Біоіндикаційна оцінка екологічного стану Бурштинської урбоекосистеми

Размещено на http://www.allbest.ru/

ДНІПРОПЕТРОВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

ІМЕНІ ОЛЕСЯ ГОНЧАРА

УДК 504.064:574.2:614.76(477.86)

БІОІНДИКАЦІЙНА ОЦІНКА ЕКОЛОГІЧНОГО СТАНУ БУРШТИНСЬКОЇ УРБОЕКОСИСТЕМИ

03.00.16 - екологія

АВТОРЕФЕРАТ дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата біологічних наук

МИЛЕНЬКА МИРОСЛАВА МИРОНІВНА

Дніпропетровськ 2009

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі біології та екології Прикарпатського національного університету імені Василя Стефаника

Науковий керівник: доктор біологічних наук, професор Парпан Василь Іванович, Прикарпатський національний університет імені Василя Стефаника, кафедра біології та екології, завідувач

Офіційні опоненти: доктор біологічних наук, професор Бессонова Валентина Петрівна, Дніпропетровський державний аграрний університет, кафедра садово-паркового господарства, завідувач

доктор біологічних наук, професор Руденко Світлана Степанівна, Чернівецький національний університет імені Юрія Федьковича, кафедра екології та біомоніторингу, професор

Захист відбудеться “17” червня 2009 р. о 10 год. на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 08.051.04 для захисту дисертацій на здобуття наукового ступеня доктора біологічних наук у Дніпропетровському національному університеті імені Олеся Гончара за адресою: 49010, м. Дніпропетровськ, проспект Гагаріна, 72, корпус 17, біолого-екологічний факультет, ауд 611.

З дисертацією можна ознайомитися в Науковій бібліотеці Дніпропетровського національного університету імені Олеся Гончара за адресою: м. Дніпропетровськ, вул. Казакова, 8.

Автореферат розісланий “14” травня 2009 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради,

кандидат біологічних наук, доцент Дубина А.О.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Зростання антропогенного пресингу в міських екосистемах супроводжується техногенним забрудненням навколишнього середовища, негативний вплив якого відбивається на рослинному та ґрунтовому покриві й здоров'ї людей. На сьогодні основними чинниками антропотехногенної деградації міських екосистем є автотранспорт та об'єкти паливно-енергетичного комплексу. Найпотужніше підприємство енергетичної галузі в західному регіоні України - Бурштинська теплоелектростанція (БуТЕС) є основним забруднювачем довкілля на Прикарпатті.

Сучасні підходи до оцінки екологічного стану території в зоні впливу БуТЕС стосуються переважно абіотичного блоку екосистеми. Це не дозволяє об'єктивно й повно охарактеризувати антропотехногенний вплив на біогеоценози. Адекватна оцінка можлива за умови поєднання класичних фізико-хімічних методів із біоіндикаційними (Голубець, 2000).

Використання деревних рослин як акумуляторів урботехногенних полютантів і біоіндикаторів екологічного стану довкілля слугує теоретичною основою для створення екологічно-ефективних культурфітоценозів в урбоекосистемах (Кучерявий, 1991; Лаптєв, 1998; Парпан, 1999).

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконувалася на кафедрі біології та екології Прикарпатського національного університету ім. Василя Стефаника в рамках наукової теми № Ф25/208-2008 «Концепція динаміки корінних деревостанів та засоби моніторингу приросту лісових порід» (№ 0108U009478), а також тем “Вивчити антропогенний вплив на ліси різного цільового призначення та опрацювати шляхи сталого лісокористування в Українських Карпатах” (№0105U007529) та «Оцінка техногенного впливу на стан природних екосистем методами інтегрального моніторингу та біогеохімічної індикації лісів» (№ ДР0199U003324) у лабораторії екології УкрНДІгірліс ім. П.С. Пастернака.

Мета і завдання досліджень. Мета роботи - на основі аналізу тест-параметрів рослин-індикаторів оцінити екологічний стан території Бурштинської урбоекосистеми.

Для досягнення поставленої мети були визначені такі завдання:

1. Дослідити накопичення важких металів у ґрунтах і листовому опаді деревних рослин-індикаторів у різнофункціональних зонах Бурштинської урбоекосистеми.

2. Визначити цитотоксичність і кластогенність ґрунтів Бурштинської урбоекосистеми в модельному експерименті.

3. Дослідити вплив урботехногенних факторів на стан чоловічого гаметофіту, біохімічні та морфологічні параметри деревних рослин-індикаторів.

4. Установити ступінь корелятивно-регресійних залежностей між зміною цитогенетичних, біохімічних і морфологічних параметрів біоіндикаторів та кумуляцією полютантів у ґрунтах і листовому опаді деревних рослин.

5. Дати інтегральну оцінку екологічного стану Бурштинської урбоекосистеми та запропонувати шляхи оптимізації міського середовища.

Об'єкт дослідження - інтегральна оцінка біотичних та абіотичних компонентів урбоекосистеми.

Предмет дослідження - екологічний стан різнофункціональних зон Бурштинської урбоекосистеми.

Методи досліджень. Для оцінки екологічного стану територій використовували методи фізико-хімічного аналізу, біотестування та біоіндикації. метал ґрунт бурштинський урбоекосистема

Визначення вмісту важких металів у ґрунтах здійснювали методом атомно-абсорбційного аналізу. Біотестування якості ґрунтів проводили з використанням цитогенетичних методів. Біоіндикаційні дослідження виконували за допомогою морфометричних, цитологічних і біохімічних методів. Аналіз та інтерпретація одержаних даних здійснювалися методами математичної статистики.

Наукова новизна отриманих результатів. Уперше здійснено інтегральну оцінку екологічного стану Бурштинської урбоекосистеми. Проведено різнорівневу біоіндикацію якості урбанізованого середовища з використанням деревних рослин. Установлено просторову гетерогенність металонавантаження в межах дослідженої території. Дано індикаційну оцінку стану довкілля на основі кумулятивної здатності опаду деревних рослин. Визначено цитотоксичність і кластогенність ґрунтів методами біотесування. Запропоновані інформативні тест-ознаки біоіндикаторів для впровадження в практику біоіндикаційних досліджень. Установлено ступінь корелятивно-регресійних залежностей у системі «біоіндикатор - середовище».

Практичне значення одержаних результатів. Установлені в дисертаційній роботі цитогенетичні, цитологічні, біохімічні та морфометричні параметри фітоіндикаторів можуть бути використані при біомоніторингових дослідженнях урбанізованих і техногенно змінених територій.

Отримані результати є теоретичною основою для створення і формування екологічно ефективних просторово-комбінованих культурфітоенозів.

Основні положення дисертаційних досліджень використовуються як навчально-методичні матеріали в навчальному процесі Прикарпатського національного університету імені Василя Стефаника при викладанні курсів «Екологія міських систем», «Екологія рослин», «Моніторинг довкілля», «Вступ до фаху» студентам напрямів підготовки «Екологія, охорона навколишнього середовища та збалансоване природокористування» й «Біологія».

Практичне значення одержаних результатів підтверджено відповідними актами.

Особистий внесок здобувача. Автору дисертаційної роботи належать основні ідеї, розробка теоретичних положень і методів досліджень, збір і аналіз фактичного матеріалу, його опрацювання та узагальнення, графічна інтерпретація й аналіз. Дисертантом особисто виконано оформлення роботи, підготовку публікацій за результатами досліджень, а також представлення їх на наукових конференціях. Відбір матеріалу для досліджень здійснювався автором у складі експедицій УкрНДІгірліс ім. П.С. Пастернака. Формулювання завдань і висновків, аналіз та обговорення результатів дослідження проведено спільно з науковим керівником.

Апробація результатів. Основні положення і висновки роботи апробовано на Міжнародній науковій конференції «Проблеми вивчення та охорони біорізноманіття Карпат і прилеглих територій» (Івано-Франківськ, 2007), Міжнародній науковій конференції «Біосистеми різних рівнів організації в технологіях сучасного екомоніторингу» (Чернівці, 2008), Міжвузівській науковій конференції «Сучасні екологічні проблеми та молодь - ІV» (Запоріжжя, 2008), Міжнародній науковій конференції «Моніторинг екосистем Карпат» (Івано-Франківськ, 2008), Міжнародній науково-практичній конференції «Проблеми фундаментальної і прикладної екології та раціонального природокористування» (Кривий Ріг, 2009).

Публікації. За темою дисертації надруковано 11 наукових праць. Серед них 7 статей у наукових фахових виданнях, 2 - в інших виданнях і 2 - у матеріалах і збірниках тез міжнародних наукових конференцій.

Структура та обсяг дисертації. Робота викладена на 164 сторінках і складається із вступу, семи розділів, висновків, списку використаних літературних джерел (усього 379, з них 100 - латиницею) і додатків. Дисертація містить 38 рисунків та 17 таблиць.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

іНТЕГРАЛЬНА ОЦІНКА ЕКОЛОГІЧНОГО СТАНУ ЕКОСИСТЕМ методами БІОІНДИКАЦІї ТА БІОТЕСТУВАННЯ (Огляд літератури)

У розділі описано основні принципи методів біоіндикації та біотестування (Вайнер и др., 1988; Кретович, 1988; Розенберг, 1984; Mдnning, Feder, 1980; Schubert, 1977; Rabe, 1982; Stцcker, 1980; Posthumus, 1982; Steubing, 1984 та ін.). Розглянуті питання кумулятивної (Илькун, 1978; Кондратюк и др., 1980, 1986; Парибок, 1982; Ильин, 1988; Руденко, 2001, 2003; Цвєткова, 2004; Клеменко, 2007) та морфометричної (Кулагин, 1974, 1985; Менінг, Федер, 1985; Шуберт, 1988; Грицай, 2002; Jдger, 1977; Gluch, 1980 та ін.) індикації стану довкілля урбанізованих і техногенно змінених екосистем. Описано досвід окремих вітчизняних і зарубіжних учених щодо оцінки рівня токсико-мутагенного фону територій (Бессонова, 1992, 1994, 1996; Курінний, 1989; Горова, 1995, 1996, 1999, 2008; Дуган, 1995; Руденко, 2002; Marco, 1984; Mьller, 1991) і характеристики екологічного стану екосистем на основі аналізу фізіолого-біохімічних реакцій рослинних організмів (Кондратюк, 1986; Бессонова, 1991, 1992, 1999, 2000; Коршиков, 1996, 2004, 2005; Кузнецов, Шевякова, 1999; Гнатів, 2000; Коцюбинська, 2000; Кобилецька, Терек, 2002; Rabe, 1982; Foy, 1983; Kohl, 1988; Dalauney, 1993).

На основі аналітичного огляду літературних джерел зроблено висновок щодо пріоритетності використання деревних рослин як індикаторів екологічного стану урботехногенно змінених територій. Відмічені фрагментарність біоіндикаційних досліджень на території України та недостатнє висвітлення перспектив використання флоральних морфо-функціональних порушень як критеріїв якості довкілля. Зазначено, що методологічні засади здійснення комплексної інтегральної оцінки екологічного стану урбанізованих територій кінцево не розроблені та потребують удосконалення.

Матеріали і методи досліджень

Дослідження проводили в межах Бурштинської урбоекосистеми протягом 2006 - 2009 рр. За функціональною класифікацією локальних екотопів урбоекосистеми (Черванев, 1994) для досліджуваної території сформовано моніторингову мережу, відповідно до якої виділено 16 дослідних ділянок, що належать до промислової площадки (ПП) Бурштинської теплоелектростанції (БуТЕС) в зоні неорганізованих викидів підприємства, придорожніх ділянок, аграрних зон, селітебних зон капітальної й індивідуальної забудови та зелених міських насаджень. Як місцевий фон, відповідно до регіональних досліджень (Парпан та ін., 2004), обрано умовно чисту територію поблизу м. Рогатин, схожу за природно-кліматичними умовами.

Комплексна інтегральна оцінка екологічного стану Бурштинської урбоекосистеми включала три основні складові: екологічну діагностику ґрунтового покриву різнофункціональних зон міста, біотестування цитотоксичності й кластогенності ґрунту та біоіндикацію середовища деревними рослинами на молекулярному, клітинному й органному рівнях досліджень (рис. 1).

Біотестування цитотоксичності та кластогенності ґрунтів виконували в модельному експерименті in vivo з використанням Allium cepa-тесту класичними цитогенетичними методами: ана-телофазним і мікроядерним аналізом та аналізом мітотичної активності з використанням постійних і тимчасових давлених препаратів. Фарбування здійснювали ацетокарміновим методом (Паушева, 1988).

Як біоіндикатори урботехногенного пресингу використовували найбільш поширені в урбоекосистемі деревні види: вербу козячу (Salix caprea L.), тополю пірамідальну (Populus pyramidalis Roz.), клен ясенелистий (Acer negundo L.), березу повислу (Betula pendula Roth), липу дрібнолисту (Tilia cordata Mill), вишню звичайну (Cerasus vulgaris L.) та яблуню домашню (Malus domestica L.), які, відповідно до літературних даних, належать до різних категорій газостійкості (Кулагин, 1974; Илькун, 1978; Николаевский; 1979, Бессонова, 1991). Дослідження виконувалися в умовах in situ синхронно на всій території.

На молекулярному рівні біоіндикаційних досліджень визначали внутрішньотканинні концентрації вільного проліну, загального, білкового й небілкового нітрогену та фотосинтетичних пігментів (хлорофілів а, b та каротиноїдів). Вміст вільного проліну визначали фотоколориметрично відповідно до апробованих методик (Методы биохимического исследования…, 1987). Вміст хлорофілу та каротиноїдів встановлювали спектрофотометрично (Мусієнко та ін., 2001). Загальний нітроген у листках рослин визначали прискореним мікрометодом Кьєльдаля, білковий - за Неслером (Руденко та ін., 2008). Вміст небілкової фракції розраховували формулярно як різницю між концентраціями загального та білкового нітрогену.

Гаметоцидний вплив недиференційованих факторів урботехногенного середовища оцінювали за реакцією чоловічого гаметофіту рослин-індикаторів. Визначали стерильність пилкових зерен йодним методом за З.П. Паушевою (1988), життєздатність пилку - шляхом пророщення на агаризованому середовищі методом Д.А. Транковського (Коба, 2007), морфологічну різноякісність - на основі вимірювання діаметра пилкових зерен за допомогою мікроскопа Olympus CX-300 (збільшення 400х) з використанням програмного продукту Quick PHOTO MICRO 2,3 for Windows.

На органному рівні біоіндикації визначали площі листкових пластинок модельних особин видів-індикаторів і ступінь некротичних (дехромаційних) ушкоджень листків відповідно до апробованих методик (Клейн, 1974, Шуберт, 1988, Руденко, 2005).

При кумулятивній індикації довкілля в листковому опаді деревних рослин атомно-абсорбційним методом визначали вміст важких металів (ВМ), що наявні у викидах БуТЕС та належать до категорії урбогенних полютантів: Pb, Cu, Zn, Fe, Ni, Cd.

Ступінь металонавантаження на мікроедафотопи - локально-однотипні ґрунтові умови в межах різнофункціональних екотопів Бурштинської урбоекосистеми - оцінювали шляхом визначення рухомих форм сполук ВМ (Pb, Cu, Zn, Fe, Ni, Cd) атомно-абсорбційним методом. Кислотність ґрунту визначали у водній витяжці.

Фізико-хімічні аналізи проводили в сертифікованій лабораторії Івано-Франківського обласного державного проектно-технологічного центру охорони родючості ґрунтів і якості продукції.

Відбір і підготовку проб ґрунту та рослинного матеріалу здійснювали відповідно до загальноприйнятих методик (Методические рекомендации по проведению полевых и лабораторных исследований почв и растений…, 1981) і вимог державних стандартів № 17.04.3.01.83 та № 17.4.4.02.84.

Одержані дані опрацьовані методом математико-статистичного аналізу за допомогою редактора MS Excel 2003 та програмного пакета Statistica 7.0. Картування території здійснювали з використанням MapInfo Professional v 9.5.

ЕКОТОПІЧНА ХАРАКТЕРИСТИКА БУРШТИНСЬКОЇ УРБОЕКОСИСТЕМИ

Природні умови. Місто Бурштин знаходиться в Галицькому районі Івано-Франківської області, на правому березі р. Гнила Липа, яка є лівою притокою р. Дністер. Площа міста складає 2163 га. За геоботанічним районуванням України досліджувана територія належить до Бурштинського району Кременецько-Хотинського геоботанічного округу Західноукраїнської підпровінції Східноєвропейської провінції Європейської широколистянолісової області (Дідух, Шеляг-Сосонко, 2003). Орографічно - це територія Південно-Опільської хвилястої височини, що складається з опуклих і плоских пасм, абсолютні висоти яких рідко перевищують 350 м.

У ґрунтовому покриві переважають чорноземи опідзолені, сформовані на лесоподібних суглинках. Ґрунти в межах міста представлені техноземами, які відрізняються від природних аналогів.

Клімат формується під впливом морських і континентальних повітряних мас. Переважаючі вітри - західні й північно-західні із середньорічною швидкістю 2,9 м/с. Середньорічна температура повітря складає 7,3°С. Річна кількість опадів - 640 - 690 мм. Характерною особливістю атмосферних умов є висока частота виникнення температурних інверсій. Природні умови визначають перерозподіл антропотехногенних полютантів в урбоекосистемі Бурштина.

Характеристика антропотехногенного впливу. Місто Бурштин -урбоекосистема монофункціонального типу, яка зазнає систематичного впливу одного з найбільших підприємств паливно-енергетичного комплексу України - БуТЕС, що підтверджено відповідними моделюючими розрахунками та картами розсіювання полютантів (Миленька, 2008). Для вироблення електроенергії підприємством використовуються львівсько-волинське, донецьке та сілезьке вугілля, а також мазут і природний газ. Середньорічні сумарні викиди шкідливих речовин в атмосферне повітря складають близько 237 тис. тонн, з яких найбільша дольова частка належить вугільному пилу (32 тис. тонн), сірчистому ангідриту (194 тис. тонн) та сполукам нітрогену (в перерахунку на NO₂ - 11 тис. тонн).

Для Бурштинської урбоекосистеми вагомими ендогенними факторами трансформації довкілля є сільськогосподарське виробництво, транспорт і селітебне навантаження. Вони спричинюють інгредієнтне, деструктивне й параметричне забруднення міської території та в комплексі із екзогенними чинниками формують урботехногенний фон території (Зонн, Травлеев, 1989).

РЕЗУЛЬТАТИ ДОСЛІДЖЕНЬ ТА ЇХ ОБГОВОРЕННЯ

ЗАБРУДНЕННЯ ВАЖКИМИ МЕТАЛАМИ ҐРУНТІВ ТА ОПАДУ ДЕРЕВНИХ РОСЛИН-ІНДИКАТОРІВ

Нагромадження важких металів у едафотопах різнофункціональних територій урбоекосистеми Бурштина.

У межах урбоекосистеми Бурштина спостерігається зміна концентрацій рухомих форм сполук ВМ порівняно з фоновими значеннями (рис. 2).

Мінімальні перевищення фонових концентрацій установлені в ґрунтах зони комплексного озеленення урбоекосистеми. Вміст Pb, Cd, Fe та Ni тут переважає фонові показники відповідно у 2,33, 1,43, 1,8 та 1,31 раза. Для ґрунтів аграрної зони відмічено перевищення фонових концентрацій Cd у 5,6 раза, Pb - у 5,1, Cu - у 3,2. У ґрунтах придорожніх ділянок міста максимально перевищують фоновий показник концентрації Pb (у 6,3 раза), Cu (у 4,2 раза) та Cd (у 4,1 раза). У межах ПП БуТЕС максимально збільшується вміст Pb, Cu, Fe та Cd. Для ґрунтів Бурштинської урбоекосистеми характерний дефіцит Zn, мінімальні концентрації якого встановлені для аграрної та придорожніх зон.

У межах урбоекосистеми встановлено зміну значень інтегрального показника забруднення ґрунтів (К_z.). Для фонової території величина коефіцієнта К_z складає 1,5±0,09. Значення даного показника зростає в послідовному ряді екотопів: зелені міські насадження (2,31±0,06) < селітебна зона індивідуальної забудови (2,44±0,02) < селітебна зона капітальної забудови (2,70±0,03) < аграрна зона (4,39±0,04) < ПП БуТЕС (4,37±0,03) < придорожні ділянки (4,85±0,04).

Кислотність водної витяжки ґрунтів селітебних зон капітальної й індивідуальної забудов, зелених міських насаджень і придорожніх ділянок складає 6,2-6,0, а на ПП БуТЕС і в аграрній зоні рН - 5,8-5,5.

За результатами вимірювань обчислено геохімічну формулу асоціації елементів у верхньому шарі ґрунту в місцях спостережень:

Zn₄₀-Cd₂₂-Pb₁₄-Cu₁₃-Fe_4,8-Ni_4,2

(цифровими індексами позначено показник структури геохімічної асоціації елементів).

Наведена формула показує, що домінуючим чинником забруднення ґрунту є викиди Бурштинської ТЕС. З ексгалатами електростанції переважно пов'язані такі елементи, як Cd (0,88), Pb (0,86), Cu (0,60), Ni (0,39) (у дужках надано значення коефіцієнтів кореляції між вмістом розчинних форм елементів в ґрунті та відстанню до джерела емісії). У наведеному ряді з геохімічною формулою не збігаються Zn і Fe, які не корелюють із відстанню до ТЕС і є типоморфними елементами урбанізованого середовища.

Видова кумуляція важких металів опадом деревних рослин-індикаторів у різнофункціональних зонах Бурштинської урбоекосистеми. Вміст ВМ у листковому опаді в межах урбоекосистеми достовірно перевищує фонові показники. Можна виділити гетерогенні за ступенем забруднення зони. Максимальні значення показника сумарного забруднення () відмічено на ПП БуТЕС (26,11 мг/кг). Зменшення показника відбувається в ряді різнофункціональних зон: придорожні ділянки > селітебна зона капітальної забудови > аграрна зона > селітебна зона індивідуальної забудови > зелені міські насадження. Найвищий коефіцієнт аномальності (К_а) у більшості різнофункціональних зон Бурштина встановлено для Pb: на ПП БуТЕС - 5,93, у придорожній зоні - 6,54, у селітебних зонах індивідуальної та капітальної забудов - 4,47 і 4,07 відповідно. Мінімальні значення коефіцієнта аномальності властиві для Zn.

Установлено видоспецифічні особливості металоакумулюючої здатності деревних рослин (табл. 1).

Таблиця 1

Інтенсивність накопичення ВМ опадом деревних рослин-індикаторів в урбоекосистемі Бурштина

Вид-індикатор	Ряди інтенсивності накопичення ВМ*
Salix caprea L.	Pb (5,56) > Fe (4,89) > Cd (4,65) > Ni (4,22) > Zn (4,01) > Cu (3,71)
Populus pyramidalis Roz.	Zn (3,75) > Cd (3,74) > Pb (3,65) > Fe (3,61) > Ni (3,06) > Cu (2,71)
Acer negundo L.	Pb (5,28) > Fe (4,20) > Cd (4,16) > Cu (3,77) > Ni (3,40) > Zn (2,18)
Betula pendula Roth	Pb (4,67) > Fe (4,03) > Cd (3,74) > Cu (3,45) > Ni (3,00) > Zn(2,88)
Tilia cordata Mill.	Pb (5,87) > Ni (5,32) > Cu (5,29) > Fe (5,15) > Cd (4,01) > Zn (2,36)
Cerasus vulgaris L.	Pb (4,50) > Fe (3,86) > Ni (3,63) > Cd (3,32) > Cu (2,96) > Zn (2,70)
Malus domestica L.	Pb (5,00) > Cu (4,79) > Ni (4,57) > Fe (4,55) > Cd (4,18) > Zn (2,81)

* у дужках подано усереднені значення

Відповідно до значень показника біогеохімічної активності, розрахованого за значеннями , найкращими кумулюючими властивостями володіють Salix caprea L. і Tilia cordata Mill., тому вони можуть бути рекомендовані для використання в практиці біоіндикаційних досліджень і для фітомеліоративних заходів.

Цитогенетична оцінка забруднення ґрунтів різнофункціональних територій Бурштинської урбоекосистеми

При експонуванні Allium cepa L. на зразках ґрунту різнофункціональних зон відмічено зниження проліферативної активності клітин, зростання частки аберантних ана-телофаз і клітин із мікроядрами (табл. 2). На всій території Бурштинської урбоекосистеми відмічено зростання інтенсивності мутагенного фону. У зоні комплексного озеленення (ІІ), відповідно до значень інтегрального умовного показника ушкодження (ІУПУ), має місце мінімальний токсико-мутагенний фон. Тут відмічені найвищі значення мітотичного індексу та мінімальна кількість аберантних ана-телофаз і клітин із мікроядрами в порівнянні з іншими функціональними зонами. У селітебних зонах індивідуальної (ІІІ) та капітальної (ІV) забудов мутагенний фон класифікується як «помірно небезпечний». Депресивні зміни мітотичної активності й інтенсивна індукція порушень спадкового апарату меристематичних клітин Allium cepa L. спостерігаються при експонуванні тест-об'єкта на ґрунтових зразках з аграрних (V) і придорожніх зон (VI), а також ПП БуТЕС (VІI). Цитогенетичні зміни відповідають «надзвичайно небезпечному» рівню мутагенного фону середовища.

Таблиця 2

Цитогенетичні зміни в меристемах первинних корінців Allium cepa L. при експонуванні на ґрунтах різнофункціональних територій Бурштинської урбоекосистеми й показники ушкодження біотестора: умовний (УПУ) та інтегральний (ІУПУ)

Різно- функціональні екотопи	Мітотичний індекс, %	УПУМІ	Рівень хромосомних аберацій, %	УПУХА	Мікроядерний індекс, %	УПУМЯІ	Оцінка мутагенного фону територій (ІУПУ)
К	37,37±1,10	0,00	1,07±0,01	0,00	1,93±0,07	0,00	0,00
І	35,20±0,16	0,09	1,34±0,09	0,06	2,13±0,07	0,01	Безпечна (0,05)
II	28,31±0,20б	0,29	2,18±0,11б	0,26	6,78±0,09в	0,15	Безпечна (0,23)
ІІІ	24,59±0,18в	0,44	2,71±0,10в	0,38	8,31±0,15в	0,20	Помірно небезпечна (0,34)
ІV	21,31±0,24в	0,58	1,25±0,06	0,04	11,38±0,09в	0,30	Помірно небезпечна (0,31)
V	15,81±0,12в	0,81	3,67±0,16 в	0,60	33,59±0,75в	1	Надзвичайно небезпечна (0,80)
VI	12,81±0,08в	0,93	5,41±0,17 в	1,00	27,98±0,68в	0,82	Надзвичайно небезпечна (0,92)
VII	10,94±0,47в	1,00	4,910,14 в	0,88	21,82±0,5 в	0,63	Надзвичайно небезпечна (0,84)

Примітка. Вірогідні зміни досліджуваних показників порівняно з контролем й фоновим значенням: а - Р<0,05; б - Р<0,01; в - Р<0,001.

І - фонова територія; К - контроль (дистильована вода).

Прослідковується порушення динаміки клітинного циклу. Фітотоксична дія комплексу ґрунтових факторів проявляється переважанням профазно-телофазного блоку клітин при експонуванні на ґрунтах зон ІV, V, VІІ та мета-телофазного - у зонах ІІ і ІІІ.

Збільшення кількості аберацій у меристематичних клітинах тест-об'єкта, відбувається, переважно, за рахунок хроматидних, що свідчить про хімічну етіологію мутагенезу.

Інші хромосомні аномалії в клітинах апікальних меристем Allium cepa L представлені розсіюванням хромосом у метафазі й асиметричними мітозами.

БІОІНДИКАЦІЯ ДОВКІЛЛЯ БУРШТИНСЬКОЇ УРБОЕКОСИСТЕМИ деревними рослинами

Зміна біохімічних показників деревних рослин. Для оцінки впливу урботехногенних факторів на функціональні показники деревних рослин-індикаторів досліджували особливості акумуляції вільного проліну, стан фотосинтетичної системи та показники нітрогенного обміну.

Деревні рослини-індикатори проявляють видову диференційність акумуляції вільного проліну в листкових тканинах за дії урботехногенних стресорів різної інтенсивності (рис. 3).

У Populus pyramidalis Roz., Betula pendula Roth, Malus domestica L. і Tilia cordata Mill. - акумуляція проліну відбувається прямо пропорційно до градієнта урботехногенного впливу й активізується в послідовному ряді різнофункціональних зон: комплексна зелена зона міста > селітебні зони > аграрна зона > придорожні ділянки > ПП БуТЕС. У Salix caprea L., A.cer negundo L. та Cerasus vulgaris L. зазначена закономірність не виявлена.

Для досліджених деревних видів відмічено зниження сумарного вмісту хлорофілу а і b пропорційно до рівня урботехногенного навантаження (рис. 4).

Зміна вмісту каротиноїдів у листі деревних рослин у відповідь на дію антропогенних стресорів має виражений видоспецифічний характер. У Salix caprea L. спостерігається інтенсифікація процесів каротиногенезу порівняно з фоновою територією в послідовному ряді досліджених зон: зелені міські насадження > селітебні зони > аграрна зона > придорожні ділянки > ПП БуТЕС. Протилежна закономірність спостерігається для Populus pyramidalis Roz. і Tilia cordata Mill. У цих видів вміст каротиноїдів достовірно знижується в міру інтенсифікації урботехногенного впливу. Для Acer negundo L., Cerasus vulgaris L., Betula pendula Roth і Malus domestica L. відмічено зростання вмісту каротиноїдів на території комплексної зеленої зони й селітебних районів міста та зниження цього показника на придорожніх ділянках і в зоні неорганізованих викидів БуТЕС.

Установлено видоспецифічні особливості нітрогенного обміну деревних рослин у досліджуваній урбоекосистемі. Для Salix caprea L., Acer negundo L. і Betula pendula Roth. відмічено достовірне збільшення вмісту загального нітрогену за рахунок білкової й небілкової форм пропорційно до ступеня урботехногенного навантаження в ряді досліджених зон урбоекосистеми: зелені міські насадження > селітебна зона індивідуальної забудови > селітебна зона капітальної забудови > аграрна зона > придорожні ділянки > ПП БуТЕС.

Для Populus pyramidalis Roz., Tilia cordata Mill. та Cerasus vulgaris L. установлено статистично достовірне зниження вмісту загального нітрогену пропорційно до збільшення рівня урботехногенного навантаження. У листі Malus domestica L. не виявлено достовірної різниці за даним показником між фоновою та досліджуваною територіями.

У цілому перспективними для індикації екологічного стану урботехногенно змінених територій на молекулярному рівні є Populus pyramidalis Roz. і Tilia cordata Mill. Досліджені біохімічні параметри можуть слугувати інформативними біоіндикаційними ознаками.

Оцінка екологічного стану території за гаметоцидним впливом на деревні рослини. Як критерій фертильності чоловічого гаметофіту розглядали наявність крохмалю в пилкових зернах. Для видів-індикаторів характерне достовірне послідовне збільшення кількості безкрохмальних пилкових зерен у різнофункціональних зонах урбоекосистеми (рис. 5).

За значеннями коефіцієнта стерильності пилку (К_сп) виділяється ряд чутливості фітоіндикаторів до гаметоцидних факторів: Populus pyramidalis Roz. (11,0>К_сп <7,34 - високочутливий вид ) > Tilia cordata Mill > Cerasus vulgaris L. > Betula pendula Roth > Acer negundo L. > Malus domestica L. (7,33 >К_сп < 3,67 - види середньої чутливості ) > Salix caprea L. (К_сп <3,66 - малочутливий вид ).

Для адекватної оцінки гаметоцидного впливу, окрім йодного експрес-методу, проводили тести на здатність пилкових зерен до проростання. Депресивні зміни життєздатності пилку проявляються зростанням частки непророслих пилкових зерен і зменшенням довжин пилкових трубок. Найбільш уразливим до дії урботехногенних чинників є чоловічий гаметофіт Populus pyramidalis Roz. У модельних особин із ПП БуТЕС здатність до проростання та формування пилкової трубки є нижчою фонової в 11,25 рази. Максимальною толерантністю до дії гаметоцидних чинників володіє Salix caprea L. Для видів-індикаторів простежується тенденція до відтермінування початку проростання пилкових зерен при інтенсифікації урботехногенного впливу, і цей показник можна розглядати як додаткову біоіндикаційну ознаку при здійсненні оцінки екологічного стану територій.

Тест на життєздатність пилку відзначається вищою інформативністю, ніж йодний метод.

Поряд із зниженням фертильності пилку відмічено зростання його морфологічної різноякісності.

За гаметоцидністю факторів у Бурштинській урбоекосистемі виділяються відмінні за рівнем токсико-мутагенної напруги зони. До категорії безпечних належать комплексна зелена зона й аграрні зони міста. Помірно небезпечна екологічна ситуація встановлена для селітебних зон міста, небезпечному токсико-мутагенному фону відповідають придорожні ділянки, а надзвичайно небезпечному - ПП БуТЕС.

Морфометрична характеристика листків деревних рослин Бурштинської урбоекосистеми. У деревних рослин-індикаторів спостерігається зменшення площі листкових пластинок порівняно з фоновою територією: зелені міські насадження > селітебна зона індивідуальної забудови > аграрна зона міста > селітебна зона капітальної забудови > ПП БуТЕС.

Tilia cordata Mill. відзначається максимальною чутливістю до дії урботехногенних факторів Бурштинської урбоекосистеми на органному рівні. Для даного виду встановлено статистично достовірне зменшення розміру листків у різнофункціональних зонах Бурштинської урбоекосистеми. У Salix caprea L. та Acer negundo L. установлені зміни є статично недостовірними.

Поряд із зменшенням площі листкових пластинок рослин-індикаторів відбувається зростання дехромаційних і некротичних ушкоджень листків. Найбільш чутливим індикатором впливу урбопромислових екотоксикантів за аналізованим критерієм є Tilia cordata Mill. Відсоток ураження листя модельних особин виду в умовах різнофункціональних зон урбоекосистеми зростає від 12% у зоні комплексного озеленення до 68% на території ПП БуТЕС. Відсоток ураження листкової пластинки Populus pyramidalis Roz. та Cerasus vulgaris L. складає відповідно 56 та 58%, а в Betula pendula Roth. та Malus domestica L. - 34 та 40% відповідно. Мінімальне ураження листкових пластинок характерне для Salix caprea L. та Acer negundo L. - відповідно 20 і 22%.

Кореляційно-регресійний аналіз ЗМІНИ ТЕСТ-ОЗНАК БІОІНДИКАТОРІВ і ступеня інгредієнтного забруднення

Залежність цито- та генотоксичності ґрунту від його забруднення важкими металами. Установлення характеру зв'язку між цитогенетичними показниками Allium cepa L. та ступенем забруднення ґрунту важкими металами здійснювали лінійним кореляційно-регресійним аналізом. Констатовано наявність тісних кореляційних залежностей між аналізованими параметрами. Кластогенність і цитотоксичність ґрунту є функцією сумарного металонавантаження. Стосовно кожного цитогенетичного параметра можна виділити найбільш значущу факторну ознаку. Мітотичний індекс апікальних меристем Allium cepa L. перебуває в залежності, наближеній до функціональної, з концентрацією Pb (r = 0,96); мікроядерний індекс - з концентрацією Cd (r = 0,98), а рівень хромосомних аберацій - Cu (0,96).

Множинний кореляційний аналіз засвідчив існування статистично достовірної залежності між зміною цитогенетичних параметрів тест-об'єкта, концентрацією рухомих форм важких металів у ґрунті та їх кислотністю. Відповідно до значень коефіцієнта множинної кореляції (r_x(yz)) найбільш тісними є зв'язки між зазначеними фізико-хімічними показниками та мітотичним і мікроядерним індексом і рівнем хромосомних аберацій (r_x(yz)= 0,91, 0,88 та 0,91відповідно).

Залежність біохімічних і морфологічних параметрів рослин-індикаторів від вмісту важких металів в опаді. Кореляційно-регресійний аналіз зміни морфо-функціональних параметрів деревних рослин-індикаторів та акумуляції ВМ опадом засвідчує наявність між ними наближених статистичних залежностей. Тісний позитивний (R²>0,5) достовірний (Р<0,05) кореляційний зв'язок між внутріклітинною концентрацією вільного проліну в листках і вмістом ВМ (Pb, Cu, Fe, Ni, Zn та Cd) виявлено для Populus pyramidalis Roz., Betula pendula Roth., Malus domestica L. та Tilia cordata Mill. Для Cerasus vulgaris L. ця закономірність справджується стосовно Pb, Cd та Fe. Для деревних рослин-індикаторів установлено наявність тісного (R²>0,5) достовірного (Р<0,05) негативного кореляційного зв'язку між кумуляцією опадом ВМ і сумарним вмістом у листі хлорофілів a та b. Це дозволяє виділити аналізований біопараметр як інформативний біоіндикаційний критерій для діагностики металонавантаження на урбанізованих чи техногенно змінених територіях. Максимальні значення коефіцієнтів детермінації (R²) для Populus pyramidalis Roz. за вмістом суми хлорофілів a та b виявлені щодо Zn та Fe, а для інших деревних рослин - Pb та Cd. Тісний негативний кореляційний зв'язок (R²>0,5, Р<0,05) між вмістом загального нітрогену в листі та кумуляцією ВМ опадом установлений для Salix caprea L. та Acer negundo L. Для Populus pyramidalis Roz., Cerasus vulgaris L. і Tilia cordata Mill. кореляція між аналізованими параметрами є позитивною (R²>0,5, Р<0,05). Не виявлено достовірного зв'язку між зростанням внутріклітинних концентрацій загального нітрогену в листі та забрудненням опаду ВМ у Betula pendula Roth. і Malus domestica L. Ступінь некротизації листкових пластинок деревних рослин-індикаторів достовірно (Р<0,05) тісно (R²>0,5) корелює з рівнем забруднення опаду ВМ у Populus pyramidalis Roz., Acer negundo L., Betula pendula Roth., Malus domestica L. і Tilia cordata Mill. Зазначена закономірність відмічена також для Salix caprea L. і Cerasus vulgaris L. щодо забруднення Pb, Cu та Cd.

Між рослинами-індикаторами встановлено тісні корелятивні зв'язки за більшістю досліджених параметрів. Висока взаємокореляція є свідченням спільних механізмів виникнення морфофункціональних порушень. Це дає можливість екстраполювати дані, одержані з використанням одного виду на інші за допомогою регресійних рівнянь, представлених у дисертаційній роботі.

Висновки

У дисертаційній роботі дано оцінку екологічного стану Бурштинської урбоекосистеми, показано просторову гетерогенність забруднення мікроедафотопів і листового опаду важкими металами, неоднорідність мутагенного фону й інтенсивності впливу урботехногенних чинників на деревні рослини.

1. Мікроедафотопи Бурштинської урбоекосистеми характеризуються підвищеним вмістом рухомих форм Pb, Cu, Cd, Ni, Fe та зниженими концентраціями Zn порівняно з фоновою територією. Особливості розподілу концентрацій металів у ґрунтах визначаються характером та інтенсивністю антропогенного впливу. Піки максимальних концентрацій Pb та Cu встановлені в придорожніх зонах урбоекосистеми (відповідно 4,7 та 2,4 мг/кг при фонових значеннях - 0,75 та 0,57 мг/кг); Cd - у зонах аграрного використання (0,78 мг/кг при 0,14 мг/кг на фоновій територій); Ni та Fe - на ПП БуТЕС (3,4 та 6,4 мг/кг порівняно з 1,6 та 2,0 мг/кг).

2. Вміст важких металів у листовому опаді деревних рослин різнофункціональних зон міста у 2,5 - 6,5 раз перевищує фонові показники. Забруднення опаду важкими металами відбувається в основному за рахунок фоліарного надходження. Домінуючим джерелом потрапляння Pb, Cu, Cd, Ni до урбоекосистеми є викиди БуТЕС.

3. Ґрунти Бурштинської урбоекосистеми відзначаються підвищеним кластогенним і цитотоксичним ефектом, що проявляється в Allium cepa- тесті інгібіцією мітотичної активності, порушенням динаміки клітинного циклу, зростанням відсотка аберантних ана-телофаз та індукцією мікроядер. Генотоксичний ефект варіює залежно від характеру господарського використання території і сягає максимуму на ПП БуТЕС, у придорожній та аграрній зонах. В їх межах інтегральний умовний показник ушкодження тест-об'єкта складає 0,80; 0,84 та 0,92, що відповідає «надзвичайно небезпечному» рівню токсико-мутагенної напруги. Цитогенетичні параметри знаходяться в тісній кореляційній залежності зі ступенем забруднення ґрунту важкими металами.

4. Вплив урботехногенних чинників досліджуваної території має виражений гаметоцидний ефект, що проявляється депресивними змінами чоловічого гаметофіту деревних рослин: зростанням частки безкрохмальних пилкових зерен, інгібіцією процесу формування пилкової трубки, зниженням інтенсивності проростання пилку та зростанням його морфологічної різноякісності. Тест на життєздатність пилку є найбільш інформативним маркером ранніх генетичних порушень.

5. Максимальною резистентністю до дії урботехногенних факторів Бурштина володіє чоловічий гаметофіт Salix caprea L.; мінімальною - Populus pyramidalis Roz. Коефіцієнти стерильності пилку зазначених видів складають у різнофункціональних зонах відповідно 1,47 - 4,39 та 2,04 -11,25. Найвищий інтегральний умовний показник ушкодження біоіндикатора констатовано на придорожніх ділянках (0,73) та ПП БуТЕС (1,00), що відповідає «небезпечному» та «надзвичайно небезпечному» рівню токсико-мутагенної напруги.

6. Показники молекулярного рівня біоіндикаційних досліджень (акумуляція вільного проліну, стан фотосинтетичної системи та порушення нітрогенного обміну) деревних рослин в умовах урбоекосистеми Бурштина мають видоспецифічний характер. Апроксимаційно рівню урботехногенного навантаження в листках деревних рослин зменшується сума хлорофільних пігментів (до 76%) і відношення хлорофілів a/b (до 5,5 рази) та зростає вміст небілкових сполук нітрогену (до 3,3 рази). Найбільш перспективними для індикації на молекулярному рівні в умовах Бурштинської урбоекосистеми є Populus pyramidalis Roz. та Tilia cordata Mill.

7. Денроморфологічні показники (площа листкової пластинки та некротизація листка) слугують інформативними біоіндикаційними ознаками урботехногенного впливу. Найбільш перспективним видом для морфометричної індикації є Tilia cordata Mill. В умовах різнофункціональних зон Бурштинської урбоекосистеми відбувається зменшення площі листкових пластинок в 1,3 - 1,9 раза та збільшення некротизованої поверхні листків в 1,7 - 9,7 раза.

8. Чутливість деревних рослин є видоспеціфічною. Для кумулятивної індикації довкілля найбільш придатним видом є Salix caprea L., для оцінки мутагенного фону та проведення досліджень на молекулярному рівні - Populus pyramidalis Roz., при морфометричній індикації - Tilia cordata Mill., що необхідно враховувати при моніторингових дослідженнях. З огляду на значну толерантность до дії урботехногенних факторів, Salix caprea L. та Acer negundo L. є перспективними для створення міських культурфітоценозів і санітарних насаджень промислових підприємств. Морфофункціональні параметри деревних рослин тісно корелюють (R²>0,5) із концентрацією важких металів в опаді.

9. У межах урбоекосистеми Бурштина виділено гетерогенні за ступенем забруднення зони, рівень трансформації яких визначається урбогенним градієнтом впливу на фоні техногенного чинника, зумовленого діяльністю БуТЕС. До помірно забруднених належить зона комплексного озеленення міста; селітебна й аграрна зони відносяться до категорії середньо забруднених, а на придорожніх ділянках і ПП БуТЕС рівень трансформації є максимальним, що вимагає диференційованого підхолу до озеленення міської теритрії.

10. Для оптимізації міського середовща рекомендується розширити зону комплексного озеленення із використанням деревних рослин-індикаторів і фітомеліорантів (Tilia cordata Mill., Populus pyramidalis Roz., Betula pendula Roth., Cerasus vulgaris L., Malus domestica L., Acer negundo L. Salix caprea L.).

СПИСОК ПУБЛІКАЦІЙ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

Статті в наукових фахових виданнях:

1. Миленька М. М. Стан пилку окремих деревних видів як індикаційна ознака ступеня техногенного забруднення довкілля / М. М. Миленька // Наук. вісник Чернівецького ун-ту: Зб. наук. праць. 2008. Вип. 416: Біологія. С. 46 - 51.

2. Миленька М. М. Використання деревних видів для діагностики екологічного стану довкілля урбанізованих територій / М. М. Миленька // Лісівництво і агролісомеліорація. Харків: УкрНДІЛГА, 2008. Вип. 114. С. 111 - 114.

3. Миленька М. М. Вміст фотосинтетичних пігментів у листках Tilia cordata Mill. та Acer negundo L. за умови урботехногенного забруднення довкілля / М. М. Миленька // Вісник Львівського лісотехнічного університету. 2008. Вип. 18.11. С. 201 - 206.

4. Миленька М. М. Життєздатність пилку деревних рослин як критерій якості навколишнього середовища / М. М. Миленька // Екологія та ноосферологія. 2009. Т. 20. С.181 - 187.

5. Миленька М. М. Цитогенетична оцінка стану ґрунтів Бурштинської урбоекосистеми / М. М. Миленька // Вісн. Львів. ун-ту. Сер. біол. 2009. Вип. 49. С. 128 - 137.

6. Парпан В. І. Вміст вільного проліну у листках деревних рослин як індикаційна ознака екологічного стану урбанізованих територій / В. І. Парпан, М. М. Миленька // Наук. зап. Держ. природознавчого музею. 2009. Вип. 25. С. 155 - 156.

(Дисертантом виконані відбір проб матеріалу, лабораторно-аналітичні дослідження, статистична обробка даних і написання статті).

7. Парпан В. І. Деревні рослини як кумулятивні індикатори забруднення довкілля важкими металами / В. І. Парпан, М. М. Миленька // Наук. зап. Тернопільського нац. педагогічного ун-ту. 2008. № 4 (38). С. 93 - 97.

(Дисертантом виконані відбір проб листового опаду, його підготовка до лабораторного аналізу, статистична обробка результатів і написання статті).

Статті в інших виданнях:

8. Миленька М. М. Регіональна сітка біомоніторингу для вивчення стану екологічних систем на техногенно трансформованих територіях / М. М. Миленька // Вісник Прикарпатського нац. ун-ту. 2007. Вип.VII -VIII. С. 244 - 248.

9. Случик В. М. Особливості математичного аналізу та інтерпретації даних екогенетичних досліджень / В. М. Случик, М. М. Миленька // Вісник Прикарпатського нац. ун-ту. 2008. Вип. ІХ. С. 127 - 131.

...