CC BY
159
ИЗВЕСТИЯ
ПЕНЗЕНСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО ПЕДАГОГИЧЕСКОГО УНИВЕРСИТЕТА имени В. Г. БЕЛИНСКОГО ЕСТЕСТВЕННЫЕ НАУКИ № 25 2011
IZVESTIA
PENZENSKOGO GOSUDARSTVENNOGO PEDAGOGICHESKOGO UNIVERSITETA imeni V. G. BELINSKOGO NATURAL SCIENCES № 25 2011
УДК 574.24+630
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МЕТОДОВ БИОИНДИКАЦИИ ДЛЯ ОЦЕНКИ СОСТОЯНИЯ
ЛЕСНЫХ ЭКОСИСТЕМ
© А. И. ИВАНОВ12, Т. А. ДУНАЕВА2, О. В. СКОБАНЕВА2 ‘Пензенская государственная сельскохозяйственная академия Региональный центр государственного экологического контроля и мониторинга по Пензенской области,
e-mail: [email protected]
Иванов А.И., Дунаева Т.А., Скобанева О.В. - Использование методов биоиндикации для оценки состояния лесных экосистем //Известия ПГПУ им. Белинского. 2011. № 25. С. 575-578. - Проведена оценка влияния различной интенсивности химического загрязнения на древесные растения и эпифитные лишайники в условиях лесных экосистем. В работе используются методики, связанные с оценкой морфологических, физиологических и биохимических показателей растений и эпифитных лишайников.
Ключевые слова: биоиндикация, лесные экосистемы, малоновый диальдегид, пигменты, пролин, пыльца, эпифитные лишайники.
Ivanov A.I., Dunaeva T.A., Skobaneva O.V. - The use of bioindication methods for state value of forest ecosystems // Izv. Penz. gos. pedagog. univ. im. i V.G. Belinskogo. 2011. № 25. P. 575-578. - The environmental estimation of woody plants and lichens condition in various degrees of chemical pollution is executed. This article deals with assessment methods of morphological, physiological and biochemical characteristics of plants and epithet lichens.
Key words: bioindication, forest ecosystems, malone dialdehyde, pigments, proline, pollen, epithet lichens.
В настоящее время лесные экосистемы испытывают сильное антропогенное воздействие, связанное с загрязнением окружающей среды, нарушением вертикальной и горизонтальной структуры насаждений вследствие рубок, выращивания монокультур хвойных и т.п. В результате этого начинают проявляться негативные процессы, связанные со снижением про-дуктивностидревостоевиз-замассовогоразмножения возбудителей болезней, гибелью не только отдельных деревьев, но и целых лесных массивов. В частности, в лесной зоне массовый характер приняло усыхание дуба, в таежной зоне - усыхание ельников и т.п. [10].
В связи с этим возникает необходимость оценки состояния лесных экосистем до начала развития деструктивных процессов. Особенно актуально проведение подобных работ в местах, где антропогенная нагрузка наиболее интенсивная, в частности, в парках, пригородных лесах и иных антропогенно нарушенных территориях.
Целью данной работы была оценка влияния различной интенсивности химического загрязнения на древесные растения и эпифитные лишайники в условиях лесных экосистем.
Актуальность выбора направления исследований определяется тем, что во всех субъектах РФ с 2001 г. филиалами ФБУ «Российский центр защиты леса» ведется мониторинг состояния лесных экоси-
стем. В связи с этим возникает необходимость в разработке и усовершенствованию методик проведения наблюдений.
МАТЕРИАЛ И МЕТОДЫ В работе использованы биологические методы оценки состояния окружающей среды, признанные в настоящее время многими зарубежными и отечественными исследователями достаточно объективными и воспроизводимыми среди методов экологического мониторинга. В отличие от химических методов, биоиндикаторы дают интегральную характеристику качества среды при всем многообразии воздействий.
В ходе выполнения работ в течение четырёх лет с 2007 по 2011 гг. на территории Леонидовского участка ГБУ ПО «Ахунско-Ленинское лесничество» Пензенской области были использованы методики, свя-занныесоценкойморфологических,физиологических и биохимических показателей высших растений, а также эпифитных лишайников как наиболее чувствительных к загрязнению среды объектов.
Контролем в исследованиях использовались пробы, отобранные на территории условно неподвер-гающейся антропогенному воздействию - памятник природы«Никоновскийбор»Городищенскогорайона.
В ходе подготовки данной статьи проведен ком-плексмногоуровневыхбиоиндикационныхисследова-
ний, позволяющих определить совокупный негативный эффект химического загрязнения на территории ЛеонидовскогоучасткаГБУПО«Ахунско-Ленинское лесничество» Пензенской области, в одном из кварталов которого в конце 50-х гг. XX в. проводилось уничтожение устаревших образцов химического оружия. Т ак средний фоновый показатель содержания мышьяка в незагрязненных почвах изучаемых территорий составляет 8,1 мг/кг, ПДК его в серых лесных почвах, типичных для района исследования, составляет 2 мг/ кг. Содержание мышьяка в корнеобитаемом слое почвы на полигонах достигает тысячи и более ПДК, и превышают фоновые показатели для почв Пензенской области в 200 и более раз [4].
По степени загрязнения почвы исследуемой тер-ритории,гдеотбиралсябиоматериал,условноразделе-ны на три группы:
- слабозагрязненные (с содержанием мышьяка и тяжелых металлов в пределах фоновых показателей -пробные площади № 1-6);
- среднезагрязненные (с содержанием поллю-тантов, не превышающим фоновый показатель в три раза - пробные площади № 7-9);
- сильнозагрязненные (с содержанием поллю-тантов выше фоновых показателей в три и более раз - пробные площади № 10-12).
Для оценки состояния древесных растений были использованы следующие методы: определение свободного пролина по методике Бэйтса [11] и определение жизнеспособности пыльцевых зерен по Шар-дакову [6]. В лихеноиндикационных исследованиях использована способность лишайников накапливать в свободном виде в слоевище малоновый диальдегид (МДА), в ответ на стрессовые воздействия. [2]. Для выявления повреждений фотосинтетического аппарата изучены изменения содержания пигментов и флюоресценции хлорофилла [3].
В качестве объектов исследований были использованы типичные для региона древесные растения: лещина обыкновенная ( Corylus avellana L.), сосна обыкновенная (Pinus sylvestris L.), береза повислая (Betula pendula Roth.) и ольха клейкая (Alnus glutinosa (L.) Gaertn.).
Лихеноиндикационные исследования проводили на двух доминирующих эпифитных видах -
Hypogymniaphysodes (L.) Nul. и Parmelia sulcata Taylor.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
Химическоезагрязнение снижаетжизнеспособ-ность пыльцы и приводит к морфологическим аномалиям пыльцевых зёрен [5, 7, 9]. Получены статистически достоверные данные, отражающие зависимость качественного состояния пыльцы, взятой из разных точек пробоотбора. Минимальный процент жизнеспособной пыльцы был в образцах, отобранных с МПУ химического оружия и прилегающих территориях (рис. 1., пробные площади №10-12). На остальной территории достоверные отклонения не обнаружены.
В качестве морфологических отклонений при визуальном изучении отмечались: недоразвитие гене-
4/ &
Рис. 1. Показатели жизнеспособности пыльцы сосны обыкновенной
ративной клетки пыльцевого зерна, деградация воздушных мешков, деформация, кривизна. Существенные отклонения в морфологии пыльцевых зёрен отмечаются непосредственно в МПУ химического оружия.
Таким образом, длительное воздействие химического загрязнения приводит к нарушениям морфологических и физиологических признаков. В данном случае, морфологические аномалии пыльцы наблюдаются в образцах с МПУ химического оружия.
Для большинства растений, находящихся в нормальных условиях существования, характерно низкое содержание свободного пролина в вегетативных органах и высокая его концентрация в генеративных органах, в частности, в пыльце [1, 8]. Согласно литературным данным, имеются достоверные сведения о том, что содержание свободного пролина в генеративных органах резко убывает в условиях химического и любого другого стресса. Высокое содержание свободного пролина в пыльце является показателем ее нормальной жизнедеятельности и фертильности. Следовательно, названный показатель можно использовать для экспресс-оценки глубины химического стресса в МПУ химического оружия и территориях, прилегающих к ним.
В ходе определения содержания свободного пролина в пыльце лещины обыкновенной было установлено, что на большей части территории содержание аминокислоты максимально высокое (84-136 мг %), что свидетельствует о благоприятном состоянии среды. Минимальное содержание аминокислоты наблюдается в местах с высоким уровнем химического загрязнения, т.е. в непосредственной близости к полигонам уничтожения химического оружия. По мере удаления от МПУ в радиусе до1 км данный показатель составляет 56-82 мг %, т.е. несколько выше.
Аналогичные закономерности в накоплении свободного пролина в генеративных органах зафиксированы в растениях ольхи клейкой, сосны обыкновенной и березы повислой, произрастающих на исследованной территории.
В отличие от высших растений, лишайники поглощают воду с растворёнными в ней элементами толь-
ПРИКЛАДНАЯ ЭКОЛОГИЯ ►►►►►
ко из воздуха и дождевой воды и в течение всей жизни накапливают поллютанты. При этом они не способны избавляться от поражённых токсичными веществами частей слоевищ, что приводит к определённым изменениям в их физиологии и биохимии. Поэтому лишайники реагируют на загрязнение атмосферы раньше и сильнее, чем высшие растения.
В ходе изучения накопления МДА в слоевищах лишайников были получены следующие результаты. На большей части территории Леонидовского участка ГБУ ПО «Ахунско-Ленинское лесничество» по биохимическим параметрам лишайники находятся в нормальном состоянии (рис.2). Отклонения от контроля по исследованным показателям в пределах нормы, незначительные отклонения связаны с разностью освещения или затенения растительных объектов. Загрязнение на территории имеет локальный характер. Непосредственно в МПУ (пробная площадь №12) химического оружия в слоевищах H. physodes и P. sulcata происходит высокое накопление МДА. Воздействие продуктов деструкции боевых отравляющих веществ сказывается на прилегающих к МПУ территориях до 1 км (пробные площади № 10, 11). Достоверные отклонения отмечены и на среднезагрязнённой территории (пробные площади № 7-9). Полученные данные указывают на то, что испарения с поверхности загрязнённых почв полигонов оказывают негативное влияние на состав воздуха. Помимо МПУ в районе исследований, угнетающее воздействие на лишайники оказывает задымление территории, обусловленное работой предприятия по производству древесного угля (пробная площадь №7).
При изучении пигментного состава лишайников полученыследующиерезультаты.Достоверныеоткло-нения выявлены по всем изученным точкам системы пробоотбора, что предполагает наличие изменений на субклеточном уровне. Доказано, что длительное дей-
ствие поллютантов на лишайники уменьшает количество хлорофилла. Разрушение хлорофилла может бытьвызваноразрывомсвязейвхлорофилл-белковых комплексах, а также возникновением свободнорадикального окисления [12]. Наибольшие отклонения от контроля в сторону уменьшения отмечены в МПУ химического оружия и на прилегающих территориях , где содержания хлорофиллов а, в и кароти-ноидов в слоевищах P. sulcata и H. physodes составляют
0.087, 0.033, 0.147и 0.108, 0.028, 0.075 мг/г сухой массы соответственно.
У изучаемых видов происходит разрушение зеленых пигментов и вследствие этого уменьшение их количества. Но, несмотря на это, уровень флуоресценции выше, чем в контрольном образце. Подобное явление можно объяснить тем, что организм сопротивляется стрессу и активизирует то количество пигментов для фотосинтеза, которое у него имеется.
В МПУ химического оружия и прилегающих территориях отмечено увеличение доли каротиноидов (a+b/car) в слоевищах Hypogymniaphysodes и Parmelia sulcata до 1.2 и 1.5 соответственно. Тенденция увеличения количества каротиноидов типична в условиях загрязнения. Данное явление связано с большей устойчивостью каротиноидов к действию поллютан-тов, а также с их защитной функцией как антиоксидантов клеточного метаболизма и участников защиты фотосистемы.
Таким образом, результаты лихеноиндикацион-ныхметодовоценкисостояниялесныхэкосистемсопо-ставимы с вышеописанными исследованиями высших растений. Существенное воздействие на состояние ЛеонидовскогоучасткаГБУПО«Ахунско-Ленинское лесничество» оказывают токсичные вещества с мест прежнего уничтожения химического оружия, проводимого в 50-х гг. прошлого века. Достоверные отклонения физиологических и биохимических параметров
Рис. 2. Относительное содержание МДА в слоевищах лишайников, %.
древесных растений и лишайников, выявлены как в МПУ химического оружия, так и на прилегающих территориях. На остальной территории отклонений не наблюдается, либо отклонения недостоверны.
Как показывает сравнение результатов оценки воздействия химического стресса на морфологические, физиологические и биохимические признаки, полученные с применением предложенного комплекса методов, они вполне сопоставимы, что указывает на их объективность. Следовательно, вышеописанные методики являются перспективными и могут быть рекомендованы для использования в рамках работы по проведению мониторинга состояния лесных экосистем филиалами ФБУ «Российский центр защиты леса».
СПИСОК литературы
1. Бритиков Е.А., Мусатова Н.А. Накопление свободного пролина в пыльце // Физиология растений. 1964. Т.
11. № 3. С. 211-213.
2. Владимиров Ю.А., Арчаков А.И. Перекисное окисление липидов в биологических мембранах. М.: Наука,
1972. 252 с.
3. гавриленко В.Ф., Жигалова Т.В. Большой практикум по фотосинтезу. М.: Academia, 2003. 256 с.
4. Иванов А.И, Ильин В.Ю., Чистякова А.А., Новикова Л.А. Характеристика растительного покрова и живот-ногомиратерриторий предполагаемогостроительства
объекта УХО // Пятые Публичные слушания по про-блемеуничтоженияхимическогооружия.Пенза,2000. С. 117-128.
5. Калашник Н.А., Ясовиева С.М., Преснухина Л.П. Аномалии пыльцы хвойных видов деревьев при промышленном загрязнении на Южном Урале // Лесоведение. 2008. № 2. С. 33-40
6. Мокроусов А.Т. Малый практикум по физиологии растений. М.: Изд-во МГУ, 1994. С. 113-116.
7. Махнева С.Г. Состояние мужской генеративной системы сосны обыкновенной при техногенном загрязнении среды. Автореф. дис канд. биол. наук. Екатеринбург: УГЛУ, 2005. 24 с.
8. Перуанский Ю.В., Стаценко А.П. Свободный пролин вегетативных органов - биохимический показатель морозостойкости озимой пшеницы // Сельскохозяйственная биология. 1981. Т. 16. № 5. С. 740-743.
9. Третьякова И.Н., Носкова Н.Е. Пыльца сосны обыкновенной в условиях экологического стресса // Экология. 2004. № 1. С. 26-33.
10. Частухин В.Я.УсыханиедубавВоронежскойобласти и причины этого явления // Тр. Воронежского заповедника. 1949. Вып. 3. С. 70-87.
11. BatesL.S.,Waldren,R.P.,Teare,I.D.Rapiddetermination of free praline per water - stress studies // Plant and Soil.
1973. P. 205-207.
12. Sanz M. J. Dose-response relationships for SO2 fumigations in the lichens Everniaprunastry (L.) Ach. and Ramalina fraxinea (L.) Ach. // New Phytologist. 1992. Vol. 122. P. 313-319.
