Scientific journal

International Journal of Applied and fundamental research

ISSN 1996-3955

ИФ РИНЦ = 0,593

В современных условиях научно-технического прогресса все более актуальными становятся альтернативные инструментальным методы биологической индикации неспецифических поллютантов, поступающих в окружающую среду в результате хозяйственной и иной деятельности человека. В качестве биоиндикаторов могут выступать как растительные организмы, так и животные, обладающие способностью реагировать на происходящие изменения компонентного и количественного состава привычных условий обитания. Ответная реакция таких индикаторов возможна благодаря протеканию метаболических процессов в их организме более ускоренными темпами по сравнению с адаптационными механизмами человека [1].

Определенные виды биоиндикаторов способны предоставить комплексную картину воздействия загрязняющих веществ, поступающих в окружающую среду от антропогенных источников загрязнения. В связи с этим в последнее время все чаще метод биоиндикации включают в программу мониторинговых исследований. Причем чем сложнее организация биологической системы, тем более тесная ее взаимосвязь проявляется с факторами среды обитания.

Одним из достоинств биоиндикационных методов является неспецифичность реакции живого организма на воздействие поллютантов [2]. Такая способность биологического индикатора выявляется происходящими изменениями как при визуализации отличительных характеристик организма, так и его изменении метаболизма под влиянием разных антропогенных факторов, чем и обусловлена комплексность биоиндикации.

Выраженное отклонение в росте и развитии живого организма в условиях негативного воздействия факторов городской среды проявляется благодаря чувствительности биоиндикатора, а кумуляция эмиссии позволяет посредством экспериментальных исследований охарактеризовать положительную корреляцию между установленной концентрацией загрязняющих веществ в индикаторе и окружающей его среде.

Зачастую в качестве фитоиндикаторов применяются хвойные древесные насаждения, что обусловлено возможностью круглогодичных биоиндикационных исследований, высокой чувствительностью их ассимиляционного аппарата к загрязнителям, поступающим в растительный организм воздушным путем и приводящих к постепенному отмиранию хвои, сокращению срока ее жизни. Кроме того, хвойные насаждения все чаще используются в фитодизайне внешнего облика городов и повсеместно встречаются как в промышленных, так и селитебных районах.

Цель исследования: оценка возможности использования ели сибирской и сосны обыкновенной по результатам анализа их ассимиляционных органов в качестве биоиндикаторов интенсивности аэрогенного загрязнения районов г. Красноярска.

Материалы и методы исследования

В работе оценивались изменения параметров хвои с контрольных и фонового участков. Основными характеристиками ассимиляционного аппарата являлись влажность, зольность, усыхание и повреждения хвои, накопления тяжелых металлов. В качестве объекта исследования использовали хвою ели сибирской и сосны обыкновенной, весьма чувствительных к воздействию поллютантов. Анализ хвои на усыхание проводился визуальным способом по пятибалльной шкале. С каждого пробного участка отбирались образцы хвои с десяти елей и сосен, проводились морфометрические ее замеры, после чего оценивалось общее состояние древостоев рабочих микроучастков. Полученные результаты усреднялись по районам города. Визуальные наблюдения позволили выявить выраженные изменения в структуре кроны деревьев, общем охвоении, продолжительности жизни, окраске и наличии заболеваний хвои. Поврежденную хвою отличали от здоровой по наблюдаемым хлорозам, наличию некротических пятен, некрозов. Морфометрические исследования включали в себя измерения линейных и объемных характеристик двухлетней хвои. Усредненные результаты получали в ходе двукратного измерения 100 хвоинок. Отбор проб проводили в пределах г. Красноярска, в качестве фона использовали пробы, отобранные в районе ст. Рябинино. Отбор производился на высоте 1,2–1,3 м от земли. Влажность и зольность хвои определяли по общеизвестным методикам (ГОСТ 21769-84. Зелень древесная. Технические условия). Схема отбора проб приведена на рис. 1.

Результаты исследования и их обсуждение

Загрязнение атмосферного воздуха вызывает физиологические изменения в ассимиляционном аппарате объектов исследований, в том числе на уровне биохимических процессов в растительном организме, что приводит к трансформации внутреннего строения и свойств клеток. При накопительном эффекте загрязняющие вещества приводят к проявлению внешних изменений древостоев. Наиболее наглядно отклонения наблюдаются у вегетативных органов древесных пород и чаще всего воздействие токсикантов выражается в уменьшении размеров и изменении окраски хвои, снижения общей охвоенности дерева [3]. В связи с этим целесообразно проводить оценку экологической обстановки территории по вариативности ассимиляционного аппарата, позволяющую оперативно, достаточно достоверно и без использования специального оборудования представить объективное описание степени загрязненности исследуемого района. Результаты метрических измерений представлены в табл. 1.

Анализ замеров длины хвоинок позволяет констатировать очевидное отличие определяемого параметра хвои деревьев фонового участка от контрольных образцов, причем отклонение значений длины ели сибирской от фона в среднем составляет 39 %, у контрольных образцов хвои сосны обыкновенной отклонение от фоновых показателей менее выражено и в среднем составляет 16 %.

В фоновых древостоях вследствие взаимного затенения хвои, из-за уменьшения их числа на вершине дерева и постепенного увеличения освещенности, показатели измерения линейных размеров и массы хвоинок возрастают от нижней части кроны к верхней [4]. При усилении воздушной эмиссии подобная закономерность практически не выявляется.

Регулярное воздействие поллютантов вызывает адаптацию растительного организма к условиям произрастания, что проявляется в приобретении видоизмененной структуры и перестройки процессов функционирования организма путем изменения интенсивности обмена веществ в ассимиляционном аппарате. Негативное влияние токсичных химических соединений на растительный организм приводит к увеличению в нем скорости превращений, изменению компонентного состава и биопродуктивности, что является причиной варьирования физиологических показателей хвои. Биоиндикационный анализ позволяет выявить основные факторы, оказывающие как прямое, так и опосредованное влияние на специфичную реакцию растительного организма: климатические и метеофакторы окружающей среды, периодичность и уровень воздействия, а также исходное состояние биоиндикатора. Благодаря этому древесные насаждения могут быть использованы в качестве эффективных индикаторов воздушной эмиссии конкретной территории, оценки уровня ее загрязнения [5].

Обследование состояния хвои проводят по наличию повреждений на ней и степени усыхания ассимиляционного аппарата.

Анализ полученного обследования хвои показал, что наиболее загрязненными являются условия произрастания растений в Свердловском и Ленинском районах, степень повреждения хвои составляет 69 и 55 % соответственно. Выявленные наблюдения подтверждаются высокой концентрацией производственных объектов и повышенной нагрузкой автомагистралей данных районов города. Причем во всех случаях ответная реакция растительного организма на внешние экологические факторы выше в случае применения ели сибирской в качестве биоиндикатора.

Немаловажным показателем состояния хвойных древостоев как элемента экосистемы является влажность. Влажность хвои определяли по общеизвестным методикам (ГОСТ 21769-84. Зелень древесная. Технические условия). Более наглядная возможность зонирования территории по уровню загрязнения воздушной среды выявлена по показателю влажности хвои, результаты определения которой представлены в табл. 3.

Как показывают экспериментальные данные, влажность хвои контрольных участков незначительно, но уменьшается под воздействием запыленного и загазованного атмосферного воздуха в связи с изменением плотности устьиц хвоинок, определяющей площадь для газового обмена анатомических элементов хвои с атмосферой. Результаты измерения влажности в хвое согласуются с данными других авторов, что подтверждает зависимость между содержанием влаги в хвое и уровнем антропогенной нагрузки, что позволяет использовать показатель влагосодержания как индикатор экологического прессинга в условиях городской агломерации [6].

Загрязнение атмосферного воздуха, заключающееся в увеличении несвойственных для него минеральных компонентов, постепенно отражается на растительном организме, ухудшая функционирование и устойчивость насаждений. Такие изменения объясняются тем, что минеральные вещества активно участвуют в обменных процессах растений и изменение качественного и количественного состава минералов, особенно тяжелых металлов, отражается в первую очередь на состоянии ассимиляционного аппарата. При проведении серии опытов по установлению минерального состава анализировались образцы хвои на всех исследуемых участков. Однако представительными в данном случае являлись зоны с наиболее интенсивной антропогенной нагрузкой. Данные по показателю зольности проб представлены в табл. 4.

В результате анализа полученных данных наблюдается динамика содержания золы в хвое древесных пород в сторону уменьшения при удалении от промышленных к лесным районам. Немаловажное значение при оценке уровня загрязнения территории имеет изменчивость содержания компонентов в хвое исследованных участков. Что можно наблюдать на примере накопления тяжелых металлов в хвое ели обыкновенной, мг/кг (июль 2019 г.), как наиболее чувствительной древесной породы к аккумуляции поллютантов согласно данным табл. 4. Содержание минеральных компонентов в хвое представлены на рис. 2.

Согласно анализу данных, можно предположить, что поступление аэрозолей тяжелых металлов из воздуха и их накопление в хвое ели сибирской происходит как пассивным, так и активным путем от различных источников техногенного загрязнения, в том числе от автомагистралей, производственных площадок. Результат исследований показал, что содержание тяжелых элементов в хвое уменьшается по мере удаления места произрастания насаждений от источников эмиссии и достигает минимального в районе ст. Рябинино по всем исследуемым компонентам. Полученные данные хорошо согласуются с проведенными ранее исследованиями на территории заповедника Столбы [7].

Необходимо также отметить, что предложенный способ оценки экологического состояния территории посредством биоиндикационных показателей растительного организма с использованием ели сибирской и сосны обыкновенной достаточно прост в применении, не требует дорогостоящего оборудования и может осуществляться в полевых условиях при проведении экологического мониторинга.

Заключение

В результате проведенных исследований установлено, что ассимиляционный аппарат ели сибирской в большей степени подвержен антропогенному воздействию в условиях городской среды, чем аппарат сосны обыкновенной. Отклонение от фонового, % арифметической длины хвои; влажности; зольности составило для ели – 39,0; 16,1; 53,1; сосны – 16,2; 13,0, 42,0 соответственно. По результатам исследований можно сделать вывод о возможности использования ели сибирской и сосны обыкновенной в качестве биоиндикаторов интенсивности аэрогенного загрязнения городских экосистем. Полученные данные могут служить для оценки состояния атмосферного воздуха и зонирования территорий.