A comparative environmental assessment using bioindicator plants in conditions of anthropogenic impact of Saransk and Insar

Full Text

Введение

Озеленение крупных промышленных центров имеет важное средоохранное значение. Зеленые растения в городе выполняют не только декоративно-планировочную, но и санитарно-гигиеническую роль [1, с. 89]. Они снижают уровень шума и загрязнения пылью и газами, защищают от ветров и увлажняют сухой воздух. Выделяя биологически активные вещества – фитонциды – они убивают или сильно тормозят развитие болезнетворных микроорганизмов. Однако зеленые растения в городе постоянно испытывают на себе отрицательно действующее техногенное загрязнение [2, с. 1654].

Основными источниками загрязнений являются предприятия электроэнергетики, строительных материалов, светотехнической промышленности, а также растущее из года в год количество объектов автотранспорта. Промышленное и автотранспортное загрязнение городов способствует возникновению многочисленных хронических заболеваний [3].

В условиях Республики Мордовия 39% населения проживает в условиях постоянного воздействия загрязняющих веществ [4, с. 15]. Ежегодные исследования свидетельствуют о том, что в регионе нет устойчивой тенденции по снижению выбросов, а в отдельные годы, наоборот, наблюдается увеличение количества выбросов от промышленных предприятий [5, с. 21]. Поэтому с каждым годом важнейшее значение приобретает проблема изучения жизнедеятельности древесных растений в городских условиях. Находясь под постоянным техногенным воздействием, зеленые растения вынуждены приспосабливаться к нему с помощью анатомо-морфологических и физиолого-биохимических адаптаций.

Одним из основных методов, применяемых для оценки состояния экосистем крупных городов, является мониторинг зеленых насаждений. Целью мониторинга является получение исходных данных для многофакторного корреляционного анализа состояния растений и совокупности воздействующих факторов; создание банка данных о состоянии зеленых насаждений в целом по городу с учетом многообразия растительности, факторов воздействия, многовариантности мер по сохранению и защите зеленых насаждений; разработка рекомендаций по подбору ассортимента древесных и кустарниковых пород в зависимости от условий среды и видов негативного воздействия [6, с. 32]. В рамках мониторинга может исследоваться биоразнообразие растений, определяться возрастной состав, репродуктивные возможности [7, с. 141], цитогенетические исследования [8].

Этому направлению изучения окружающей среды много внимания уделяется на кафедре биологии, географии и методик обучения Мордовского государственного педагогического института имени М.Е. Евсевьева (МГПИ). Преподаватели для проведения мониторинговых работ часто привлекают школьников города, а результаты такой деятельности находят свое отражение в школьных научно-исследовательских работах, с которыми учащиеся выступают на различных экологических конференциях и конкурсах [9, с. 107].

Часто состояние растений оценивается по доле усыхающих и сухостойных деревьев как хорошее, удовлетворительное или неудовлетворительное. Кроме этого, производится подробная морфометрическая характеристика, учитываются физические повреждения. Из вышеперечисленного наиболее важными с точки зрения характеристики состояния растений являются показатели степени усыхания деревьев. Следует отметить, что использование этих показателей возможно, когда влияние неблагоприятных факторов уже привело к достаточно серьезным нарушениям состояния деревьев и нарушения эти имеют зачастую необратимый характер [10, с. 53].

В то же время существует острая необходимость в дополнительных показателях для более тонкого контроля состояния растений – системы раннего реагирования для обнаружения начальных стадий ухудшения ситуации, когда при принятии соответствующих мер еще можно поправить дело. В этом случае лучше учитывать показатели состояния организмов разных видов.

В качестве объектов для тонкой оценки состояния зеленых насаждений предлагаются разные виды древесных растений: березу повислую (Betula pendula Roth), липу мелколистную (Tilia cordata Mill.), тополь черный (Populis nigra L.), каштан конский (Aesculus hippocostanum L.) и др.

На территории г. Саранска в зеленых насаждениях наиболее распространена береза бородавчатая (повислая). Betula pendula Roth – одна из наиболее выносливых местных пород и имеет широкую экологическую амплитуду. Растет на сухих и влажных песчаных, суглинистых, черноземных и щебнистых почвах. В естественных условиях растет быстро, хорошо возобновляется порослью и самосевом [11, с. 83].

Наиболее распространенным из биоиндикационных методов является метод флуктуирующей асимметрии организмов [12, с. 26; 13, с. 160]. Под флуктуирующей асимметрией понимают незначительные и случайные отклонения от строгой билатеральной симметрии живых объектов или их частей. Флуктуирующая асимметрия позволяет оценить нестабильность развития организма, ее уровень будет минимальным лишь при оптимальных условиях среды и возрастает при любых стрессовых воздействиях [14, с. 16; 6, с. 24].

Место и методы исследования

Исследования проводились осенью 2016–2017 гг. в двух городах Республики Мордовия: г. Саранск – столица республики – крупный культурный и промышленный центр; г. Инсар – районный центр Инсарского района Республики Мордовия. Березовые листья были собраны произвольно с растущих деревьев приблизительно одного возраста в следующих точках г. Саранска: 1-й – в березовых посадках зеленой зоны МГПИ в юго-западной части города; 2-й – около завода АО «Биохимик», в промышленном центре города. В г. Инсар участки располагались: 3-й – в смешанном лесу в 3-х км от г. Инсар; 4-й – около АО «Неон», занимающейся производством электротехнических машин, оборудования и аппаратуры.

При сборе материала для определения флуктуирующей асимметрии строго придерживались методических требований В.М. Захарова и др. [15].

В качестве критериев оценки антропогенного воздействия рассматривались энергия прорастания, всхожесть семян, раннее развитие корешков и проростков. Энергия прорастания и всхожесть семян определены в соответствии с ГОСТ 13056.6-98 [16]. Для определения всхожести семян и энергии прорастания с каждого участка отбирались по 100 семян в 3-х повторностях.

Для проведения биометрических исследований раннего развития предварительно проращивали проростки до 4-х дневного возраста. У образцов измеряли длину корешков и побега, а также определяли коэффициент изменчивости данных параметров.

Результаты исследования и их обсуждение

В ходе проведенного исследования 2016–2017 гг. мы определили уровень флуктуирующей асимметрии у листовых пластинок березы бородавчатой в разных условиях антропогенного воздействия, что позволило определить состояние здоровья среды, в которой растут деревья (таблица 1).

 

Таблица 1 – Величина асимметрии листовой пластинки Betula pendula

Место исследования	Величина асимметрии листа	Оценка состояния, балл	Качество среды
2016 г.
участок 1	0,043	2	начальные (незначительные) отклонения от нормы
участок 2	0,093	5	критическое состояние
участок 3	0,039	1	условно нормальное
участок 4	0,056	5	критическое состояние
2017 г.
участок 1	0,046	3	средний уровень отклонений от нормы
участок 2	0,077	5	критическое состояние
участок 3	0,030	1	условно нормальное
участок 4	0,070	4	существенные (значительные) отклонения от нормы

 

Анализируя данные таблицы 1, можно сделать вывод о том, что на всех выбранных участках интегральный показатель флуктуирующей асимметрии различен, что свидетельствует о разной степени антропогенной нагрузки на тот или иной исследуемый участок. Минимальным коэффициентом характеризуется выборка листьев березы в смешанном лесу у г. Инсара (0,030–0,039), здесь качество среды согласно классификации можно оценить как «условно нормальное». В зеленой зоне МГПИ интегральный показатель (0,043–0,046) характеризует местность как «средний уровень отклонения от нормы», это говорит о том, что растения в этом районе испытывают среднее влияние неблагоприятных факторов. Очевидно, что показатели стабильности развития у выборок, взятых около заводов (0,056–0,070 – «Неон», 0,077–0,093 – «Биохимик»), указывают на высокий уровень антропогенного воздействия. Это доказывает, что неблагоприятное состояние окружающей среды районов заводов «Биохимик» и «Неон» находит отражение в показателях асимметрии листьев березы бородавчатой – он становится выше.

Замечено, что не только вегетативные, но и генеративные органы древесных растений реагируют на антропогенные воздействия. От негативного техногенного воздействия страдают цветки, семена и плоды [17, с. 69], снижается качество пыльцы [18, с. 179; 19, с. 605].

Плоды березы продолговато-эллиптические, с крылышками, в 2–3 раза превышающими по ширине орешек. Семена жёлтые, 1,5–2 мм длиной и 1 мм шириной. Вес 1 тыс. семян 0,17–0,2 г. Цветет береза в мае, до распускания листьев [11, с. 84]. Плоды созревают в августе-сентябре и начинают рассеиваться с конца лета до середины зимы. Плодоношение ежегодное, начинается с 20–25 лет.

Проращивание семян березы, собранных на исследуемых участках с разным уровнем антропогенного воздействия показала неодинаковый уровень всхожести и энергии прорастания (рис. 1).

 

 

Рисунок 1 – Всхожесть и энергия прорастания семян березы, %

 

Максимальная всхожесть семян (52%) и энергия прорастания (34%) отмечалась у семян березы в смешанном лесу у г. Инсар. Несколько ниже эти показатели отмечены в зеленой зоне МГПИ (45% и 21% соответственно). В условиях интенсивного антропогенного воздействия (заводы «Биохимик» в Саранске и «Неон» в Инсаре) всхожесть семян снизилась почти в 2 раза, энергия прорастания – в 3 и более раз.

Размеры плодов березы в выборках по участкам были в среднем относительно постоянными (5,2–5,8 мм), однако коэффициент изменчивости по высоте и ширине – значителен (таблица 2). По исследуемым признакам получены достоверные результаты.

 

Таблица 2 – Размеры плодов и коэффициент вариации березы бородавчатой

Место исследования	Длина плода, мм (M ± m)	Сᵥ по длине плода, %	Ширина плода, мм (M ± m)	Сᵥ по ширине плода, %
Участок № 1	5,1 ± 0,76	28	3,1 ± 0,13	22
Участок № 2	6,0 ± 0,36*	30	3,2 ± 0,21	31
Участок № 3	5,2 ± 0,31*	30	3,1 ± 0,42	38
Участок № 4	5,4 ± 0,51	47	3,2 ± 0,25	3,1

Примечание. Отличие достоверно при * р < 0,05.

 

Как видно из таблицы 2, максимальная длина и ширина плодов наблюдается в местах с интенсивной антропогенной нагрузкой: г. Саранск – завод «Биохимик», г. Инсар – завод «Неон», отличия семян по ширине менее значительны, чем по длине.

Одним из показателей морфологической изменчивости является коэффициент изменчивости (Сᵥ). Он не зависит от единиц измерения, поэтому удобен для сравнительной оценки различных выборочных совокупностей – он позволяет получить информацию об особенностях норм реакций разных видов растений и их признаков [20, с. 228].

Наглядно коэффициенты изменчивости исследуемых признаков плодов березы представлены в таблице 2 и на рисунке 2. Результаты показывают, что коэффициент изменчивости может существенно колебаться.

 

 

Рисунок 2 – Коэффициент вариации размеров семян B. pendula на исследуемых участках

 

При сравнении значений Сᵥ по всем участкам наибольшее значение коэффициента вариации (47%) по длине плода наблюдается в районе завода «Неон», в то же время коэффициент вариации по ширине плода на этом участке минимальный. Наибольшее значение Сᵥ по ширине плода (38%) мы видим на участке смешанного леса в Инсарском районе.

Известно, что если коэффициент вариации меньше 10% – изменчивость незначительная, больше 10%, но меньше 20% – изменчивость средняя; если больше 20% – изменчивость значительная [20]. На основании полученных результатов мы можем сделать вывод о том, что коэффициент вариации на всех участках больше 20% – это свидетельствует о значительной изменчивости признака на всех участках.

Прорастание семян является одним из самых сложных и важных этапов в онтогенезе растений. На ранние ростовые показатели влияют как внутренние, так и внешние факторы, в том числе и вещества, которые накапливаются в процессе жизнедеятельности в растениях.

Проращивание семян березы с разных участков и получение из них проростков, выявило неодинаковый темп их прорастания (таблица 3). Максимальной (25–26 мм) длина проростков наблюдалась на участках в смешанном лесу (Инсарский район) и зеленой зоне МГПИ (г. Саранск), размеры проростков на этих участках достоверно различимы. Однако длина корней на этих участках была меньше по сравнению с участками с техногенным воздействием (таблица 3, рисунок 3).

 

Таблица 3 – Ранние ростовые показатели и их изменчивость у Betula pendula

Место исследования	Длина стебля, мм	Сᵥ	Длина корня, мм	Сᵥ
Участок № 1	26,4 ± 0,76*	20	5,8 ± 0,29*	30
Участок № 2	18,4 ± 0,71	20	7,8 ± 0,71	49
Участок № 3	25,9 ± 0,89*	22	6,9 ± 0,51*	40
Участок № 4	17,3 ± 0,56	15	8,4 ± 1,65	53

Примечание. Отличие достоверно при * р < 0,05.

 

 

Рисунок 3 – Соотношение ранних ростовых показателей проростков березы на исследуемых участках, мм

 

Коэффициент вариации по длине стебля проростков березы исследуемых участков колебался от среднего (15%) до значительного (20–22%). Изменчивость длины корней проростков была очень значительной – 30–53%, особенно она была высока у прорастающих семян, собранных с территории АО «Неон».

Выводы

Таким образом, проведенные исследования показали, что условия среды обитания непосредственно воздействуют на морфометрические и репродуктивные характеристики растений. В большей степени в условиях возрастания антропогенного воздействия проявляется реакция биоморфологических параметров березы бородавчатой. При использовании метода флуктуирующей асимметрии его интегральные показатели показали реакцию растений на возрастание техногенного воздействия в условиях города. Показательными в этом отношении являются всхожесть и энергия прорастания семян березы, собранных с разных исследуемых участков. Вариативный коэффициент по размерам плодов и проростков выявил, как правило, очень высокую изменчивость (20–40%), что объясняет высокую пластичность растений к условиям обитания даже на ранних этапах их развития.

About the authors

Marina Viktorovna Labutina

Mordovian State Pedagogical Institute named after M.E. Evseviev

Email: labutina-m@mail.ru

candidate of biological sciences, associate professor of Biology, Geography and Methods of Teaching Department

Russian Federation, Saransk

Tatiana Aleksandrovna Maskaeva

Mordovian State Pedagogical Institute named after M.E. Evseviev

Email: masckaeva.tania@yandex.ru

candidate of biological sciences, associate professor of Biology, Geography and Methods of Teaching Department

Russian Federation, Saransk

Nina Dmitrievna Chegodaeva

Mordovian State Pedagogical Institute named after M.E. Evseviev

Email: chegodaevand@mail.ru

candidate of agricultural sciences, associate professor of Biology, Geography and Methods of Teaching Department

Russian Federation, Saransk

Evgeniya Aleksandrovna Kurynova

Mordovian State Pedagogical Institute named after M.E. Evseviev

Author for correspondence.
Email: labutina-m@mail.ru

master student of Biology, Geography and Methods of Teaching Department

Russian Federation, Saransk

References

Supplementary files