Біоіндикація техногенно трансформованих територій з використанням drosophila melanogaster mg. (на прикладі м. Чернівці)

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

ЧЕРНІВЕЦЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

імені ЮРІЯ ФЕДЬКОВИЧА

УДК 591.524 (591.525)+595.773.4

03.00.16. - екологія

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата біологічних наук

БІОІНДИКАЦІЯ ТЕХНОГЕННО ТРАНСФОРМОВАНИХ ТЕРИТОРІЙ З ВИКОРИСТАННЯМ DROSOPHILA MELANOGASTER MG. (НА ПРИКЛАДІ м. ЧЕРНІВЦІ)

ЛЕГЕТА УЛЯНА ВОЛОДИМИРІВНА

ЧЕРНІВЦІ - 2006

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі загальної та експериментальної екології Чернівецького національного університету імені Юрія Федьковича Міністерства освіти і науки України

Науковий керівник: доктор біологічних наук, професор

Руденко Світлана Степанівна,

Чернівецький національний університет імені Юрія Федьковича, професор кафедри загальної та експериментальної екології

Офіційні опоненти: доктор біологічних наук, член-кореспондент НАН України, професор Ємельянов Ігор Георгійович,

Інститут зоології ім. І.І. Шмальгаузена НАН України, відділ популяційної екології та біогеографії, завідувач відділу

Доктор біологічних наук, професор

Стефурак Василь Петрович,

Івано-Франківський державний медичний університет,професор кафедри медичної біології і генетики

Провідна установа: Дніпропетровський національний університет

Міністерства освіти і науки України, м. Дніпропетровськ.

Захист відбудеться “20” вересня 2006 року о 12⁰⁰ годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 76.051.05 в Чернівецькому національному університеті імені Юрія Федьковича за адресою: 58012, м. Чернівці, вул. Лесі Українки, 25, корпус 3, біологічний факультет, ауд. 81.

З дисертацією можна ознайомитися в науковій бібліотеці Чернівецького національного університету імені Юрія Федьковича за адресою: м. Чернівці, вул. Лесі Українки, 23.

Автореферат розісланий “ 18 ” серпня 2006 року.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради ___________________ Копильчук Г.П.

Анотація

Легета У.В. Біоіндикація техногенно трансформованих територій з використанням Drosophila melanogaster Mg. (на прикладі м. Чернівці). - Рукопис.

Дисертація на здобуття вченого ступеня кандидата біологічних наук зі спеціальності 03.00.16 - екологія. - Чернівецький національний університет імені Юрія Федьковича, Чернівці, 2006.

Розроблені та апробовані технологічна схема і методологічні принципи біоіндикації техногенно трансформованих територій з використанням Drosophila melanogaster Mg. Алгоритм біоіндикації включає 4 основні етапи і базується на використанні широкого спектру аналізів: когортного, фенотипового, кореляційного, регресійного і кластерного. Крім загальної технологічної схеми біоіндикації територій з використанням D. melanogaster, був запропонований цілий ряд нових показників та методів. Зокрема, розроблена методика інтегральної оцінки когорт за показником їх загальної життєздатності (ПЗЖК). Даний показник дозволяє порівняти криві виживання когорт одного і того ж виду на різних техногенно трансформованих територіях. Крім того, запропонована оригінальна класифікація популяцій на основі вагомості внеску якісних та кількісних ознак у формування узагальнених фенотипових дистанцій. Розроблені спеціальні алгоритми для визначення маркерів елементарних популяцій (ЕП) техногенно трансформованих територій серед сукупності якісних та морфометричних ознак. Вищезазначені методичні підходи були апробовані на прикладі 34-х техногенно трансформованих територій м. Чернівці. При цьому були одержані результати, які мають як фундаментальне, так і практичне значення.

Ключові слова: Drosophila melanogaster, технологічна схема біоіндикації, показник загальної життєздатності когорт, чиста швидкість розмноження когорт, частковий рейтинг пошкодження біоіндикатора, інтегральний рейтинг пошкодження біоіндикатора, маркери популяцій, фени.

Аннотация

Легета У.В. Биоиндикация техногенно трансформированных территорий с использованием Drosophila melanogaster Mg. (на примере г. Черновцы). - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата биологических наук по специальности 03.00.16 - экология. - Черновицкий национальный университет имени Юрия Федьковича, Черновцы, 2006.

Разработаны и апробированы технологическая схема и методологические принципы биоиндикации техногенно трансформированных территорий с использованием Drosophila melanogaster Mg. Алгоритм биоиндикации включает 4 основных этапа и базируется на использовании широкого спектра анализов: когортного, фенотипического, корреляционного, регрессионного и кластерного. Кроме общей технологической схемы биоиндикации территорий с использованием D. melanogaster, был предложен целый ряд новых показателей и методов. В частности, разработана методика интегральной оценки когорт за показателем их общей жизнеспособности (ПОЖК). Данный показатель позволяет сравнивать кривые выживания когорт одного и того же вида на разных техногенно трансформированных территориях. Кроме того, предложена оригинальная классификация популяций на основе значимости вклада качественных и количественных признаков в формирование обобщенных фенотипических дистанций. Разработаны специальные алгоритмы для определения маркеров элементарных популяций (ЭП) техногенно трансформированных территорий из числа качественных и морфометрических признаков. Вышеизложенные методические подходы были апробированы на примере 34-х техногенно трансформированных территорий г. Черновцы. При этом были получены результаты, которые имеют как фундаментальное, так и прикладное значение.

Ключевые слова: Drosophila melanogaster, технологическая схема биоиндикации, показатель общей жизнеспособности когорт, чистая скорость размножения когорт, частичный рейтинг повреждения биоиндикатора, интегральный рейтинг повреждения биоиндикатора, маркеры популяций, фены.

Summary

Legeta U.V. Bioindication of the tehnogeny transformed territories with the use of Drosophila melanogaster Mg. (on an example Chernivtsy). - Manuscript.

Dissertation on competition of graduate degree of candidate of biological sciences in the speciality 03.00.16 - ecology. - Chernivtsy National University, Chernivtsy, 2006.

The technological circuit and methodological principles of bioindication technophage the transformed territories with use D. melanogaster Mg are developed and approved. The algorithm of bioindication includes 4 basic of a stage and is based on use of a wide spectrum of analyses: cohortypic, phenotypic, correlation, regressive and cluster. Except for the general technological circuit of bioindication of territories with use D. melanogaster, a lot of new parameters and methods has been offered. In particular, the technique of an integrated estimation of cohorts behind a parameter of their general viability (GVDC) is developed. The given parameter allows to compare curve survivals of cohorts of the same kind on different technophage the transformed territories. Besides original classification of populations is offered on the basis of the importance of the contribution of qualitative and quantitative attributes in formation generalized phenotypic distances. Special algorithms for definition of markers of elementary populations (EP) technophage the transformed territories are developed from among qualitative and morphometric attributes. The above-stated methodical approaches have been approved by the example of 34 technophage the transformed territories Chernivtsy. Thus results which have both fundamental, and applied value have been received.

Key words: Drosophila melanogaster, the technological circuit of bioindication, a parameter of the general viability of cohorts, pure speed of duplication of cohorts, a partial rating of damage of the bioindicator, an integrated rating of damage of the bioindicator, markers of populations, hair driers.

Загальна характеристика роботи

біоіндикація біоіндикатор трансформований

Актуальність теми. Drosophila melanogaster Meigan (Мg.) більше відома як класичний об'єкт генетичних досліджень. Натомість ті переваги, які забезпечили її високу популярність в генетиці (висока плодючість, короткий цикл розвитку, широкий ареал, велика кількість мутантних форм тощо), цілком збігаються з критеріями, які висуваються прикладною екологією до видів-біоіндикаторів.

На сьогодні науковий доробок, присвячений D. melanogaster, можна окреслити 6-а головними напрямками: індукція генетичних та цитогенетичних змін у D. melanogaster під впливом різних чинників у лабораторному експерименті (J. Angus, 1995; В.Г. Зайнуллин и др., 2002; Л.А. Журавлёва, 2004; О. . Бадун та ін., 2004; Н.Я. Кимак и др., 2005; Л. Шакіна та ін., 2005); з'ясування механізмів процесу старіння на прикладі D. melanogaster (D.M. Izmaylov et al., 1996; A.M. Leroi et al., 1996; В.Н Анисимов и др., 1996; С.В. Мыльников и др., 1997; А.И. Потапенко и др., 1999; І. Золотих та ін., 2004); поведінка D. melanogaster залежно від штучно створених та природних умов, особливо умов освітлення (А.Г. Имашева и др., 1993; Л. Воробйова та ін., 2004); використання дрозофіли як біотестера малих річок, ґрунтів, а також токсичності різних фракцій нафти (Г.А. Петухова и др., 1999; Ю.Л. Вавилов, 2001; Vu.L. Vavilov et al., 2002); сезонна та географічна зміна фено- та генотипової структури природних популяцій D. melanogaster (J. David et al., 1988; И.К. Захаров, 1995; Г.В. Гречаный и др., 1998; D.E. Gavrikov, 1998; Е.Л. Ермаков, 2000); виявлення залежності плодючості та тривалості життя D. melanogaster від природно-кліматичних факторів та їх сезонної варіації (I. Bouletreau-Merle, 1992; І.В. Глушкова та ін., 1999; И.В. Гордеева, 2005).

Отже, в екологічних дослідженнях D. melanogaster використовувалась лише як біотестер, тобто як модельний об'єкт для оцінки стану окремих елементів довкілля виключно в лабораторних умовах. У природних умовах вивчався вплив суто природно-кліматичних чинників та сезонних змін на фенотипову структуру, плодючість та життєздатність популяцій D. melanogaster (Г.В. Гречаный и др., 1997). Викладене засвідчує, що D. melanogaster практично не використовувалась як біоіндикатор техногенно трансформованих територій.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконана на кафедрі загальної та експериментальної екології Чернівецького національного університету імені Юрія Федьковича у 2003-2005 роках відповідно до тематичного плану науково-дослідної роботи кафедри по темі “Біоіндикація природних, урбо- та агроекосистем Чернівецької області” (№ держреєстрації 0103U001966).

Мета і завдання дослідження. Метою роботи була розробка і апробація технологічної схеми та методологічних основ біоіндикації техногенно трансформованих територій з використанням D. melanogaster.

Для досягнення поставленої мети були визначені наступні завдання:

розробити ефективну та адаптовану до специфіки біоіндикатора методику визначення показників когортного аналізу і оцінити рівень їх зміни на досліджуваних техногенно трансформованих територіях відносно фонових територій відповідних ландшафтних районів м. Чернівці;

на основі комплексу морфометричних та якісних ознак визначити узагальнені фенотипові дистанції між елементарними популяціями D. melanogaster техногенно трансформованих і фонових територій відповідних ландшафтних районів;

розробити і апробувати методику оцінки внеску якісних і морфометричних ознак в узагальнені фенотипові дистанції та здійснити класифікацію досліджуваних елементарних популяцій (ЕП) на цій основі;

розробити систему критеріїв виявлення маркерів для окремих елементарних популяцій з числа якісних і морфометричних ознак та апробувати її на практиці;

за зміною різних тест-ознак відносно фонових значень розрахувати часткові рейтинги пошкодження біоіндикатора (ЧРПБ) для різних точок біомоніторингу в масштабі міста; на їх основі визначити середні значення ЧРПБ для ландшафтних районів та галузей промислового комплексу;

дослідити взаємозв'язок між ЧРПБ, визначеними за різними тест-ознаками, а також за якісними і морфометричними маркерами;

на основі сукупності ЧРПБ, визначених за різними тест-ознаками, розрахувати інтегральний рейтинг пошкодження біоіндикатора (ІРПБ) для різних точок біомоніторингу в масштабі міста; на його основі визначити усереднені значення ІРПБ для ландшафтних районів і галузей промислового комплексу;

методом покрокового регресійного аналізу оцінити внесок різних ЧРПБ в ІРПБ і, на основі кластерного аналізу ІРПБ, побудувати дендрограму точок біомоніторингу та проаналізувати групи утворених кластерів;

побудувати рівняння регресії щодо впливу забруднювачів довкілля на зміну окремих тест-ознак біоіндикатора та ІРПБ.

Об'єкт досліджень - розробка технологічних схем та методів біоіндикації.

Предмет досліджень - біоіндикація техногенно трансформованих територій м. Чернівці з використанням Drosophila melanogaster Мg.

Методи досліджень - метод когортного аналізу, метод визначення фенотипових дистанцій, методи виявлення ознак-маркерів, методи оцінки часткових та інтегрального рейтингів пошкодження біоіндикатора, метод кореляційного рангового аналізу, метод покрокового регресійного аналізу, метод кластерного аналізу.

Наукова новизна одержаних результатів. Отримані результати мають, перш за все, фундаментальне значення. Зокрема, доведена гіпотеза трьох альтернативних компенсаторних стратегій біоіндикатора при зростанні нестабільності середовища.

Вперше в Україні з метою біоіндикації техногенно трансформованих територій застосована D. melanogaster. Цілий ряд викладених у роботі методичних підходів є новими в практиці біоіндикаційних досліджень. Зокрема, запропонована та апробована оригінальна схема біоіндикації техногенно трансформованих територій з використанням D. melanogaster.

Значної модифікації та удосконалення набула в роботі методика когортного аналізу. Перевагою даної методики є інтегральний підхід до узагальнення даних, одержаних на основі таблиць виживання когорт. Введено новий показник когортного аналізу - показник загальної життєздатності когорт (ПЗЖК), який вирішує проблему зіставлення кривих виживання когорт одного і того ж виду зообіоіндикаторів на різних техногенно трансформованих територіях. Розроблена оригінальна методика аналізу узагальнених фенотипових дистанцій між елементарними популяціями D. melanogaster, поширеними на техногенно трансформованих та фонових територіях, і запропоновано оригінальний принцип класифікації досліджених популяцій на основі відповідного аналізу.

Запропоновано алгоритми виділення маркерів ЕП з числа якісних та морфометричних ознак.

Показано переважання змін пластичних морфометричних ознак порівняно з якісними у більшості елементарних популяцій D. melanogaster на техногенно трансформованих територіях. Виявлено ознаки-маркери, які збігаються з пониженою швидкістю розмноження когорт біоіндикатора. Встановлено адаптивне значення ознак, пов'язаних зі зміною кольору очей та кольору тіла.

Практичне значення результатів дисертаційної роботи. Робота має прикладне значення. У межах м. Чернівці виявлені техногенно трансформовані території з високим та дуже високим рівнем окремих ЧРПБ та ІРПБ. Крім того, виявлені забруднювачі довкілля м. Чернівці, які здійснюють прямий вплив на показники життєздатності когорт D. melanogaster, чисту швидкість їх розмноження, а також на фенотипові дистанції між елементарними популяціями техногенно трансформованих та фонових територій.

Встановлені автором теоретичні закономірності використовуються в процесі читання нормативних та спеціальних лекційних курсів на кафедрі загальної та експериментальної екології: “Основи загальної екології”, “Нормування антропогенного навантаження”, “Екологія тварин”, “Біоіндикація”. Розроблені методики застосовуються під час навчальної практики студентів спеціальності 6.070800 “Екологія та охорона навколишнього середовища”.

Особистий внесок здобувача. Дисертантом особисто здійснено інформаційний пошук, аналіз та оцінку наукової літератури, експериментальну частину і статистичну обробку результатів дисертаційної роботи. Аналіз отриманих даних, їхнє обговорення та підготовка матеріалу до друку проведені спільно з науковим керівником.

Апробація результатів дисертації. Основні результати роботи доповідались та обговорювались на: Міжнародній науково-практичній конференції “Екологія. Людина. Суспільство” V (Київ, 2002 р.), VІІ (2004 р.), VІІІ (2005 р.); Міжнародній науковій конференції “Фальцфейнівські читання” (Херсон, 2005 р.); І Міжнародній конференції молодих вчених “Сучасні проблеми екології” (Запоріжжя, 2005 р.); VІІІ Міжнародній науково-практичній конференції “Наука і освіта - 2005” (Дніпропетровськ, 2005 р.); Міжнародній науково-практичній конференції “Наука та інновації - 2005” (Дніпропетровськ, 2005 р.); Міжнародній науково-практичній конференції “Наукові дослідження - теорія та експеримент '2005” (Полтава, 2005 р.).

Публікації. Основні результати дисертаційних досліджень висвітлено в 13 наукових працях: 5 статей у провідних фахових виданнях та 8 публікацій у матеріалах і тезах доповідей міжнародних конференцій.

Структура та обсяг дисертації. Дисертація складається зі вступу, 7 розділів, узагальнення результатів дослідження, висновків, списку використаних джерел літератури, що включає 211 найменувань (з них 46 іншомовних) та 6 додатків. Обсяг роботи становить 200 сторінок друкованого тексту, дисертація проілюстрована 29 рисунками, 30 таблицями та 38 фотографіями.

Основний зміст роботи

В огляді літератури проаналізовано використання зообіоіндикаторів для проведення біомоніторингу територій. Зроблено висновок про недостатність застосування D. melanogaster у біоіндикаційних дослідженнях. Детально розглянуті тест-ознаки, які є найбільш пріоритетними в біоіндикаційній практиці. Показана відсутність інтегральних критеріїв при застосуванні когортного аналізу та уніфікованих підходів до оцінки фенотипових дистанцій та виділення маркерів популяцій.

Матеріали та методи досліджень. Дослідження проводились на прикладі 34 техногенно трансформованих територій м. Чернівці, які зосереджені у трьох ландшафтних районах - Садгірському, Центральноміському та Південному. Для кожного району була визначена фонова територія, яка відповідала рекреаційній зоні. Відлов D. melanogaster проводили протягом 2-х місяців (червень-липень) з використанням пасток, наповнених сезонними фруктами у чотирьохкратній повторності. Відловлених мух переселяли у спеціально сконструйовані для даного аналізу мікрокультиватори з агаризованим поживним середовищем. Протягом 12 днів фіксували кількість особин, які з'явились у мікрокультиваторі, на початку кожної із стадій онтогенезу. Всі підрахунки велись безпосередньо на техногенно трансформованих територіях. ПЗЖК розраховували за власною методикою, яка базується на визначенні площ фігур під кривими виживання (С.С. Руденко, У.В. Легета, 2005). Показник чистої швидкості розмноження когорт (R₀) визначали за методикою М. Бігона (1989). Для обчислення узагальнених фенотипових дистанцій використовували коефіцієнт Майра - CD_j (nm) (Д.А. Шабанов, 2004). Оцінку значень та рівня ЧРПБ і ІРПБ здійснювали за методикою І.А. Горової (1996). Регресійний і кореляційний аналізи, а також статистичну обробку даних проводили на ПЕОМ з використанням прикладної програми „STATISTICA for WINDOWS 6.0”.

Порівняльний аналіз стану когорт Drosophila melanogaster Mg., утворених на техногенно трансформованих та фонових територіях

Визначення загальної життєздатності когорт. На підставі аналізу літератури нами був зроблений висновок про відсутність ефективного інтегрального показника, який дозволив би порівняти загальну життєздатність когорт. Наявність такого показника відкрила б можливість порівняльного аналізу когорт одного і того ж виду на різних територіях. Для усунення цієї прогалини нами був розроблений та апробований показник загальної життєздатності когорт (ПЗЖК), принцип визначення якого ґрунтується на обчисленні площ під кривими виживання. Для цього спочатку на основі таблиць виживання будували криві виживання в одному масштабі. Потім фігури під кривими виживання біоіндикатора вирізали і зважували. Далі на основі t-статистики відбирали ті фігури, маса яких достовірно відрізнялась від маси фігур у контролі.

На основі даної методики визначення ПЗЖК з 34 техногенно трансформованих територій було виділено 20, для яких була встановлена достовірна різниця за масою фігур, утворених під кривими виживання, порівняно з контролем. Потім саме для цих варіантів були послідовно визначені площа відповідних фігур, яку ми розглядаємо власне як ПЗЖК, та відсоток ПЗЖК у кожному з дослідних варіантів від його значення в контролі (рис.2). Було виявлено 4 точки біомоніторингу з дуже високим і 4 з високим рівнем ЧРПБ_пзжк. Шість із 8-и зазначених точок зосереджені у Південному ландшафтному районі.

Оцінка швидкості розмноження когорт. У 16 з 34 точок біомоніторингу було встановлено достовірне пониження чистої швидкості розмноження когорт (R₀) відносно контролю (рис. 1). При цьому на 6-и техногенно трансформованих територіях рівень зміни ЧРПБ, визначений за R₀, може бути віднесений до дуже високого, а в 6-и - до високого. Найбільше усереднене значення встановлене для техногенно трансформованих територій Центральноміського ландшафтного району.

У цілому, зміни показника R₀ охоплювали дещо менше точок біомоніторингу, але були більш глибокими порівняно з ПЗЖК. Так, достовірні зміни за показником R₀ були зареєстровані у 16-и точках біомоніторингу, проте, найбільші з них становили 41-55% від контрольного значення. У той час, як для ПЗЖК достовірні зміни були зареєстровані в 20-и точках біомоніторингу, але найбільші з них становили 72-78 % від контролю.

Рисунок 1

1 - Чернівецький цукровий завод, 2 - завод теплоізоляційних матеріалів, 3- ВАТ “Чернівцінафтопродукт”, нафтобаза, 4 - олійно-жировий комбінат, 5- Чернівецький спиртзавод, 6 - Чернівецький хімічний завод, 7 - Чернівецька меблева фабрика, 8 - Чернівецький склодзеркальний завод, 9 - міський молокозавод, 10- автостоянка біля МТК “Калинівський ринок”, 11 - завод залізобетонних виробів та конструкцій (1), 12 - завод залізобетонних виробів та конструкцій (2), 13 - АЗС №1 “Sentosa oil”, 14 - автобаза фірми “Денисівка”, 15 - автостанція №3, 16 - міське сміттєзвалище, 17 - Чернівецький м'ясокомбінат, 18 - Чернівецька харчосмакова фабрика, 19 - меблевообробний комбінат, 20 - гумовзуттєва фабрика “Розма”, 21 - цегельний завод №1, 22 - цегельний завод №3, 23 - ТОВ “Машзавод”, 24 - автостанція №2, 25 - автобаза фірми “Турист”, 26- хлібозавод №1, 27 - АЗС ТОВ “Мавекс-Буковина”, 28 - АЗС “Західна нафтова група”, 29 - АЗС “Чернівцінафтопродукт”, 30 - держкомбінат хлібопродуктів, 31 - завод будівельних конструкцій, 32 - котельні облтепломережі, 33 - автовокзал №1, 34- АЗС-1 ТОВ “Авіас”.

Визначення та аналіз фенотипових дистанцій між елементарними популяціями Drosophila melanogaster Mg. техногенно трансформованих та фонових територій

Визначення узагальнених фенотипових дистанцій. При зіставленні натурного популяційного матеріалу D. melanogaster, зібраного на техногенно трансформованих територіях м. Чернівці, було виділено чотири групи якісних ознак (фенів).

Крім якісних ознак, було досліджено також 16 морфометричних ознак та їх індексів, які є загальноприйнятими у практиці морфометричних досліджень комах.

Узагальнені фенотипові дистанції між елементарними і фоновими популяціями, визначені на основі усього комплексу вищезгаданих ознак, подані у вигляді пелюсткових діаграм (рис. 2).

Оцінка внеску якісних та морфометричних ознак у фенотипові дистанції. Узагальнені фенотипові дистанції формують уявлення про сукупну фенотипову своєрідність елементарних популяцій техногенно трансформованих територій порівняно з фоновими. Проте, вони не віддзеркалюють внеску морфометричних та якісних ознак у формування фенотипових дистанцій між дослідними і контрольними популяціями. У роботі запропонована та апробована методика такого дослідження. Спочатку пропонується визначити середні значення відносних дистанцій окремо за морфометричними і за якісними ознаками. Для цього сума відносних дистанцій за кожним типом ознак ділиться на кількість ознак відповідного типу, а не наскрізно, як це робилось для визначення узагальнених фенотипових дистанцій. Потім пропонується встановити співвідношення середніх значень відносних дистанцій, визначених за обома групами ознак, і на основі цього зробити висновок про те, які з них є більш значимими при формуванні узагальнених фенотипових дистанцій кожної ЕП. Завершальним етапом цієї методики є класифікація популяцій за пріоритетним внеском тих чи інших ознак у фенотипові дистанції.

На основі запропонованої методики було виділено 10 ЕП з пріоритетним внеском якісних ознак у формування фенотипових дистанцій як у самців, так і у самок. У 21 популяції узагальнені фенотипові дистанції у самців та самок зумовлені виключно морфометричними ознаками. Лише для самок ЕП промислової зони (ПЗ) склодзеркального заводу та для самців елементарної популяції ПЗ м'ясокомбінату внесок якісних і морфометричних ознак в узагальнені фенотипові дистанції виявився приблизно пропорційним.



Рис. 2. Узагальнені фенотипові дистанції _(nm) між самками (1) та самцями (2) D. melanogaster техногенно трансформованих та фонових територій Садгірського (А), Центральноміського (Б) та Південного (В) ландшафтних районів м. Чернівці.

Примітка. Номери техногенно трансформованих територій на рис. 3 збігаються з поданими у примітках до рис. 2.

Визначення маркерів елементарних популяцій. Була запропонована наступна схема для виділення маркерів елементарних популяцій з числа якісних ознак: відбір популяцій, для яких середнє значення відносних дистанцій за якісними ознаками ?150% > виявлення в цих популяціях груп фенів, для яких відносна дистанція ?400% > з'ясування того, чи є дистанція за відповідною групою фенів найбільшою в межах ландшафтного району і міста > виділення у межах цієї групи фенів такого фену, частота появи якого в досліджуваній ЕП є найбільшою серед фенів, які відсутні у фоновій популяції даного ландшафтного району > з'ясування того, чи є частота появи даного фену найбільшою в межах відповідного ландшафтного району та міста > заключний висновок.

На основі застосування зазначеної методики, на початковій стадії було відібрано 33 варіанти ЕП з врахуванням статі. Після застосування усієї сукупності критеріїв було виділено 9 маркерів з числа якісних ознак на рівні міста і 7 - на рівні ландшафтних районів.

Для виділення маркерів елементарних популяцій з числа морфометричних ознак був застосований дещо видозмінений, порівняно з попереднім, алгоритм дослідження: відбір популяцій, для яких середнє значення відносних дистанцій за морфометричними ознаками ?150% > виявлення в цих популяціях морфометричних ознак, відносні дистанції за якими ?400% > з'ясування того, чи є дистанція за цими ознаками найбільшою в межах ландшафтного району та міста > з'ясування того, чи є абсолютні значення відповідних ознак найбільшими чи найменшими в межах району і міста > визначення коефіцієнту варіації виділених ознак > при низькому значенні останнього, визначення коефіцієнту успадкованості виділених ознак > заключний висновок.

Згідно зазначеної методики, на початковій стадії було відібрано 8 варіантів елементарних популяцій з урахуванням обох статей, для яких середнє значення відносних дистанцій за морфометричними ознаками виявилось ?150%. Після застосування усієї сукупності критеріїв було виявлено 2 морфометричних маркери на рівні міста та 1 - на рівні ландшафтного району.

Регресійний аналіз впливу техногенних чинників на когортні та популяційні показники Drosophila melanogaster Mg.

Для виявлення техногенних чинників, які здійснюють достовірний вплив на досліджувані показники D. melanogaster, був застосований покроковий множинний регресійний аналіз. При цьому вивчали вплив на досліджувані показники D. melanogaster (Y) (ПЗЖК, R₀, , ІРПБ) як абсолютних значень викидів різних забруднювачів, так і рівнів перевищення встановлених для відібраних підприємств ГДК даних сполук. Інформація щодо викидів забруднювачів була надана нам Державним управлінням екології та природних ресурсів у Чернівецькій області.

Всього було одержано 9 рівнянь покрокової регресії, значимість та достовірність яких була перевірена критеріями R, R², F- і t-статистики. Нижче наведені лише ті рівняння, які відображають вплив абсолютних викидів на досліджувані показники.

Y_ПЗЖК = 99,30 - 0,78Х (нітроген (IV) оксид) - 0,55Х (етанол) - 0,82Х (аерозоль фарб) + 1,06Х (сульфур (IV) оксид) - 12,05Х (хлор та його сполуки) + 11,76Х (уайт-спірит) + 0,46Х (пил неорганічний з оксидом кремнію) (1)

R=0,95; R²= 0,90; F(df=10,8)=7,16; p < 0,05

Y_R0 = 95 - 0,53Х (формальдегід) - 0,83Х (оксид карбону) (2)

R=0,77; R²= 0,60; F= (df=4,14)=5,01; p < 0,01

Y₊ = 0 + 2,75Х (вуглеводні граничні) + 5,25Х (оксид карбону) - 5,26Х (пил цементного виробництва) + 1,19Х (манган та його сполуки) - 0,99Х (нітроген (IV) оксид) + 1,83Х (речовини у вигляді суспензованих твердих частинок) - 0,43Х (ксилол) (3)

R=0,97; R²= 0,94; F(df=12,6)=8,5; p < 0,008

Y_ІРПБ = 0,15 + 55Х (ЛНОС) (4)

R=0,78; R²= 0,61; F(df=5,13)=4,03; p < 0,02

Узагальнення

Одним з важливих аспектів узагальнення одержаних даних було визначення інтегрального рейтингу пошкодження біоіндикатора, який розраховували для елементарних популяцій окремих техногенно трансформованих територій, ландшафтних районів міста та галузей промисловості.

На основі значень ІРПБ була побудована дендрограма кластерного аналізу, яка дозволила класифікувати техногенно трансформовані території за групами кластерів (рис. 3). Всього виділено 23 кластери, які розпадалися на два чітко виражених великих вузлових кластери, з локалізацією на відстані 0,36 та 0,48 евклідових одиниць. До першого кластеру увійшли, після поетапного об'єднання, елементарні популяції ПЗ з дуже високим, високим та вищим за середній рівнем ІРПБ. Серед них: елементарні популяції ПЗ хімічного заводу, склодзеркального заводу, території міського сміттєзвалища, АЗС №1 “Sentosa oil”, ПЗ олійно-жирового комбінату, заводу теплоізоляційних матеріалів, території АЗС №3 ТОВ “Західна нафтова група” і ПЗ цукрового заводу. У межах даного кластеру елементарні популяції ПЗ хімічного та склодзеркального заводів, як видно з дендрограми, утворюють окрему підгрупу, найбільше віддалену від інших підгруп. Другий великий вузловий кластер (див. рис. 4) розпадається на два кластери. Перший із них об'єднує елементарні популяції техногенно трансформованих територій з низьким та нижчим за середній рівень значенням ІРПБ. До цього кластеру відносяться елементарні популяції ПЗ держкомбінату хлібопродуктів, території автостоянки біля МТК “Калинівський ринок”, ПЗ спиртзаводу, обох заводів залізобетонних конструкцій та нафтобази. До другого кластеру належить більшість елементарних популяцій техногенно трансформованих територій з середнім рівнем ІРПБ.

Рис. 3. Групування досліджених елементарних популяцій D. melanogaster за допомогою кластерного аналізу (метрика Евкліда, об'єднання за методом повного зв'язку)

Висновки

У даній роботі вперше запропонована та апробована оригінальна технологічна схема біоіндикації техногенно трансформованих територій з використанням D. melanogaster, а також методика її відлову та культивування в натурних умовах.

1. Методом регресійного покрокового аналізу доведено високу достовірність впливу кожного із часткових рейтингів пошкодження біоіндикатора (ЧРПБ), визначених за відносними значеннями показника загальної життєздатності когорт (ПЗЖК), чистої швидкості розмноження когорт (R₀) та за узагальненими фенотиповими дистанціями () на інтегральний рейтинг пошкодження біоіндикатора (ІРПБ). Показана відсутність достовірних кореляційних зв'язків між зазначеними ЧРПБ.

2. Виявлено невідповідність максимальних значень ЧРПБ, визначених за дослідженими тест-ознаками, для окремих точок біомоніторингу та ландшафтних районів. Найбільше значення ЧРПБ_ПЗЖК встановлено для Південного району, ЧРПБ_R0 - для Центральноміського, а ЧРПБ- для Садгірського району.

3. У 2/3 елементарних популяцій техногенно трансформованих територій фенотипова віддаленість від фонових популяцій зумовлена виключно сукупністю пластичних морфометричних ознак і лише в 1/3 - пріоритетним впливом якісних ознак (фенів). Виявлено лише два випадки рівноцінного внеску якісних та морфометричних ознак в узагальнені фенотипові дистанції - у самок елементарної популяції ПЗ склодзеркального заводу та самців елементарної популяції ПЗ м'ясокомбінату.

4. Маркери з числа якісних ознак в масштабі міста встановлені для 6-ти елементарних популяцій, п'ять з яких знаходяться на техногенно трансформованих територіях Садгірського ландшафтного району (у ПЗ цукрового, хімічного, склодзеркального заводів, заводу теплоізоляційних матеріалів та на території АЗС №1 “Sentosa oil”) і одна - в Південному ландшафтному районі (на території АЗС ТОВ “Мавекс-Буковина”). Маркери з числа морфометричних ознак виявлені лише для двох елементарних популяцій Садгірського ландшафтного району, у тому числі: для самців території міського сміттєзвалища - маркери на рівні міста (довжина крил = 0,30 см та довжина кінцівок = 0,32 см) та для самок склодзеркального заводу - маркер на рівні району (довжина голови = 0,04 см).

5. В елементарних популяціях, маркерами яких виступають фени зміни кольору очей та тіла, не встановлено значних змін досліджених показників когортного аналізу, що дозволяє висунути припущення про їх адаптивний характер. Водночас елементарні популяції, маркерами яких слугують фени редукції очей або наявності темної крапки на черевці, характеризуються значним рівнем пониження чистої швидкості розмноження когорт. Такою ж властивістю відзначаються елементарні популяції, для яких встановлені морфометричні маркери (максимальні розміри крил та кінцівок, а також мінімальний розмір довжини голови).

6. Дуже високий рівень ІРПБ встановлено лише в одній точці біомоніторингу - промислової зони (ПЗ) хімічного заводу, а високий - у п'яти, в тому числі: у ПЗ склодзеркального заводу, на території міського сміттєзвалища, у ПЗ заводу теплоізоляційних матеріалів і олійно-жирового комбінату та на території АЗС №1 “Sentosa oil”. Найбільший усереднений рівень ІРПБ встановлено для елементарних популяцій, локалізованих у промислових зонах підприємств житлово-комунального господарства, хімічної та нафтової промисловості.

7. Методом покрокового регресійного аналізу встановлено значимий достовірний вплив ряду техногенних сполук, що потрапляють в атмосферне повітря м. Чернівці, на досліджувані показники біоіндикатора, в тому числі:

· зниження ПЗЖК під впливом викидів нітрогену (IV) оксиду, етанолу, аерозолю фарб та сполук хлору, а також позитивний вплив на збереження рівня цього показника оксиду нітрогену;

· зниження показника R₀ під впливом викидів формальдегіду та оксиду карбону;

· збільшення узагальнених фенотипових дистанцій як між самцями, так і між самками D. melanogaster фонових та техногенно трансформованих територій при наявності в повітрі граничних вуглеводнів та оксиду карбону;

· збільшення рівня ІРПБ під впливом летких неметанових органічних сполук, джерелом викидів яких у м. Чернівці, поряд з промисловими підприємствами, є автотранспорт.

8. За результатами проведених досліджень, знаходить підтвердження гіпотеза Г.М. Алєщенко та Є.М. Букварьової про можливість компенсації зростання нестабільності середовища одним із трьох альтернативних способів: або пониженням коефіцієнта смертності, або ростом коефіцієнта розмноження, або ростом дисперсії розподілу фенотипів, а також гіпотеза І.Г. Ємельянова про пристосувальне значення для деяких популяцій збільшення їх фенотипового різноманіття.

Список праць, опублікованих за темою дисертації

1. Руденко С.С., Легета У.В. Нова методика визначення техногенної трансформації територій на основі маси фігур, утворених кривими виживання Drosophila melanogaster Mg. // Доповіді НАН України. - 2005. - №7. - С. 193-196.

2. Руденко С.С., Легета У.В. Оцінка рівня техногенної трансформації територій за фенетичними дистанціями морфометричних індексів Drosophila melanogaster Mg. // Доповіді НАН України. - 2006. - №1. - С. 193-195.

3. Легета У.В. Дрозофіла (Drosophila melanogaster Mg.) як біоіндикатор рівня радіаційного фону населених пунктів в Прут-Дністровському межиріччі // Наук. вісник Чернівецького ун-ту. Сер.: Біологія. 2003. - Вип. 169. - С. 117-123.

4. Легета У.В., Руденко С.С. Морфометричні критерії біоіндикації територій за допомогою Drosophila melanogaster Mg. // Наук. вісник Чернівецького ун-ту. Сер.: Біологія. - 2004. - Вип. 223. - С. 67-71.

5. Руденко С.С., Легета У.В. Швидкість відтворення природних популяцій Drosophila melanogaster Mg. як ефективний критерій біоіндикації промислових зон // Наук. записки Тернопільського педун-ту. Сер.: Біологія. - 2005.- №1-2 (25). - С. 109-112.

6. Легета У.В. Фенотипічна структура Drosophila melanogaster Mg. як показник стану довкілля Чернівецької області // Тези V Міжнародної науково-практичної конференції “Екологія. Людина. Суспільство”. - Київ, 2002. - C. 110-111.

7. Легета У.В., Оплачко Л.Т. Порівняльний аналіз морфометричних індексів природної популяції Drosophila melanogaster Mg. на території м. Чернівці // Тези VІI Міжнародної науково-практичної конференції “Екологія. Людина. Суспільство”. - Київ, 2004. - C. 37.

8. Руденко С.С., Легета У.В. Оцінка рівня техногенної трансформації територій за фенетичними дистанціями між індексами морфометричних параметрів Drosophila melanogaster Mg. (на прикладі м. Чернівці) // Тези VIII Міжнародної науково-практичної конференції “Наука і освіта - 2005”.- Дніпропетровськ, 2005. - Т. 17. - С.75-78.

9. Легета У.В. Зміна життєвої стратегії когорт D. melanogaster територій промислових зон підприємств м. Чернівці // Тези VІІІ Міжнародної науково-практичної “Екологія. Людина. Суспільство”. - Київ, 2005.- C. 28.

10. Руденко С.С., Легета У.В. Криві виживання когорт локальних популяцій Drosophila melanogaster Mg. промислових зон підприємств м. Чернівці // Тези Міжнародної науково-практичної конференції “Наукові дослідження: теорія та експеримент”. - Полтава, 2005. - Т.10. - С. 47-50.

11. Легета У.В. Аналіз морфометричних індексів Drosophila melanogaster для ефективної оцінки стану урбоекотопів (на прикладі м. Чернівці) // Тези IV Міжнародної наукової конференції “Фальцфейнівські читання”. - Херсон, 2005. - Т. 1. - С. 303-304.

12. Легета У.В. Впровадження когортного аналізу при біоіндикації промислових зон підприємств м. Чернівці // Тези І Міжнародної конференції “Сучасні проблеми екології”. - Запоріжжя, 2005. - С.181- 184.

13. Легета У.В. Питома швидкість збільшення чисельності природних популяцій Drosophila melanogaster Mg. як тест-ознака при біоіндикації промислових зон // Тези науково-практичної конференції “Наука та інновації - 2005”. - Дніпропетровськ, 2005. - Т. 17. - С. 21-23.

Размещено на Allbest.ru

...