 д. Домжерицы 0,041 3 д. Крайцы 0,037 2 д. Домжерицы 0,038 4 д. Кветче 0,039 (метеостанция) На территории Березинского заповедника степень вариации коэффициента флуктуирующей асимметрии незначительна. Для д. Домжерицы (метеостанция) КФА составляет 0,038, д. Кветче – 0,039, д. Крайцы – 0,037, д. Домжерицы (0,041). В соответствии с пятибалльной шкалой растения ЭКОЛОГИЧЕСКИЙ ВЕСТНИК, 2013, № 4 (26) 105 во всех выбранных точках на территории биосферного заповедника испытывают слабое влияние антропогенных факторов (1 балл) и являются индикаторами благоприятных условий обитания. Усредненные значения КФА в Березинском заповеднике статистически значимо отличаются от среднего значения КФА по Минску (0,039 ± 0,002 против 0,051 ± 0,003) с уровнем значимости p < 0,0001. При ранжировании группы «весь Минск» и последующим сравнении было выявлено, что статистически значимых различий нет между значениями КФА Березинского заповедника и «чистым» Минском, в то время как «грязный» Минск статистически значимо отличается от «чистого Минска», Березинского заповедника и значений КФА по Минску в целом (p < 0,0001). Рис. 1. Сравнение средних значений КФА по группам: Березинский заповедник, г. Минск, «чистый» Минск, «грязный» Минск Таким образом, наши результаты свидетельствуют о том, что показатель состояния листовой пластинки, выраженный в баллах, может использоваться в качестве характеристики условий обитания качества среды в местах произрастания березы повислой и применяться при проведении мониторинга окружающей среды с помощью данного фитоиндикатора. В процессе выполнения работы выявлен микроэлементный состав листовой пластинки Betula pendula Roth., а также уровень накопления солей тяжелых металлов, одного из факторов, отражающих степень антропогенного воздействия на конкретную экологическую систему. Для анализа было отобрано 10 надежно количественно определенных элементов: Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Sr, Cd, Pb. Самые высокие концентрации тяжелых металлов и микроэлементов характерны для точек сбора, относящихся к условно «грязной» территории г. Минска, таких как МТЗ, пер. 2-ой Велосипедный, ул. Олега Кошевого, Радиаторный завод, ул. Варвашени, пер. 1-й Велосипедный, МГЭУ, Министерство промышленности, ул. Шишкина, ММВЗ и МТЗ. Данные точки сбора расположены в Автозаводском районе, где сконцентрирован промышленный комплекс в сочетании с хорошо развитой инфраструктурой, а значит, и с высоким уровнем автотранспортной нагрузки. В случае с железом, никелем, медью и кадмием были найдены статистически значимые различия не только при сравнении Березинского заповедника с Минском, но и при сравнении значений по этим элементам в группах «чистый Минск» и «грязный Минск». Результаты лабораторного анализа относительно содержания свинца в листовой пластинке популяций березы, произрастающей в разноплановых экологических условиях, не выявили достоверных различий. Среднее значение содержания стронция, относящегося к основным неорганическим токсикантам, в группе «чистый» Минск (23,658 ± 14,463 мкг/г) вдвое больше содержания этого же элемента в группе Березинский заповедник (16,176 ± 8,769 мкг/г, р < 0,001), взятого нами в качестве контроля, по причине незначительной антропогенной нагрузки на эту территорию. При сравнении групп «грязный» Минск и Березинского заповедника также выявлены статистически значимые различия (р < 0,001) между содержанием стронция (0,197 ± 0,116мкг/г) и (0,063 ± 0,110мкг/г) соответственно. Минимальное содержание никеля характерно для проб, собранных в точках группы «чистый» Минск (0,420 ± 0,255 мкг/г), по Березинскому заповеднику концентрация равнялась 0,479 ± 0,268 мкг/г, для точек, относящихся к группе «грязный» Минск, − 0,684±0,373 мкг/г, что соответствует максимуму среди обследованных нами территорий, по причине высокой антропогенной нагрузки (разница статистически значима при p < 0,001). Средняя концентрация железа увеличивается с ростом антропогенной нагрузки, так, для Березинского заповедника характерна минимальная концентрация (30,630 ± 18,151мкг/г), для точек 106 ВЛИЯНИЕ И МЕТОДЫ ОЦЕНКИ ПРИРОДНЫХ И АНТРОПОГЕННЫХ ВОЗДЕЙСТВИЙ НА ЭКОСИСТЕМЫ сбора в условной зоне «чистый» Минск отмечено увеличение содержания железа примерно вдвое; в зоне «грязный» Минск концентрация соответствовала своему максимальному значению среди обследованных нами территорий − 83,700 ± 49,978 мкг/г (разница статистически значима при p < 0,001. Наименьшее значение концентрации меди было выявлено в листовых пластинках березы повислой, произрастающей на контрольной территории Березинского заповедника. (2,665 ± 1,594 мкг/г). С ростом антропогенного воздействия наблюдается увеличение содержания концентрации меди, так, для условно «чистых» территорий г. Минска средняя концентрация равна 4,660 ± 2,640 мкг/г, для точек, расположенных в условно «грязной» зоне г. Минска, − 6,854 ± 3,788 мкг/г (разница статистически значима при p < 0,001). Самые высокие концентрации тяжелых металлов и микроэлементов характерны для точек сбора, относящихся к условно «грязной» территории г. Минска, таких как МТЗ, пер. 2-ой Велосипедный, ул. Олега Кошевого, Радиаторный завод, ул. Варвашени, пер. 1-й Велосипедный, МГЭУ, Министерство промышленности, ул. Шишкина, ММВЗ и МТЗ. Данные точки сбора расположены в Автозаводском районе, где сконцентрирован промышленный комплекс в сочетании с хорошо развитой инфраструктурой, а значит, и с высоким уровнем автотранспортной нагрузки. В случае с соединениями железа, никеля, меди и кадмия были найдены статистически значимые различия не только при сравнении Березинского заповедника с Минском, но и при сравнении значений по этим элементам в группах «чистый» Минск и «грязный» Минск» (табл. 3) Таблица 3 Присутствие статистически значимых различий по содержанию тяжелых металлов между группами (Березинский заповедник − «чистый Минск»; Березинский заповедник − «грязный» Минск; «чистый» Минск – «грязный» Минск) Группы Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Sr Cd Pb Березинский заповедник и «чистый» Минск. – – + + + + + + + – Березинский заповедник и «грязный» Минск – + + + + + + + + – «чисты» Минск и «грязный» Минск – – + – + + – – + – Проанализировав значения коэффициента флуктуирующей асимметрии листовых пластинок Betula pendul a и уровень содержания в листьях микроэлементов, можно предположить, что высокие концентрации железа, никеля, меди и кадмия в листовой пластинке березы могут быть причиной высоких значений коэффициента флуктуирующей асимметрии. Для этого был использован корреляционный анализ. Таблица 4 Корреляционный анализ уровня флуктуирующей асимметрии от содержания микроэлементов Элемент КФА «грязный» Минск Элемент КФА «грязный» Минск Cr –0,002 Cu 0,047 Mn –0,060 Zn –0,021 Fe –0,044 Sr –0,030 Co –0,007 Cd –0,026 Ni 0,470 (p < 0.05) Pb –0,052 Как видно из таблицы, выявлена прямая корреляция (R = 0,47) между содержанием никеля и высокими значениями коэффициента флуктуирующей асимметрии (p < 0.05). Также с помощью регрессионного анализа было выявлено, что вклад в высокие значения коэффициента флуктуирующей асимметрии листовой пластинки березы повислой вносят снижение содержания марганца (R = –0,060) и повышение концентрации меди (R = 0,047), но в меньшей степени, чем высокое содержание никеля. Выводы В результате проведенных исследований установлено влияние уровня содержания тяжелых металлов на морфометрические характеристики популяций березы, сказавшиеся в различной степени ЭКОЛОГИЧЕСКИЙ ВЕСТНИК, 2013, № 4 (26) 107 асимметрии листовой пластинки, свидетельствующие о перспективности использования B. рendula в качестве объекта для биоиндикации. Показано, что популяции исследуемого вида, встречающиеся на территории биосферного заповедника, наименее подвержены изменению билатерального строения листовой пластинки и уровень содержания в них тяжелых металлов минимален в сравнении с территорией г. Минска. Это дает основание считать биогеоценозы Березинского государственного биосферного заповедника стабильными, а экологическую обстановку наиболее благополучной. Полученная в результате фитоиндикационной оценки окружающей среды информация может стать основой для любых дальнейших исследований качества среды, обеспечения сохранения биоразнообразия и благоприятности среды для живых организмов. Список литературы 1. Онтогенез и популяция: оценка стабильности развития в природных популяциях / В. М. Захаров [и др.] // Онтогенез. – 2001. – №6. –С. 404–421. 2. Кряжева, Н. Г. Анализ стабильности развития березы повислой в условиях химического загрязнения / Н. Г. Кряжева, Е. К. Чистякова, В. М. Захаров // Экология. – 1996. – №6. – C. 441–444. 3. Алексеенко, В. А. О закономерностях накопления химических элементов растениями / В. А. Алексеенко – Москва : 1994. – 267 с. 4. Кавеленова, Л. М.Экологические основы и принципы построения системы фитомо­ ниторинга урбосреды в лесостепи / Л.М. Кавеленова // Вес. Сам ГУ. – 2003. № 2 – С. 182–191. 5. Мокров, И. В. Биоиндикационное значение флуктуирующей асимметрии листовой пластинки березы повислой (BetulapendulaRoth.) в рекреационных зонах крупного промышленного центра и на особо охраняемой природной территории (на примере Нижегородской области): автореф. дис. канд. биол. наук:07.00.12 / И. В. Мокров; Н. Новгор. Гос. ун-т. – Н. Новгород, 2005. – 24 с. 6. Методические рекомендации по выполнению оценки качества среды по состоянию живых существ: учеб.-метод. рекомендации. от 16 окт. 2003 г. № 460. – Распоряжение Росэкологии. O. Lozinskaya, A. Krizshevskaya, S. Melnov THE COMPARATIVE ANALYSIS OF THE STATE OF BIRCH (BETULA PENDULA ROTH), CENOPOPULATIONS , GROWING IN ENVIRONMENT WITH DIFFERENT LEVELS OF ANTHROPOGENIC PRESSURE Abstract The investigation were carrying out in the urbanized ecosystems and in reserved territories for the comparative characteristics of Betula pendula Roth. The influence of heavy metals compaunds on a condition of a leafy plate (fluctuating asymmetry) that had been taken as bioindicator was studied. Nature of influence of different concentration of TM on birch population near the industrial enterprises, highways, etc. is revealed. 108 ВЛИЯНИЕ И МЕТОДЫ ОЦЕНКИ ПРИРОДНЫХ И АНТРОПОГЕННЫХ ВОЗДЕЙСТВИЙ НА ЭКОСИСТЕМЫ
