DOI 10.24412/2413-046Х-2021-10341

ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАГРЯЗНЕНИЙ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ ПО ФЛУКТУИРУЮЩЕЙ АСИММЕТРИИ БЕРЕЗЫ ПОВИСЛОЙ (BETULA PENDULA ROTH.) НА ТЕРРИТОРИИ КАЛУЖСКОЙ ОБЛАСТИ С РАЗЛИЧНЫМ УРОВНЕМ АНТРОПОГЕННЫХ НАГРУЗОК

STUDY OF ENVIRONMENTAL POLLUTION BY FLUCTUATING ASYMMETRY OF THE HANGING BIRCH (BETULA PENDULA ROTH.) IN THE KALUGA REGION WITH DIFFERENT LEVELS OF ANTHROPOGENIC LOADS

Стрельцов Алексей Борисович, д.б.н, профессор кафедры ботаники, микробиологии и экологии КГУ им. К. Э. Циолковского. Россия, Калуга

Наумова Александра Александровна, аспирантка, 2-ой курс, институт естествознания КГУ им. К. Э. Циолковского

Наумова Татьяна Александровна, аспирантка, 2-ой курс, институт естествознания КГУ им. К. Э. Циолковского

Streltsov Alexey Borisovich, Doctor of Biological Sciences, Professor, Department of Botany, Microbiology and Ecology KSU named after K. E. Tsiolkovsky. Russia, Kaluga

Naumova Alexandra Alexandrovna, Graduate student 2st year, Institute of Natural Sciences KSU named after K. E. Tsiolkovsky

Naumova Tatiana Alexandrovna, Graduate student 2st year, Institute of Natural Sciences KSU named after K. E. Tsiolkovsky

Аннотация. Данная статья посвящена исследованию территорий с различным уровнем загрязнения по морфологическому признаку – флуктуирующей асимметрии березы повислой (Betula pendula Roth.) на примере территорий с высоким уровнем прохождения железнодорожного и автомобильного транспорта в районе железнодорожной станции Калуга-2.    Исследования изучаемых территорий показывают, что показатель флуктуирующей асимметрии березы повислой (Betula pendula Roth.) варьирует в зависимости:  от насыщенности транспортной нагрузки,  места расположения от источника загрязнения, а также от открытости и защищенности участка. Под воздействием различного техногенного влияния, наблюдается ухудшение качества окружающей среды, в результате  показатель ФА возрастает. Построена карта расположение точек в районе железнодорожной станции Калуга-2.    

Summary. This article is devoted to the study of territories with different levels of pollution on a morphological basis – the fluctuating asymmetry (Betula pendula Roth.) of the hanging birch on the example of territories with a high level of railway and road transport in the area of the railway station Kaluga-2. Studies of the studied territories show that the index of fluctuating asymmetry of the hanging birch (Betula pendula Roth.) varies depending on: from the saturation of the transport load, the location from the source of pollution, as well as from the openness and security of the site. Under the influence of various technogenic influences, there is a deterioration in the quality of the environment, as a result, the FA index increases. A map of the location of points in the area of the Kaluga-2 railway station is constructed.

Ключевые слова: биоиндикация, биоиндикатор, береза повислая (Betula pendula Roth.), флуктуирующая асимметрия, листовая пластинка, стрессовые воздействия, окружающая среда, антропогенная нагрузка, техногенные факторы. 

Key words: bioindication, bioindicator, hanging birch (Bétula pendula Roth.), fluctuating asymmetry, leaf blade, stress effects, environment.

 Человек и природа – едины. Вся окружающая нас  среда  находится в живой и неживой форме, но в разнообразных проявлениях она влияет на нашу жизнь.

Чистота атмосферы – это один из основных факторов сохранения экологической среды. В настоящий момент загрязнение атмосферного воздуха настолько велико, что представляет угрозу растительному и животному миру всей нашей планеты. Максимальная допустимая концентрация  вредных веществ утвержденных в законодательном порядке, применяемая в современной системе экологического контроля, не соответствует санитарно-гигиеническим  нормам.

Инструментальный контроль – достаточно непростой способ получения данных для анализа. Исходя из этого, все более актуальными становятся биоиндикационные методы, основным преимуществом которых является предоставление интегральной оценки качества окружающей среды [5]. Анализ научно-исследовательских работ показывает, что методы биологического контроля для исследования качества среды нашли широкое применение, как в России, так и за рубежом. В настоящее время биологические методы контроля широко  используют при проведении мониторинга качества среды, особенно в районах с промышленными предприятиями, а также вдоль автомобильных дорог и автомагистралей.

Новизна работы заключается в исследовании ранее изученных территорий с высокой техногенной нагрузкой методами биоиндикации и ГИС-технологий. Результаты и выводы, полученные в ходе практического исследования, помогут дать определенную характеристику изучаемых территорий и возможность для их дальнейшего исследования.

Биоиндикация – это выявление количественных и качественных параметров окружающей среды и ее компонентов на основе изменения морфологии, химического состава, жизненного распространения видов организмов. А сами организмы получили название биоиндикаторы [1].

Непосредственно на живые организмы, в том числе и на растительность, оказывают влияние как внешние, так и внутренние факторы, происходящие в биосфере. Такие влияния вызывают у растений «стресс».

Стресс – это ответная  реакция биологической системы на экстремальные факторы окружающей среды, которые в различной степени влияют на среду.

Стресс могут вызывать различные факторы среды. К ним относятся абиотические факторы, химические вещества, ионизирующее излучение и др.

Из-за стрессовых воздействий идет накопление негативных последствий и формирование кумулятивного эффекта, что способствует изменению количественному соотношению между видами и структуры фитоценоза [2].  

В основе  метода биоиндикации лежит использование различных видов  биоиндикаторов. Этот метод позволяет с определенной точностью установить качественные и количественные характеристики среды обитания с помощью биологических систем. К биоиндикаторам относятся растительные организмы, быстро реагирующие на внешние факторы окружающей среды, а также бактерии, грибы, водоросли, животные.

Первые анатомические нарушения в растительной клетке прослеживаются в строении хлоропластов. На ранних стадиях повреждений наблюдаются округление и разрушение оболочки хлоропластов, редукция гранов, раздувание тилакоидной системы. В дальнейшем развитии наблюдается разрушение цитоплазмы и сжимание растительной клетки в целом [7].

Для оценки стабильности развития растения можно использовать любые признаки по различным морфологическим структурам, для которых возможно нормальное значение и, соответственно, учесть степень отклонения от него. Предпочтительным в силу простоты и однозначности интерпретации является учёт асимметрии исследуемых структур, которые в норме являются симметричными. Подобные исследования по оценке загрязнения атмосферного воздуха в условиях Калужской области достаточно эффективны. [8; 11]

Широкое применение среди древесных растений в качестве биоиндикатора нашла береза повислая (Betula pendula Roth.). Применяя березу повислую, как биоиндикатор, нужно отметить, что она характеризует только комплекс  факторов наземной среды.

Исследования проводимые в Калужской области (Стрельцов и др, 2000) установили между экологическим состоянием рек и прилегающих к ним  наземных участков тесную взаимосвязь, поэтому при изучении данных объектов необходимо учитывать специфику обследования и при оценке водной среды использовать другие виды индикаторов.

Д. Е. Гавриков и C. Г. Баранов сравнивали разные методы оценки окружающей среды с помощью исследования морфологических показателей в своей работе «Сравнение методов оценки флуктуирующей асимметрии листовых пластин (Betula pendula Roth.) и пришли к выводу, что данный метод может быть использован для оценки качества здоровья среды, так как сходные тенденции в флуктуации листовых пластин березы повислой (Betula pendula Roth.) были выявлены разными методами [5, 8].

Несмотря на то, что береза повислая произрастает повсеместно, целый ряд вопросов применения березы как биоиндикатора остается неизученным. Недостаточно сведений о нарушении стабильности развития на экологической периферии ареала. Мало изучены закономерности пространственного площадного распределения коэффициента асимметрии этого вида.  В данном направлении работы в этом  крайне малочисленны.   

Известно, что все биологические системы на всех уровнях организации, относятся к динамическим структурам во времени, а применение биоиндикационных исследований дает возможность вести лишь рекогносцировочную оценку, которая отображает ситуацию в конкретный отрезок времени. Здесь важное теоретическое и практическое значение имеют периодические наблюдения за изменением качества природной среды (биомониторинговые наблюдения) с оценкой именно биологических параметров. [9]

Показатель ФА  быстро реагирует повышением на изменение фактора и стабилен при адаптации к данным условиям. Следовательно, при периодическом изучении уровня асимметрии, можно следить за изменением среды обитания организма.

Особенно хорошо это прослеживается на территориях с различным уровнем загрязнения. Нельзя не отметить опасность антропогенного загрязнения окружающей среды, которое приводит к уничтожению  природы, к необратимым изменениям различных экосистем и биосферы в целом. В совокупности  все виды загрязнения оказывают  вредное воздействие как,  на растения, животных, так и на людей, т.е. на все живые организмы.  На сильно загрязненных территориях с увеличением возраста древесных растений наблюдается  уменьшение  естественных защитных механизмов, в результате снижается их биологическая устойчивость.

В 2020 году нами было проведено исследование флуктуирующей асимметрии березы повислой (Betula pendula Roth.) в пяти точках с различным уровнем загрязнения в Калужской области в районе железнодорожной станции Калуга-2. Используя метод ГИС-технологий, исследуемые точки изобразили на карте. Данные точки располагаются в зонах с различным уровнем антропогенного воздействия.

Сбор материала проводился после остановки роста листьев, в  июне – августе. В каждой точке выборка составляла по 100 неповрежденных листьев.  Листовые пластинки отбирали средней величины. Сбор  материала для исследования  проводился с деревьев березы повислой  генеративного возраста, из нижней части кроны только с укороченных побегов.

Для определения величины флуктуирующей асимметрии листовой пластинки березы повислой (Betula pendula Roth.) проводили измерения по следующим морфологическим признакам,  характеризующих стабильность формообразования листовой пластинки в онтогенезе: 1 – ширина левой и правой половинок листа (от границы центральной жилки до края листа);                2 – длина жилки второго порядка, второй от основания листа; 3 – расстояние между основаниями первой и второй жилок второго порядка; 4 – расстояние между концами этих же жилок; 5 – угол между главной жилкой и второй от основания листа жилкой второго порядка. [7]

Измерения проводили на гербаризированном материале. Для обработки собранного материала использовали пакет программ Bioindikation tool kit, разработанный Лабораторией биоиндикации.

В данных точках получены коэффициенты флуктуирующей асимметрии, которые представлены на графике.

Оценку качества среды проводили по пятибалльная шкала степени нарушения стабильности развития березы повислой (Betula pendula Roth.), разработанная В.М. Захаровым. (табл. 1). 

В ходе исследований проведено измерение по 10 параметрам 1000 экземпляров листовых пластинок березы повислой (Betula pendula Roth.). Согласно, вышеприведенной методике был рассчитан индекс флуктуирующей асимметрии для всех точек отбора образцов. Из исследуемых точек наибольшая величина ФА отмечена в точке 1 – 0,062±0,0064 находящаяся в лесополосе в 25 метрах от железнодорожного моста и автомагистрали. Такой коэффициент флуктуирующей асимметрии показывает высокий уровень загрязнения в точке 1 в районе Калуга-2. Это объясняется тем, что помимо прохождения железнодорожного транспорта рядом располагается автомагистраль с высоким уровнем прохождения автотранспорта. Наименьший уровень загрязнения наблюдается в точке 5 – 0,042±0,0029, т.к эта территория располагается вглубь лесополосы на расстоянии 600 м от железной дороги и автомагистрали.

Таким образом, при использовании показателей флуктуирующей асимметрии листовой пластинки березы повислой для оценки качества окружающей среды нужно учитывать различные факторы, включающие как  антропогенные стрессоры, так и природные, а также их влияние на показатель стабильности развития. Следовательно, все отклонения в развитии органов и неспособность живых организмов поддерживать гомеостаз развития, вызваны внешними и внутренними факторами.    Соответственно результаты проведенных исследований показывают, что огромное влияние на показатель флуктуирующей асимметрии оказывает насыщенность транспортной нагрузки, расположение от источника загрязнения, а также  открытость и защищенность участка.

Список литературы

1. Булгаков Н.Г., Левич А.П., Максимов В.Н. Региональный экологический контроль на основе биотических и абиотических данных мониторинга // Экологический мониторинг. Методы биологического и физико-химического мониторинга: учебное пособие / под ред. Д.Б. Гелашвили.  Н. Новгород, 2003. С. 57 – 259
2. Вайнерт Э., Вальтер Р., Ветуель Т. Биоиндикация загрязнения наземных экосистем. М., 1988. 350 с.
3. Гуртяк А. А., Углев В. В. Оценка состояния среды городской территории с использованием березы повислой в качестве биоиндикатора // Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов. — 2010. — № 1. — С. 200–204.
4. Захаров В.М. Здоровье среды: методика оценки /Захаров В. М., [и др.] – М.: Центр экологической политики России. — 2000.- 68 с.
5. Мелехова О.П., Сарапульцева Е.И. Биологический контроль окружающей среды: биоиндикация и биотестирование: учебное пособие / под ред. О.П. Мелеховой и Е.И. Сарапульцевой. М., 2010. 288 с.
6. Середова Е. М. Изучение флуктуирующей асимметрии листьев березы повислой (Betula pendula Roth.) для оценки качества среды // Актуальные проблемы лесного комплекса. 2017. — № 47. — С 163–166.
7. Стрельцов А.Б., Наумова А.А. Методика оценки степени флуктуирующей асимметрии листовых пластинок на примере березы повислой (бородавчатой) (Betula pendula Roth.). // Научно-образовательный журнал для студентов и преподавателей «StudNet» №3/2020. стр. 303-311.
8. Стрельцов А.Б., Константинов Е.Л. Захаров В.М. и др. Здоровье среды. Региональное учебно-методическое пособие. Калуга, издательство КГПУ. 2006. 40 с.
9. Стрельцов А.Б., Лыков И.Н., Константинов Е.Л., Логинов А.А. Развитие методики биоиндикационной оценки здоровья (качества) окружающей среды. // Вестник Калужского университета. – Калуга: Изд-во КГУ им. К.Э. Циолковского, 2016. – № 2. – С. 100-104
10. Стрельцов А.Б., Наумова А. А., Наумова Т.А. Флуктуирующая асимметрия листовой пластинки березы повислой (Betula pendula Roth.) как индикатора определения загрязняющей среды. Международный журнал прикладных наук и технологий «Integral» №2/2021
11. Стрельцов А.Б. Региональная система биологического мониторинга качества (здоровья) окружающей среды в Калужской области // Проблемы региональной экологии №6, 2012. стр. 158-162.