Біоіндикація стану довкілля на урбанізованій території за допомогою представників роду Populus L.

Размещено на http://www.allbest.ru/

ЧЕРНІВЕЦЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ УНІВЕРСИТЕТ ім. Ю. ФЕДЬКОВИЧА

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата біологічних наук

03.00.16 - екологія

БІОІНДИКАЦІЯ СТАНУ ДОВКІЛЛЯ НА УРБАНІЗОВАНІЙ ТЕРИТОРІЇ ЗА ДОПОМОГОЮ ПРЕДСТАВНИКІВ РОДУ POPULUS L.

СЛУЧИК ІРИНА ЙОСИПІВНА

Чернівці - 2000

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. У зв'язку зі стрімким процесом урбанізації в останні роки особливо гостро постала проблема оптимізації міського середовища. Територія міст характеризується наявністю великої кількості джерел забруднення, їх нерівномірним розташуванням, а також досить складним поширенням забруднюючих речовин. Незважаючи на величезну деформаційну функцію у навколишньому середовищі, біогеоценотичному покриві, і речовинно-енергетичному обміні територій, місто ще не стало об'єктом комплексних екологічних досліджень (Голубець М.А. та ін., 1994; Кучерявий В.П., 1999). Тому особливої актуальності набувають роботи, спрямовані на створення системи інформативних біоіндикаторів і біомаркерів для адекватної оцінки стану довкілля та моніторингу урбанізованих систем.

Невід'ємною частиною біотичного блоку урболандшафтів є рослинні організми. Велика площа контакту та інтенсивний газообмін з навколишнім середовищем зумовлюють їх високу чутливість до дії різноманітних збурюючих факторів, в тому числі і антропогенних. Особливої уваги заслуговує проблема впливу антропогенних чинників на спадковий апарат та репродуктивну здатність рослин. Сьогодні не викликає сумніву те, що репродуктивні структури, і насамперед чоловічий гаметофіт, є найбільш чутливими до дії токсичних інгредієнтів (Швадчак І.М., 1991; Бессонова В.П., 1992), а рівень цитогенетичних аномалій в клітинах вегетативних і генеративних органів - надійним критерієм для ранньої індикації техногенних впливів (Частоколенко Л.В. и др., 1991; Mьller M. et al., 1991). Однак більшість досліджень у цьому напрямку виконано на модельних трав'янистих тест-об'єктах (Куринный А.И. и др., 1989; Механджиев А. и др., 1990; Горовая А.И. и др., 1995; Grant W.F., Owens E.T., 1998) і доволі обмежена кількість робіт присвячена деревним видам (Гуськов Е.П. и др., 1993; Бессонова В.П. и др., 1996). Хоча останні, перебуваючи в умовах багаторічної експозиції на урбанізованих територіях, мають цілий ряд переваг при індикації довготермінових тенденцій і буферної здатності біологічних систем по відношенню до комплексу стресорів міського середовища.

Перспективними з цієї точки зору видами є деякі інтродуковані представники роду Populus L. - тополя берлінська (Populus berolinensis (C.Koch) Dipp.) i тополя китайська (Populus simonii Carr.). З одного боку, відомо про їх декоративну функцію, яку вони виконують при створенні загального архітектурного ансамблю міст Західного регіону України (Шевченко С.В., 1962; Бродович Т.М., Бродович М.М., 1979), з іншого - високу газопоглинальну та акумулятивну здатність стосовно деяких полютантів (Кулагин Ю.З., 1985; Парибок Т.А. и др., 1989; Гришко В.Н. и др., 1990; Пересипкіна Т.М. та ін., 1997). Разом з тим, реакції цих деревних порід на техногенне забруднення в місті та їх біоіндикаційні властивості з'ясовано недостатньо.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконувалася в рамках планової науково-дослідної теми кафедри медичної біології і генетики Івано-Франківської державної медичної академії (№ держреєстрації 03.04.50.97п).

Мета і основні завдання дослідження. Мета дисертаційної роботи - індикація стану навколишнього середовища на урбанізованій території (в умовах урбосистеми м. Івано-Франківська) на основі встановлених чутливих тест-параметрів P. berolinensis і P. simonii.

Для досягнення мети були поставлені наступні завдання:

1. З'ясувати вплив комплексу факторів урбанізованого середовища на мікроелементний склад вегетативних бруньок P. berolinensis і P. simonii.

2. Вивчити цитогенетичні характеристики соматичних клітин P. berolinensis і P. simonii в умовах урболандшафту.

3. Встановити гаметоцидні властивості міського середовища на основі реакцій чоловічого гаметофіту P. simonii.

4. Вивчити вплив техногенного забруднення в місті на морфометричні параметри пагонів P. berolinensis і P. simonii.

5. На основі отриманих біоефектів у тест-рослин дати загальну оцінку екологічної напруженості в різних районах урбосистеми м. Івано-Франківська.

Наукова новизна одержаних результатів. Вперше досліджено вплив техногенного забруднення довкілля в умовах урболандшафту на мітотичну активність меристеми зачаткових листків та рівень аберацій хромосом в соматичних клітинах P. berolinensis і P. simonii. Вперше у деревних рослин в умовах урбанізованого середовища з'ясовано характер зв'язку між зміною цитогенетичних характеристик вегетативних і репродуктивних структур та їх морфометричних параметрів і рівнем забруднення важкими металами.

Вперше обґрунтовано можливість використання зелених насаджень P. berolinensis і P. simonii для оцінки загальної токсичності та мутагенної напруги навколишнього середовища на урбанізованих територіях.

Практичне значення одержаних результатів. Отримані результати можуть бути використані як базові величини для проведення багаторічного еколого-генетичного моніторингу урбоекосистеми м. Івано-Франківська.

Матеріали дисертаційної роботи покладені в основу методичних рекомендацій щодо діагностики стану тополевих насаджень та оцінки екологічної напруженості довкілля на урбанізованих територіях. Рекомендації впроваджені в роботу державного управління екологічної безпеки в Івано-Франківській області.

На основі результатів дисертаційної роботи розроблена рацпропозиція "Використання вегетативних бруньок деревних рослин (рід Populus L.) для біоіндикації забруднення довкілля важкими металами".

Матеріали досліджень знайшли практичне застосування при викладанні спецкурсів з екології та охорони природи і впроваджені в навчальний процес на кафедрі медичної біології і генетики Івано-Франківської державної медичної академії та кафедрі біології Прикарпатського університету ім. В.Стефаника.

Особистий внесок здобувача. Особистий внесок автора в отриманні наукових результатів, викладених в дисертації, є основним і полягає у підборі та опрацюванні літературних джерел, виконанні польових та лабораторних досліджень, статистичній обробці даних, апробації матеріалів дисертації та підготовці до друку наукових праць. Аналіз та обговорення результатів досліджень проведено спільно з науковим керівником.

Апробація результатів дисертації. Основні положення дисертаційної роботи викладені на: 29-ій обласній науковій конференції молодих вчених (Івано-Франківськ, 1997), І-ІІІ міжнародних навчальних семінарах з екологічної освіти Інституту Сталих Громад, США (Івано-Франківськ, 1998-1999), науковому семінарі "Сучасна екологія і проблеми сталого розвитку суспільства" (Львів, 1999), міжнародній науковій конференції "Еколого-географічні дослідження в сучасній географічній науці" (Тернопіль, 1999), науково-практичній конференції "Вчені Прикарпаття про проблеми краю" (Івано-Франківськ, 2000), І Міжнародній міжвузівській школі-семінарі з екології "Экология 2000: Эстафета поколений" (Пущино, 2000), 30-ій щорічній конференції європейської асоціації дослідників мутагенів довкілля "Challenges of mutation research for the XXIst century" (Будапешт, Угорщина, 2000).

Публікації. За темою дисертації опубліковано 8 друкованих праць з них 5 - в наукових журналах та 3 - в матеріалах і тезах конференцій.

Структура та обсяг роботи. Робота викладена на 150 сторінках і складається зі вступу, семи розділів (огляду літератури, матеріалів та методів, результатів досліджень представлених у 4 розділах, узагальнення одержаних даних), висновків, списку використаних джерел (338 найменувань, з них - 128 латиницею). Дисертація містить 22 таблиці, проілюстрована 11 рисунками.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

урбосистема насадження мутагенний токсичність

Огляд літератури. В розділі описано основні принципи методу біоіндикації. Розглядаються питання акумулятивної та морфометричної фітоіндикації, а також оцінки стану територій за мутагенним фоном. Аналіз літературних джерел свідчить, що екстраполяція численних даних, нагромаджених в експерименті на реальні умови біосфери залишається проблематичною. Тому дослідження рослинних організмів в умовах конкретного екотопу не втрачають свою актуальність і значення для отримання об'єктивної картини порушень в біогеоценотичному покриві антропогенно трансформованих територій. Однак критерії, методологія і методика оцінки сумарного навантаження довкілля на живі організми кінцево не розроблені. Провідне значення у вирішенні цієї проблеми має розвиток натурних біоіндикаційних досліджень та пошук нових організмів-біоіндикаторів.

Об'єкти і методи дослідження. Дослідження проводились в межах урбоекосистеми м. Івано-Франківська, що є багатогалузевим, розвинутим промисловим центром. Його індустріальний профіль визначають в основному галузі: машинобудування, хімічна і деревообробна. Урбосистема займає площу 9282 га. Кількість населення становить 252 тисячі осіб.

За даними обласного гідрометеоцентру, Івано-Франківського науково-дослідного інституту екобезпеки і природних ресурсів та державного управління екологічної безпеки, в межах урбаністичного комплексу розташовано близько 65 стаціонарних джерел забруднення. В атмосферному повітрі міста регулярно фіксуються випадки перевищення гранично допустимих концентрацій (ГДК) за вмістом пилу, оксиду вуглецю, диоксиду азоту, фенолу, бенз(б)пірену, крім того, ідентифікуються диоксид сірки, монооксид азоту, формальдегід, складні ефіри. В атмосферних опадах виявлено присутність важких металів: цинку, кадмію, міді, нікелю, хрому. Підземні води характеризуються перевищенням ГДК за вмістом марганцю, берилію, нітратів. В грунтах основними забруднюючими агентами є сульфати, хлориди, нітрати, солі амонію, а також рухливі форми важких металів, що перевищують ГДК в 1,5-3 рази.

При визначенні районів дослідження керувались генеральним архітектурним планом забудови міста та даними щодо розташування основних джерел забруднення. Таким чином територія урбосистеми була поділена на шість зон (п'ять мікрорайонів: північний, північно-східний, центральний, південний, південно-східний та північно-східну околицю - с. Ямниця), що відрізняються характером техногенного навантаження. Як контроль обрали умовно екологічно чисту територію, близьку за природно-кліматичними умовами - селище Рожнятів.

В кожному районі дослідження та на контрольній території у внутрішньоквартальних насадженнях відбирали по 5 типових особин P. berolinensis i P. simonii, однієї вікової групи (60-80 років) у задовільному санітарному стані.

Визначення вмісту мікроелементів у вегетативних бруньках проводили методом енерго-дисперсійного рентгенівського мікроаналізу на скануючому електронному мікроскопі РЭММА-102Е. Перед аналізом матеріал промивали в суміші детергентів та деіонізованій воді. Мінералізацію проводили методом сухого озолення згідно з ГОСТом 26929-94.

Для дослідження цитогенетичної активності комплексу стресових факторів урбанізованого середовища використовували клітини меристеми зачаткових етиольованих листків вегетативних бруньок тест-рослин. Внутрішньобруньковий листковий зачаток фіксували в суміші Карнуа (6 : 3 : 1). Фарбування проводили 4 %-им ацетозалізогематоксиліном з наступним просвітленням і консервуванням в суміші Гойєра (Шоферистова Е.Г., 1973). Давлені препарати готували за загальноприйнятим методом (Чувашина Н.П., 1976). Підрахунок аберацій хромосом проводили ана-телофазним методом (Паушева З.П., 1988).

Паралельно, для встановлення цитотоксичності факторів довкілля досліджували мітотичну активність меристеми зачаткових листків та аналізували співвідношення кількості клітин у фазах мітозу (Горовая А.И. и др., 1995).

Фертильність чоловічого гаметофіту визначали за ацетокарміновим методом (Паушева З.П., 1988). Розміри пилкових зерен вимірювали за допомогою окуляр-мікрометра МОВ-1-15х.

Морфометричні параметри пагонів досліджували за загальноприйнятими методами (Маргайлик Г.И., 1961; Клейн Р.М., Клейн Д.Т., 1974).

Отримані результати опрацьовували статистично (Лакин Г.Д., 1990).

Результати досліджень та їх обговорення. Акумуляція важких металів у вегетативних бруньках Populus berolinensis (C.Koch) Dipp. i Populus simonii Carr. З метою дослідження акумулятивних властивостей та діагностики забруднення різних районів урбосистеми Івано-Франківська важкими металами проводили аналіз мікроелементного складу вегетативних бруньок тест-рослин. Встановлено, що концентрація більшості досліджених важких металів та алюмінію у рослинних зразках із зелених насаджень урбосистеми значно перевищує контрольні показники. Найбільше металів у вегетативних бруньках акумулювали рослини із центрального та північно-східного мікрорайону міста (рис. 1), що, очевидно, пов'язано з емісіями низки розташованих там промислових об'єктів, а також значним транспортним навантаженням в центрі урбаністичного утвору. Зокрема, вміст нікелю в зазначених районах дослідження зростає в 3,6-6,2 рази, цинку - в 3,9-6 разів, кадмію - в 1,8-5 разів, свинцю - в 3-3,8 рази, міді - в 1,7-3 рази порівняно з контролем. Максимальні рівні накопичення для окремих хімічних елементів виявлено в північному, південному і південно-східному мікрорайонах. Так, найбільше алюмінію концентрують особини (P. berolinensis i P. simonii), що ростуть в південно-східній частині міста, міді (P. berolinensis) - у південній, свинцю (P. berolinensis) - у північній. Таким чином, отримані результати віддзеркалюють характер просторового розподілу полютантів в межах урбоекосистеми.

В умовах дії промислово-транспортних емісій в місті змінюється не лише загальний вміст більшості мікроелементів, але і їх кількісне співвідношення в досліджених рослинних зразках. Так, у обох тест-рослин поряд із збільшенням частки нікелю, цинку, кадмію, свинцю і міді зменшується частка алюмінію, заліза і марганцю.

Результати дослідження свідчать про те, що нагромадження металів у вегетативних бруньках деревних рослин є видоспецифічним. Вища металоакумулююча здатність характерна для P. berolinensis. Коефіцієнти накопичення більшості елементів-забруднювачів в умовах урбанізованого середовища для цього виду (рис. 1 А) значно переважають відповідні коефіцієнти для P. simonii (рис. 1 Б).

Зміна цитогенетичних параметрів клітин меристеми зачаткових листків Populus berolinensis (C.Koch) Dipp. i Populus simonii Carr. в умовах урбанізованого середовища. Результати дослідження рівня мутабельності хромосом в соматичних клітинах представників роду Populus із зелених насаджень м. Івано-Франківська свідчать про неоднорідність еколого-генетичної ситуації на території урбосистеми (рис. 2). Так, у рослин із південної і південно-східної частини міста ступінь пошкодження каріомів хоча дещо й зростав порівняно з контрольними особинами, однак без статистично достовірних відмінностей. Можна припустити, що антропогенні впливи у довкіллі цих територій істотно не перевищують "буферну" здатність існуючих там біогеоценозів.

Рослини з північно-східного мікрорайону міста характеризувались достовірно більшим відсотком ана-телофаз з абераціями. У P. berolinensis цей показник перевищував контрольне значення в 1,6 (Р 0,05), а у P. simonii - в 1,9 рази (Р 0,01). Кількість аберацій на одну досліджену ана-телофазу, відповідно, складала 162 і 192 % у порівнянні з контролем (Р 0,10; Р 0,01).

Генетичні ефекти ксенобіотиків на спадковий апарат деревних рослин у північному мікрорайоні урбосистеми були виражені ще істотніше, хоча за результатами ліхеноіндикації (Кондратюк С., 1996) ця ділянка міста визначена як відносно екологічно чиста. Це підтверджує висновки деяких авторів (Куринный А.И. и др., 1993; Зубко О.С., 1994) про відсутність прямої залежності між ступенем загального забруднення та мутагенною напруженістю певного екотопу. Так, рівень аберантних клітин на зазначеній території у P. berolinensis перевищував контрольний в 1,9 (Р 0,001), у P. simonii - в 2,4 рази (Р 0,01), а кількість аберацій на одну досліджену ана-телофазу зростала, відповідно, на 100 і 150 % у порівнянні з контрольною групою дерев (Р 0,001; Р 0,01).

В центрі м. Івано-Франківська, найбільш антропогенно трансформованій частині урбоекосистеми, що перебуває у сфері впливу викидів цілої низки промислових об'єктів та значного транспортного навантаження, відсоток аберантних ана-телофаз у P. berolinensis достовірно зростав у 2,9 (Р 0,001), у P. simonii - у 4,0 рази (Р 0,001), а кількість аберацій на одну досліджену ана-телофазу збільшувалась, відповідно, на 200 і 333 % (Р 0,001).

Найбільш вагомими у порівнянні з іншими районами дослідження були зміни цитогенетичних характеристик у групі рослин з індустріального передмістя (с. Ямниця). Відсоток ана-телофаз з перебудовами у P. berolinensis і P. simonii перевищував контрольні значення, відповідно, у 3,7 і 6,8 рази (Р 0,001), а кількість аберацій на одну досліджену ана-телофазу зростала в 4,2 і 7,8 рази (Р 0,001). Виявлені максимальні значення досліджених критеріїв у групі дерев із с. Ямниця свідчать про значну мутагенну напругу на цій території, що відповідає інтенсивності техногенних впливів розташованих там потужних підприємств-забруднювачів. В.А. Демаковим і співавторами (1993) при порівняльному аналізі мутагенної активності комплексу забруднювачів адміністративно-промислових територій встановлено, що вираженість ефектів підвищеної небезпеки в найбільшій мірі залежить від якісного складу емісій. Можна припустити, що яскраво виражений генотоксичний ефект довкілля в с. Ямниця спричинений, головним чином, викидами хімічних підприємств фірми "Барва", серед яких є цілий ряд генетично активних інгредієнтів.

Відомо, що реакція виду на хімічні мутагени в значній мірі обумовлена його генотипічними особливостями. Генотипічні відмінності за стійкістю до мутагенів особливо яскраво виражені у видів роду Populus (Гуляева Е.М. и др., 1976). Як свідчать отримані нами дані, чутливішим до комплексу генотоксикантів міського середовища є спадковий апарат P. simonii.

У досліджених деревних видів в умовах дії стресорів урбанізованого середовища змінюється не лише кількість, але й спектр перебудов каріому. Різниця у співвідношенні хромосомних і хроматидних аберацій в порівнянні з контрольними значеннями особливо чітко проявляється у особин P. simonii. Так, в межах південного, північно-східного, північного, центрального мікрорайонів і в с. Ямниця достовірно зменшується частка хромосомних мостів і фрагментів і збільшується питома вага хроматидних перебудов. В центральній частині міста та індустріальному передмісті спостерігається поява множинних порушень мітозу, переважно хроматидної природи. Отримана закономірність вказує на те, що підвищення рівня мутагенного фону в екологічно несприятливих районах урбосистеми та на її околиці відбувається, головним чином, за рахунок генотоксикантів хімічної етіології (Лекявичус Р.К., 1983).

Поряд з індукцією хромосомних аберацій у досліджених деревних видів із зелених насаджень урбоекосистеми спостерігали порушення мітотичної активності меристеми зачаткових листків та нормального розподілу клітин за фазами мітозу. Найбільш виражений цитотоксичний ефект довкілля встановлено в центральному, північно-східному і північному мікрорайоні міста та в індустріальному передмісті (рис. 3). Величина мітотичного індексу в зазначених районах, за винятком центрального, в P. berolinensis знижувалася, відповідно, в 1,1; 1,2 і 1,6 , а у P. simonii - в 1,4; 1,6 і 2,2 (Р 0,001) рази відносно контролю.

В центральній частині урбосистеми, що перебуває під значним техногенним пресом, відносно високі значення мітотичного індексу в обох тест-об'єктів супроводжувались яскраво вираженим метафазним блоком, що вказує на сповільнення темпів клітинного поділу в цілому (Горовая А.И. и др., 1995).

Отримані результати свідчать про те, що існує певна специфіка в реакціях проліферуючих клітин тест-рослин на дію екотоксикантів. Це, очевидно, пов'язано з різним спектром забруднюючих речовин в окремих районах дослідження, з одного боку, та різною чутливістю деревних видів - з іншого. Так, в одних випадках мітотична депресія виражалася у функціональній блокаді веретена поділу, що зумовлювало збільшення кількості метафазних клітин, в інших - в порушенні процесу цитокінезу, що сприяло нагромадженню телофаз. При цьому чутливішим до пошкоджуючої дії стресорів урбанізованого середовища є мітотичний режим меристематичних тканин P. simonii.

Гаметоцидні властивості комплексу факторів урбанізованого середовища. Результати аналізу рівня стерильності пилкових зерен P. simonii на території урбосистеми м. Івано-Франківська свідчать про значний гаметоцидний вплив навколишнього середовища в окремих її районах та в індустріальному передмісті. Найвищі коефіцієнти стерильності встановлено в північній і центральній частині міста та в с. Ямниця, де вони відповідно складали 2,3; 4,1 і 3,0. У досліджених районах поряд із зростанням відсотку стерильних пилкових клітин спостерігалися різноманітні їх аномалії: утворення маленьких зморщених і гігантських стерильних зерен, відходження вмісту пилкового зерна від оболонки. Л.М. Бондарь і Л.В. Частоколенко (1990) відзначають, що поява стерильних пилкових клітин в зонах антропогенного забруднення зумовлена редукцією клітин археспорію, цитопатологіями генеративної тканини та порушеннями мейозу. Тому рівень стерильності пилку рослин-біоіндикаторів характеризує не лише загальну токсичність навколишнього середовища, але й опосередковано відображає інтенсивність мутагенної напруги (Куринный А.И., 1983; Горовая А.И., Дигурко В.М., 1995).

В умовах техногенного забруднення в місті поряд із зниженням чоловічої фертильності спостерігалося зменшення середніх розмірів пилкових зерен P. simonii. Зміну величини пилку у рослин з антропогенних ландшафтів пов'язують з порушенням процесів росту і поділу при формуванні первинних клітин археспорію та при утворенні тетрад мікроспор (Бессонова В.П., 1992).

Обчислення коефіцієнтів варіації розмірів пилкових зерен у модельних дерев показало значне зростання мінливості за розглянутою ознакою в умовах урбанізованого ландшафту та дії промислових емісій. Морфологічна розмаїтість пилку виражалась як в збільшенні кількості дуже малих, так і надто великих пилкових зерен, що, відповідно, були в 1,5 - 2,0 рази менші чи в 1,3 - 1,5 рази більші середньої норми контролю (рис. 4). Так, якщо відсоток малих пилкових клітин у контрольному варіанті становив 3,2 , то у південному, південно-східному, північно-східному, північному мікрорайонах, в с. Ямниця та в центрі урбосистеми він зростав, відповідно, до 4,2; 6,1; 9,6; 14,4; 21,0 і 24,6 . Кількість великих пилкових зерен у контрольних рослин складала 2,2 , а у особин з південно-східного, південного, північно-східного, центрального і північного мікрорайонів міста та з північно-східної околиці вона збільшувалася, відповідно, до 3,0; 3,2; 5,4; 6,8; 8,4 і 11,2 . Подібну картину морфологічної різноякісності пилку спостерігала З.В. Грицай (1997) у представників роду Acer L. в умовах штучного лісового культурбіогеоценозу, що перебував під впливом емісій SO₂ i NO₂ та В.П. Безсонова (1992) в інших листяних порід в умовах забруднення довкілля важкими металами. Отримана різноякісність виникає в результаті порушення мейотичного поділу під час мікроспорогенезу, коли поряд з тетрадами утворюються монади, діади та інші сукупності клітин. В.А. Підддубна-Арнольді (1976) відзначає, що як карликовий, так і гігантський багатоядерний пилок безплідний і дегенерує на ранніх етапах розвитку.

Таким чином, результатом порушення процесу формування чоловічого гаметофіту P. simonii в умовах урбанізованого середовища є встановлене нами зростання стерильності, зменшення середніх розмірів пилкових зерен та їх морфологічна різноякісність. Отримані дані узгоджуються з результатами тесту на індукцію хромосомних аберацій та мітотичну активність меристеми зачаткових листків. Резюмуючи вищезазначене, можна припустити, що на територіях із значним ступенем антропогенної трансформації довкілля не виключена небезпека блоку передачі спадкової інформації окремого індивідуума з покоління в покоління і погіршення цього процесу на популяційному рівні. Останнє може істотно змінити генетичну структуру наступних генерацій.

Зміна морфометричних параметрів пагонів Populus berolinensis (C.Koch) Dipp. i Populus simonii Carr. в умовах урбанізованого середовища. Дослідження зміни продуктивності деревних рослин в умовах урбанізованого середовища дозволяє провести доволі точну неспецифічну біоіндикацію забруднення довкілля міста екотоксикантами (Шуберт Р., 1988). Для цього у визначених тест-об'єктів вимірювали ряд морфометричних показників, що тісно корелюють з величиною первинної продукції, а саме: довжину однорічних пагонів, розміри листкових пластинок та вегетативних бруньок (Jдger E.J., Mцrchen G., 1977; Gluch W., 1980).

З'ясовано, що у рослин (P. berolinensis і P. simonii) з зелених насаджень міста величина річного приросту пагонів знижується, відповідно, на 11,2-21,2 і 14,3- 29,3 %, довжина листкової пластинки - 9,9-16,8 і 15,2-31,3 %, довжина вегетативної бруньки - 10,7-21,9 і 13,3-24,0 %. Значення ширини відповідних органів є менш мінливими відносно контролю.

У особин міського фітоценозу в порівнянні з контрольними встановлено значно ширший розмах варіювання досліджених морфологічних параметрів, що є додатковим свідченням посилення напруги адаптаційного процесу (Винниченко А.Н., Коцюбинская Н.П., 1995).

Найбільш виражений фітотоксичний ефект спостерігали в північному, північно-східному мікрорайонах та в центрі м. Івано-Франківська. При цьому більш чутливим за зміною морфологічних ознак видом є P. simonii, а чутливішими тест-параметрами - величина приросту пагону та довжина листкової пластинки.

Аналіз і узагальнення результатів дослідження. На основі ступеня відмінності досліджених біопараметрів у деревних рослин відносно контрольних значень було ідентифіковано різні за рівнем екологічної напруженості райони урбосистеми м. Івано-Франківська. За даними акумулятивної та морфометричної біоіндикації, найскладніша екологічна ситуація склалася у центральному та північно-східному мікрорайонах, що, очевидно, пов'язано з емісіями ряду розташованих там промислових підприємств, а також із значним транспортним навантаженням в центральній частині міста. Негативні наслідки забруднення довкілля на урбанізованій території виявлялись не лише в зміні хімічного складу рослин та загальнотоксичній дії, що призводила до мітотичної депресії та зниження продуктивності, але й у віддалених ефектах, таких як мутагенний і гаметоцидний. Встановлений рівень пошкодження спадкового апарату у тест-рослин вказує на реальну гено- та гаметотоксичність комплексу факторів міського середовища. Найвищі рівні цитогенетичних аномалій, що відповідають інтенсивності зумовленого ксенобіотиками мутагенного фону, зафіксовано в індустріальному передмісті (зона впливу промислових емісій хімічного виробництва фірми "Барва" і підприємств будівельної промисловості), в центральному (найбільш антропогенно трансформованому) та північному мікрорайонах Івано-Франківська. Таким чином, найбільш сприятливими екологічними умовами порівняно з іншими районами дослідження характеризуються південна та південно-східна частини урбаністичного комплексу.

Підсумовуючи вищевикладене, можна констатувати, що антропогенна трансформація довкілля на урбанізованих територіях призводить до порушення ряду морфофункціональних характеристик у деревних рослин, між зміною яких існують певні взаємозв'язки та закономірності. Виявлені чутливі тест-параметри P. berolinensis та P. simonii є інформативними біомаркерами забруднення навколишнього середовища в місті ксенобіотиками і можуть бути використані в системі екологічного моніторингу урбанізованих територій.

ВИСНОВКИ

У дисертаційній роботі представлені результати біологічної індикації стану довкілля на урбанізованій території (в умовах середнього міста) на основі встановлених за допомогою комплексу фізико-хімічних, цитогенетичних і морфометричних методів дослідження чутливих параметрів представників роду Populus.

В умовах урбанізованого середовища вміст більшості досліджених важких металів та алюмінію у вегетативних бруньках P. berolinensis і P. simonii достовірно зростає із збільшенням промислово-транспортного навантаження в місті. Інтенсивність накопичення мікроелементів характеризується закономірністю: Ni Zn Cd Pb Cu Cr Al Fe Mn. P. berolinensis володіє вищою металоакумулюючою здатністю, ніж P. simonii.

Комплекс факторів урбанізованого середовища зумовлює пошкодження спадкового апарату соматичних клітин P. berolinensis і P. simonii. Чутливішим до дії генотоксикантів є хромосомний апарат P. simonii. Рівень хромосомних перебудов в меристемі зачаткових листків обернено корелює з її мітотичною активністю і прямо - з стерильністю чоловічого гаметофіту. Зміщення спектру перебудов каріому в тест-рослин у бік хроматидних свідчить про переважно хімічну етіологію існуючого на досліджених територіях мутагенного фону.

У застосованих тест-об'єктів (P. berolinensis і P. simonii) немає прямої залежності між рівнем мутабельності в клітинах меристеми зачаткових листків вегетативних бруньок та ступенем забруднення останніх важкими металами.

Комплекс стресорів міського середовища пригнічує мітотичну активність меристеми зачаткових листків P. berolinensis і P. simonii та порушує нормальний розподіл клітин за фазами мітозу в бік достовірного зменшення кількості профазних та збільшення метафазних і анафазних. Чутливішим до дії цитотоксикантів є мітотичний режим меристематичних тканин P. simonii.

Гаметоцидна дія комплексу факторів урбанізованого середовища виявляється в достовірному підвищенні рівня стерильності, зменшенні середніх розмірів та зростанні морфологічної різноякісності пилку P. simonii. Рівень абортивності чоловічого гаметофіту прямо корелює з ступенем забруднення вегетативних бруньок важкими металами і обернено - з діаметром пилкових зерен.

Сумісна дія токсичних інгредієнтів та інших несприятливих факторів міського довкілля пригнічує ріст вегетативних органів P. berolinensis і P. simonii, що виражається у достовірному зменшенні розмірів вегетативних бруньок, листкових пластинок та величини річного приросту пагонів. Чутливішим до дії фітотоксикантів за результатами морфометрії є P. simonii. Досліджені морфометричні параметри у тест-рослин позитивно корелюють між собою і негативно - з ступенем забруднення вегетативних бруньок важкими металами.

На основі отриманих біоефектів у тест-рослин ідентифіковано різні за рівнем екологічної напруженості райони м. Івано-Франківська. За даними акумулятивної і морфометричної біоіндикації, загальна токсичність навколишнього середовища в досліджених мікрорайонах урбосистеми зростає у послідовності: індустріальне передмістя (с. Ямниця) південний південно-східний північний північно-східний центральний. Інтенсивність мутагенного фону достовірно збільшена в північно-східному і північному мікрорайонах і є найвищою в центрі урбосистеми та індустріальному передмісті.

Встановлені чутливі тест-параметри P. berolinensis і P. simonii (рівень акумуляції металів у вегетативних бруньках, індукція хромосомних аберацій і мітотична інгібіція в клітинах меристеми зачаткових листків, зменшення середніх розмірів, морфологічна різноякісність і абортивність пилкових зерен, зниження річного приросту пагонів, зменшення розмірів листкових пластинок і вегетативних бруньок) можуть бути рекомендовані для діагностики стану їх зелених насаджень та оцінки рівня забруднення навколишнього середовища на урбанізованих територіях.

ЛІТЕРАТУРА

Случик І. Використання цитогенетичних методів для біоіндикації стану урбанізованої території // Галицький лікарський вісник. - 1999. - Т. 6, № 1. - С. 72-74.

Случик І.Й., Стефурак В.П. Біологічна індикація забруднення довкілля важкими металами з використанням Populus berolinensis Dipp. та Populus simonii Carr. // Наукові записки Тернопільського педуніверситету. - 1999. - Вип. 3 (6) (Біологія). - С. 57-60.

Случик І.Й., Случик В.М. Біоіндикація стану міського середовища за показниками генотоксичної та гаметоцидної дії полютантів на деревні рослини // Науковий вісник Львівського лісотехнічного університету. - 1999. - Вип. 9.8. - С. 130-133.

Случик І. Зміна морфологічних параметрів вегетативних органів Populus simonii Carr. і Populus berolinensis Dipp. під впливом техногенного навантаження // Наукові записки інституту народознавства НАН України та Івано-Франківського краєзнавчого музею. - 1999. - Вип. 4. - С. 90-92.

Случик І.Й., Стефурак В.П. Акумуляція важких металів у пагонах видів роду Populus L. в умовах урбанізованого середовища // Науковий вісник Чернівецького університету. - 2000. - Вип. 77. (Біологія) - С. 51-59.

Случик І.Й. Вплив техногенного забруднення на репродуктивну сферу Populus simonii Carr. в умовах м. Івано-Франківська // Збірник праць молодих вчених ІФДМА: 29-а обласна наукова конференція молодих вчених-медиків. - Івано-Франківськ: Вид-во ІФДМА. - 1997. - С.21-23.

Случик І.Й. Еколого-генетична оцінка урбанізованого ландшафту на основі цитогенетичних параметрів деревних рослин // Матеріали міжнародної наукової конференції "Еколого-географічні дослідження в сучасній географічній науці". - Тернопіль. - 1999. - С.102-103.

Случик И.Й., Попель С.Л. Исследование содержания микроэлементов в почках Populus berolinensis Dipp. и Populus simonii Carr. в условиях урбанизированной среды // Тез. докл. I Международной межвузовской школы-семинара "Экология 2000: эстафета поколений". - Пущино: Изд-во Московского ун-та леса. - 2000. - С. 94-95.

Sluchyk V., Sluchyk I. An estimation of the urban system mutagenic background on the basis of cytogenetic parameters of Populus simonii Carr. and Populus berolinensis Dipp. // Abstracts of the 30^th Annual Meeting of European Environmental Mutagen Society "Challenges of Mutation Research for the XXIst Century". - Budapest (Hungary). - 2000. - P. 82.

Размещено на Allbest.ru