Индикаторная роль рудеральных растений в оценке антропогенной загрязненности урбанизированных территорий

КБП=I_x./n_x, (1)

где I_x - содержание элемента в золе растений;

n_x - содержание элемента в почвенном покрове.

Содержание хлорофиллов а и b и каротиноидов определялось путем измерения оптической плотности вытяжки (экстракта) пигментов на спектрофотометре при длинах волн, соответствующих максимумам поглощения хлорофиллов а (663нм) и b(645 нм) и максимуму поглощения каротиноидов (440,5 нм), с последующим расчетом концентрации пигментов по уравнениям Ветштейна и Хольма для 100%-го ацетона.

Определялось содержание углеводов йодометрическим методом в соответствии с ГОСТ 3485-77, витамина С - по реакции Тильманса (ГОСТ 3166-76), дубильных веществ - по ГОСТ 24.027.2-80.

При оценке качества среды по коэффициенту флуктуирующей асимметрии измерялись следующие параметры листа: ширина половины листовой пластинки; длина второй жилки от основания листа; расстояние между основаниями первой и второй жилок; угол между центральной и второй жилками. В каждом местообитании проанализировано по 50 листьев с 50 растений трех видов. Коэффициент флуктуирующей асимметрии рассчитывался по формуле В.М. Захарова (2000)

д²_d=?(d_1-r - M_d)/n - 1, (2)

где M_d=?d_1-r/n - среднее различие между сторонами;

d_1-r=2(d₁ - d_r)/ d₁ + d_r - различие значений признаков между левой (1) и правой (r) сторонами;

n - число выборок.

При балльной оценке использовалась таблица соответствия баллов качества среды значениям коэффициентов асимметрии (табл.1).

Таблица 1 - Балльная система качества среды обитания по показателям флуктуирующей асимметрии листовых пластин высших растений

Баллы соответствуют следующим характеристикам среды обитания: 1 - чисто; 2 - относительно чисто («норма»); 3 - загрязнено («тревога»); 4 - грязно («опасно»); 5 - очень грязно («вредно»).

Для изучения жизнеспособности рудеральных растений семена проращивали в январе-феврале следующего года в стерильных чашках Петри на фильтровальной бумаге, смоченной водопроводной водой, в термостате при температуре 22-24°С. Для характеристики одной популяции проращивали 200 семян. Определялась энергия прорастания семян у одуванчика на 7-е сутки проращивания, у подорожника - на 3-е сутки; всхожесть, длина корня и гипокотиля - на 14-е и 8-е сутки соответственно (Стволинская, 2000).

Статистическая обработка эмпирического материала осуществлялась с помощью метода вариационной статистики, дисперсионного анализа, регрессионного анализа на персональном компьютере с использованием программы Microsoft Excel (2007).

Глава 3. Результаты исследований

3.1. Особенности миграции тяжелых металлов в системе «почва - растение» в условиях городской среды

Установлено существенное влияние антропогенной загрязненности территории на концентрацию тяжелых металлов в почве и растениях (табл. 2). Так, в санитарно-защитной зоне ОАО «РУСАЛ Красноярск» по сравнению с экологически чистым районом (мкр. Ветлужанка) содержится больше свинца и кадмия: в почве - в 2,2 и 2,4 раза; в одуванчике - в 5,2 и 1,9 раза; лопухе - 5,1 и 2,2 раза соответственно. Превышение ПДК по свинцу в растительном сырье составило 3,8 -4,0 раза, кадмию - 2,2 - 2,4 раза. Интенсивное автотранспортное движение еще более сильно повлияло на аккумуляцию тяжелых металлов в почве и растениях. Так, в районе ул. Высотной по сравнению с Ветлужанкой содержится больше свинца и кадмия: в почве - в 6,1 и 1,8 раза; в одуванчике лекарственном - в 7,2 и 3,1 раза; в подорожнике большом - в 15,0 и 2,1 раза; в лопухе большом - в 6,8 и 2,4 раза соответственно. Превышение ПДК по свинцу в районе автотрассы составило в почвенных образцах 3,2 раза, в одуванчике лекарственном - 5,3 раза; в подорожнике - 9,7 раза; в лопухе - 5,4 раза; по кадмию: в одуванчике - 3,7 раза; в подорожнике - в 2,1 раза и в лопухе - в 2,4 раза. Подобные результаты были получены и по образцам растительного сырья и почвы, взятых в окрестностях ТЭЦ-1.

Таблица 2 - Содержание подвижных форм химических элементов в почве и растительном сырье в зависимости от района исследования, мг/кг

* не определялось.

Согласно шкале И.А. Авессаломова (1987), к элементам сильного накопления (10>КБП?1) у одуванчика лекарственного и подорожника большого относятся кадмий, цинк и медь; к элементам слабого накопления (1>КБП?0,1) - свинец и железо; у лопуха большого соответственно кадмий и медь - к элементам сильного накопления; свинец, цинк и железо - слабого (табл.3). Наибольшая биогеохимическая активность в отношении тяжелых металлов характерна для подорожника большого (БХА = 15,215, 15,914 и 18,359 в зависимости от района исследования).

Таблица 3 - Коэффициенты биологического поглощения химических элементов (КПБ) и биохимическая активность (БХА) рудеральных растений

^* не определялось.

Изучены особенности кумуляции свинца и кадмия в разных органах растений (табл. 4). Установлено, что независимо от антропогенной загрязненности биотопа наибольшая концентрация свинца отмечалась у одуванчика и лопуха в листьях, у подорожника - в корнях; кадмия у одуванчика и лопуха - в корнях, у подорожника - в листьях. Так, в растительном сырье, заготовленном вблизи ОАО «РУСАЛ Красноярск», содержание свинца в листьях одуванчика по сравнению с корнями было выше в 1,28 раза, стеблями - в 1,65 раза и соцветиями - в 1,9 раза. Концентрация кадмия в корнях данного растения превосходила содержание этого элемента в листьях в 1,6 раза; стеблях - 1,9 и соцветиях - в 1,5 раза.

Таблица 4 - Содержание свинца и кадмия в рудеральных растениях в зависимости от заготавливаемой части и загрязнения биотопа, мг/кг

^* не определялось.

3.2. Влияние антропогенной загрязненности территории на содержание биологически активных веществ в растительном сырье

Проведены исследования по изучению влияния антропогенного загрязнения биотопа на содержание в растительном сырье углеводов и витамина С (табл.5).

Таблица 5 - Содержание витамина С и углеводов в вегетативных органах рудеральных растений

^* не определялось.

Установлено значительное влияние экологического благополучия территории на концентрацию в растениях аскорбиновой кислоты и углеводов. Под воздействием загрязнения среды наиболее значимое уменьшение витамина С происходило у одуванчика лекарственного (в 2-3 раза). Содержание в растениях углеводов, собранных у автотрассы, было ниже в 1,4 - 2 раза; у металлургического предприятия - 1,7 раза; в зоне влияния ТЭЦ-I - в 1,6 раза, чем у данных видов растений, произрастающих в экологически чистом районе. Также следует отметить, что наибольшее уменьшение концентрации углеводов наблюдалось у лопуха большого (в 2,1 раза).

Проведены исследования по изучению влияния на содержание редуцирующих веществ и витамина С в растительном сырье заготавливаемой части растения и района исследований. Установлено, что в корневой системе одуванчика лекарственного содержатся наибольшие концентрации витамина С (в 11,2 - 11,4 раза больше, чем в листьях, и в 12,7 - 13,0 раз, чем в стеблях) и несколько меньшее количество редуцирующих веществ (по сравнению с листьями 1,4 - 1,5 абс.%, разница со стеблями недостоверна), чем в других органах растения (табл. 6).

Таблица 6 - Зависимость содержания биологически активных веществ в одуванчике лекарственном от заготавливаемой части растения и района исследований

Накопление фенольных соединений, в том числе дубильных, в растениях при воздействии стрессовых условий среды обеспечивает устойчивость вида, так как они выполняют роль защитных барьеров (Запрометов, 1993). Поэтому изучалось содержание дубильных веществ в разных органах рудеральных растений в зависимости от района исследований (табл.7).

Наибольшая концентрация дубильных веществ обнаружена в корнях растений: 31,5-33% - у одуванчика; 27,1-28,5% - у лопуха; 17,5-18% - у подорожника. Данных веществ содержалось меньше в листьях одуванчика в 2-2,2 раза, лопуха - 1,9 - 2 раза; подорожника - в 1,3- 1,6 раза; в стеблях соответственно в 2,7-3,1 раза, в 2 -2,2 и в 1,9 - 2,1 раза. Достоверное влияние загрязненности биотопа на концентрацию дубильных веществ обнаружено лишь при исследовании стеблей и листьев лопуха большого. Так, в стеблях и листьях растений, собранных у автотрассы, содержание данных веществ было ниже, чем у растений с экологически чистой территории, на 12,6% и 10,5% соответственно (Р>0,95).

Таблица 7 - Влияние на содержание дубильных веществ заготавливаемой части растения и района исследований, %

Таким образом, выявлена высокая зависимость количества биологически активных веществ в лекарственном сырье от заготавливаемой части растения и менее значимая - от антропогенной загрязненности среды.

3.3. Экологическое благополучие территории и содержание фотосинтетических пигментов в листьях Taraxacum officinale, Plantago major и Arctium lappa

Наблюдается достоверное влияние загрязненности биотопа на уровень хлорофилла а и каротиноидов в листьях рудеральных растений (табл. 8).

Таблица 8 - Влияние загрязненности биотопа на соотношения «хлорофилл а: хлорофилл b» и «хлорофиллы (а+b): каротиноиды» в листьях рудеральных растений

*не определялось.

Так, в листьях одуванчика соотношение «хлорофилл а: хлорофилл b» под воздействием атмосферных выбросов металлургического предприятия и ТЭЦ-1 уменьшилось в 1,2 раза, автомобилей - в 1,28, при этом произошло увеличение значений соотношения «хлорофиллы (а+b): каротиноиды» соответственно на 6,6 и 12,2%. Аналогичная картина наблюдалась и у других изучаемых растений. При этом реакция пигментного фонда была более выраженной у растений, произрастающих вблизи автотрассы. Разница между районами исследований по изучаемым показателям достоверна (Р>0,95).

3.4. Интегральная экспресс-оценка качества среды обитания по флуктуирующей асимметрии листовой пластины Taraxacum officinale, Plantago major и Arctium lappa

Проведена оценка качества среды обитания по коэффициентам флуктуирующей асимметрии листовой пластины одуванчика лекарственного, подорожника большого и лопуха большого (табл.1).

Таблица 9 - Балльная оценка среды обитания по коэффициентам флуктуирующей асимметрии листовой пластины рудеральных растений

Из табличных данных видно, что значения коэффициента флуктуирующей асимметрии листьев рудеральных растений, произрастающих в микрорайоне Ветлужанка (0,0017-0,0018), свидетельствуют об экологическом благополучии территории (1 балл), в санитарно-защитной зоне ОАО «РУСАЛ Красноярск» соответствуют оценке «загрязнено» (3 балла). В районе сильного автотранспортного влияния (ул. Высотная) значения флуктуирующей асимметрии располагаются в диапазоне 0,0278...0,0355, а вблизи ТЭЦ-1 - 0,0221…0,0317, что соответствует 4 баллам и характеризует качество среды как «грязно» («опасно»).

Таким образом, полученные результаты подтверждают целесообразность использования рудеральных растений в качестве биоиндикаторов антропогенного загрязнения территорий.

3.5. Энергия прорастания и всхожесть семян одуванчика лекарственного и подорожника большого

Одним из методов фитотестирования является изучение жизнеспособности растений путем проращивания их семян в лабораторных условиях. Поскольку семена наиболее чутко реагируют на специфические стрессовые факторы (например, загрязнение среды произрастания тяжелыми металлами), к которым не успело адаптироваться растение во время экогенеза. Поэтому был проведен сравнительный анализ качества семенного материала одуванчика лекарственного и подорожника большого из разных ценопопуляций.

Диаграммы энергии прорастания и всхожести семян одуванчика и подорожника представлены на рисунке 2.

Рисунок 2 - Жизнеспособность семян Taraxacum officinale и Plantago major

Установлено, что уровень энергии прорастания соответствует уровню всхожести семян. У семян, полученных от одуванчиков, выросших вблизи ОАО «РУСАЛ Красноярск», энергия прорастания составляла всего лишь 4%, всхожесть - 4,5%, в районе влияния ТЭЦ-1 - 3,7 и 4,3% соответственно. В районе интенсивного автотранспортного движения показатели энергии прорастания и всхожести семян одуванчика были еще ниже и составляли 3,5 и 4,0% соответственно. Более высокие значения данных показателей характерны для семян, собранных с растений, произрастающих на экологически чистой территории - в районе Ветлужанка. В этом случае по сравнению с ОАО «РУСАЛ Красноярск» и ТЭЦ-1 энергия прорастания в среднем выше в 6,6 раза, а всхожесть - в 7,3 раза. Разница с семенами одуванчика, произрастающего вблизи автотрассы, по данным показателям соответственно равнялась 7,2 и 8,1 раза. Аналогичная картина по качеству семенного материала наблюдалась и у подорожника большого, произрастающего у автотрассы и в экологически чистом районе. Здесь разница по энергии прорастания составляла 6,8 раза, по всхожести - 7 раз (Р>0,999).

У проросших семян - на 14-й день у одуванчика и на 8-й у подорожника - изучались длина гипокотиля и длина корня. Полученные результаты отражены в таблице 10. Из табличных данных видно, что нет достоверной разницы по длине гипокотиля у проростков из разных районов исследований. Однако наиболее хорошо развитые корешки отмечались у проростков семян, собранных в экологически чистом районе. Так, у одуванчика их длина достигала 15,95 мм и превышала в 2 раза длину корней проростков семян одуванчика, собранных с растений, произрастающих вблизи ОАО «РУСАЛ Красноярск» и ТЭЦ-1, и в 2,5 раза - растений у автотрассы (Р>0,999). Разница в длине корешков проростков подорожника из экологически чистого района и произрастающего вблизи ТЭЦ-1 и автотрассы была достоверной (Р>0,999) и составляла 1,7 и 2,1 раза соответственно.

Таблица 10 - Изменчивость длины гипокотиля и длины корня у проростков семян Taraxacum officinale и Plantago major

* не определялось.

1. Наибольшая концентрация свинца содержится в почве вблизи автотрассы (район ул. Высотной г. Красноярска) (превышение ПДК в 3,2 раза), а среди растений - в подорожнике большом, произрастающем в зоне интенсивного автотранспортного движения и ТЭЦ-1 (превышение ПДК - 9,7-10 раз). Превышение ПДК по содержанию кадмия в почве исследуемых районов не обнаружено, однако в растениях оно составляло 1,2 - 4,1 раза.

2. Одуванчик лекарственный и подорожник большой обладают высокой способностью кумулировать кадмий, медь и цинк, лопух большой - кадмий и медь, что делает возможным использовать данные виды растений в качестве маркеров почвенного загрязнения территории этими элементами.

3. Независимо от антропогенной загрязненности биотопа, наибольшая концентрация свинца отмечалась у одуванчика и лопуха в листьях, у подорожника - в корнях; кадмия у одуванчика и лопуха - в корнях, у подорожника - в листьях.

4. Выявлена высокая зависимость количества биологически активных веществ в лекарственном сырье от заготавливаемой части растения. Экологическое благополучие территории оказывает значимое влияние на концентрацию в растениях аскорбиновой кислоты и углеводов, незначительное - на концентрацию дубильных веществ.

5. Загрязнение окружающей среды тяжелыми металлами вызывает нарушения в пигментном комплексе растений. Наблюдается достоверное снижение уровня хлорофилла а и каротиноидов в листьях изучаемых растений, при этом соотношение «хлорофилл а: хлорофилл b» уменьшается в 1,2-1,3 раза.

6. Нарушения в симметрии развития листовой пластины рудеральных растений достоверно отражают экологическое неблагополучие урбанизированных территорий.

7. Доказана возможность использования энергии прорастания и всхожести семян одуванчика лекарственного и подорожника большого в экологическом биомониторинге.

Практические рекомендации

1. Министерству природных ресурсов и лесного комплекса Красноярского края рекомендовать для биоиндикации антропогенного загрязнения урбанизированных территорий использовать одуванчик лекарственный, подорожник большой и лопух большой, проводя экспресс-оценку качества городской среды по флуктуирующей асимметрии листовой пластины и энергии прорастания и всхожести семян.

2. Результаты исследований используются в учебном процессе студентов направлений: 110100 «Агрохимия и агропочвоведение», 110200 «Агрономия» по дисциплинам: «Общая экология», «Экология человека», «Охрана окружающей среды и рациональное природопользование» в ФГОУ ВПО «Красноярский государственный аграрный университет» (акт о внедрении прилагается).

Список работ по теме диссертации

В журналах, рекомендованных ВАК РФ

1. Терлеева, П.С. Оценка антропогенной загрязненности территории г. Красноярска методом биотестирования / П.С. Терлеева // Вестник КрасГАУ. - Красноярск: Изд-во КрасГАУ, 2009. - № 8. - С. 152 - 154.

2. Кириенко, Н.Н. Влияние автотранспортного загрязнения биотопа на биохимическую активность Arctium lappa и Plantago major / Н.Н. Кириенко, П.С. Терлеева, Г.Г. Первышина // Вестник КрасГАУ. - Красноярск: Изд-во КрасГАУ, 2009. - № 7. - С. 70 - 72.

Другие научные издания

1. Терлеева, П.С. Интегральная экспресс-оценка качества среды обитания по флуктуирующей асимметрии листовой пластины Taraxacum officinale, Plantago мajor, Arctium lappa / П.С. Терлеева // Студенческая наука - взгляд в будущее: мат-лы Всерос. студ. конф. (14 апреля 2010 г.). Ч. 1. - Красноярск: Изд-во КрасГАУ, 2010.

2. Терлеева, П.С. Влияние автотранспортных выбросов на содержание в лекарственном растительном сырье витамина С и углеводов / П.С. Терлеева // Студенческая наука - взгляд в будущее: мат-лы Всерос. студ. конф. (26 марта 2009 г.). Ч. 3. - Красноярск: Изд-во КрасГАУ, 2010. - С. 95 - 96.

3. Терлеева, П.С. Влияние тяжелых металлов на растения / П.С. Терлеева // Проблемы естествознания в третьем тысячелетии: сб. ст. межвузов. науч. студ. конф. - Красноярск: Изд-во КГТЭИ, 2009. - С. 201-203.

4. Кириенко, Н.Н. К вопросу о специфике аккумуляции тяжелых металлов в одуванчике лекарственном / Н.Н Кириенко, П.С. Терлеева // Проблемы современной аграрной науки: мат-лы междунар. заоч. конф. - Красноярск: Изд-во КрасГАУ, 2009. - С. 39-42.

5. Терлеева, П.С. Влияние антропогенной загрязненности биотопа на содержание тяжелых металлов в одуванчике лекарственном / П.С. Терлеева// Проблемы естествознания в третьем тысячелетии: сб. ст. межвуз. науч. студ. конф. (23 мая 2008 г.). - Красноярск: Изд-во КГТЭИ, 2008. - С.147-149.

6. Оленков, А.Г. Экологическая безопасность продуктов питания / А.Г. Оленков, П.С. Терлеева, Н.Н. Кириенко [и др.] // Сб. ст. Всерос. науч.-практ. конф. (28 марта 2008 г.). - Красноярск: Изд-во КГТЭИ, 2008. - С. 140 - 144.

7. Терлеева, П.С. К вопросу о биогеохимической активности Taraxacum officinale / П.С. Терлеева// Студенческая наука - взгляд в будущее: мат-лы Всерос. студ. конф. (26 марта 2008 г.). Ч. 3. - Красноярск: Изд-во КрасГАУ, 2008. - С. 100-102.

8. Первышина, Г.Г. Экологическая безопасность школьного питания / Г.Г. Первышина, П.С Терлеева, Н.Н. Кириенко // Здоровое питание - здоровая нация: тез. докл. Красноярского форума (19-22 февраля 2008 г.). - Красноярск, 2008. - С. 205 - 207.

9. Терлеева, П.С. Taraxacum officinale как индикатор загрязнения окружающей среды / П.С. Терлеева // Экология Южной Сибири и сопредельных территорий: мат-лы XI Междунар. науч. школы - конф. студентов и молодых ученых. - Абакан, 2007.

10. Терлеева, П.С. Оценка влияния ОАО «Красноярский алюминиевый завод» на окружающую среду / П.С. Терлеева// Проблемы естествознания в третьем тысячелетии: сб. ст. межвуз. науч. студ. конф. (24 мая 2007 г.). - Красноярск: Изд-во КГТЭИ, 2007. - С. 55 - 58.

11. Терлеева, П.С. К вопросу о негативном воздействии ОАО «Красноярский алюминиевый завод» на природную среду / П.С. Терлеева // Студенческая наука - взгляд в будущее: мат-лы Всерос. студ. конф. (28 марта 2007 г.). Ч. 2. - Красноярск: Изд-во КрасГАУ, 2007. - С. 91 - 93.

12. Первышина, Г.Г. К вопросу о миграции тяжелых металлов в системе «дикорастущее растение - продукт, содержащий БАВ» / Г.Г. Первышина, Н.Н. Кириенко, П.С. Терлеева // Проблемы современной аграрной науки: мат-лы междунар. заоч. конф. - Красноярск: Изд-во КрасГАУ, 2006. - С. 53 - 54.

13. Терлеева, П.С. К вопросу о детоксикации кадмия и его соединений в биологических системах / П.С. Терлеева // Студенческая наука - взгляд в будущее: мат-лы Всерос. студ. конф. (28 марта 2007 г.). Ч. 1. - Красноярск: Изд-во КрасГАУ, 2006. -С. 146 - 147.

14. Кириенко, Н.Н. Механизмы устойчивости сельскохозяйственных и дикорастущих растений к стрессовым факторам среды: моногр. / Н.Н. Кириенко, Г.Г. Первышина, Е.Н. Конышева, П.С. Терлеева; Краснояр. гос. аграр. ун-т. - Красноярск, 2009. - 269 с.

Размещено на Allbest.ru