Спосіб фітоіндикаційної оцінки токсичності грунтів антропогенно трансформованих екотопів

Спосіб фітоіндикаційної оцінки токсичності ґрунтів антропогенно трансформованих екотопів, що включає аналіз структурного поліморфізму рослини-індикатора, побудову індикаторної 10бальної шкали за діапазоном варіювання інформативної ознаки та формування картосхем за моніторинговою сіткою для ранжованих рівнів забру Корисна модель відноситься до фітоіндикаци, бюмоніторингу, промислової ботаніки, екологічної анатомії та морфології рослин, фітотоксикологи та може бути використана з метою проведення експрес-діагностики та тестування токсичного стану навколишнього середовища за показниками вмісту важких металів, наприклад цинку, на основі показників елементів будови листкових пластинок, а також для визначення оптимальних та межових рівнів забруднення токсичними елементами ґрунтів техногенних районів В Україні до регіонів з найбільшим техногенним навантаженням, де в першу чергу необхідно створити пункти спостереження та проведення моніторингу ґрунтів, належить територія Донецької області [1] Серед біологічних методів оцінки стану довкілля використання індикаційних можливостей рослин набуває особливого значення та має певні переваги на відміну від різноманітних інструментальних технічних методів [2-6] Найбільш небезпечними у порівнянні з іншими токсикантами природного та техногенного походження є важкі метали [7] Тому заслуговує на увагу питання про застосування фітоіндикаторів для визначення забруднення навколишнього природного середовища важкими металами [4] БІЛЬШІСТЬ робіт з фітоіндикаци присвячена визначенню (індикації) природних режимів та явищ геоботанічними методами в межах багатьох напрямків синфітоіндикацп [2, 3, 8], тоді як дані щодо днення ґрунтів важкими металами, який відрізняється тим, що застосовують візуалізаційне порівняння картосхем за показником атипової МІНЛИВОСТІ пилкових зерен дикорослих трав'янистих рослин, а саме показником шестигранного полярного стовщення пилкових зерен Cichonum intibus L , зі специфікою площинного розподілення конкретного токсичного елементу, та за результатами збігу ареолів для ранжованих рядів встановлюють ступінь ВІДПОВІДНОСТІ фітоіндикаційної ознаки певному фактору забруднення - токсичному рівню вмісту цинку у ґрунтах структурного аналізу рослин у природних геохімічно контрастних умовах з метою діагностики та встановлення специфіки металонавантаження на ґрунти майже відсутні Уривчасті свідчення про реакції рослин на техногенне забруднення середовища не дозволяють у повному обсязі виявити дискретний вплив токсичного компоненту на певні структурно-функціональні зміни видів рослин з широкою екологічною амплітудою [9] Питання зміни будови індикаторних видів металотолерантних рослин не досліджені для промвузлів Донецької області досі не з'ясовані можливості та інформативність структурної фітоіндикаци металопресингу, не розроблені та регіонально не апробовані конкретні локальні методологічні підходи та способи встановлення залежності в системі "рослина - техногенне середовище" ВІДОМІ способи бюіндикацп мутагенів у ґрунтах районів з посиленим антропопресингом, використання яких дозволяє за зміною якості пилку індикаторних видів рослин визначати ступінь забруднення ґрунтів пестицидами [10], також за зміною рослинних компонентів будови проводять гігієнічну оцінку мутагенного потенціалу промислових викидів [11] Відомий також спосіб визначення мутагенного ефекту факторів середовища за допомогою ідентифікації індукованих пестицидами аномалій ембріонального розвитку рослин, де вивчали спектр порушень ембріогенезу на 1-2-й день квіткування ю 00 ю 5845 та обліку підлягали такі показники, як старіння яйцевого апарату, асинхронний розвиток зародку та ендосперму та поліембріонія. При наявності мутагенного ефекту факторів середовища робили висновок, якщо значення першого з перелічених показників зменшувалося, а другого та третього збільшувалося у порівнянні з контролем [12]. Існує спосіб визначення інтегрального ефекту впливу несприятливих факторів зовнішнього середовища, який оснований на здатності мутагенів підвищувати ступінь дефектності пилку (СДП) трав'янистих рослин природної флори внаслідок порушення процесів мейозу при формуванні пилкових зерен. Для індикації мутагенів ґрунту цим способом можуть бути використані тільки ті рослини, які розмножуються статевим шляхом та при оптимальних умовах існування мають мінімальну кількість дефектного пилку [13]. Існує спосіб визначення ділянок забруднення оточуючого середовища [14], де здійснюють відбір зразків гумусового шару ґрунтів, їх аналіз валового вмісту важких металів та додатково проводять відбір зразків виду рослини, що здебільшого притаманна для території досліду, також визначають концентрацію хлорофілу у рослинах. У способі пошуку корисних копалин та екологічних забруднень [15], що містить відбір пошукового зразку, відокремлення фракції для аналізу, проводять оцінку спрямованості пошуку рудного тіла або екологічного забруднення за пошуковими індикаторними ознаками, які отримані в результаті дослідження фракцій. Спосіб визначення техногенного забруднення ґрунтів нікелем, міддю, цинком та свинцем [16] оснований на доборі зразків ґрунтів, проведенні із них 0,1 або 1N солянокислої витяжки, та, якщо концентрація металів перебільшує гранично припустимі значення, свідчать про наявність техногенного забруднення ґрунту. Існує також спосіб диференціювання пилку, якій містить принцип фракціонування паліносировини у повітряному просторі, де додатково впливають спрямованим горизонтальним рухом. У якості тест-рослин для визначення загальної токсичності ґрунтів використовують представників родини ряскових [18]. Також відомий спосіб визначення віддалених та безпосередніх наслідків впливу факторів середовища, зокрема важких металів [19], де використовують в якості тестсистеми частоту та спектр аномалій для вже сформованого зародкового апарату, а саме гістогенна редукція ендосперму, розширення шару епідермісу зародку, розростання гіалінової оболонки, анізокотилія, тератологічна полікотилія та тератологічна схізокотилія, цілковите зменшення зародку, гемітрикотилія, гемітетракотилія, складання ендотести з палісадного шару близьких до кубічних клітин, за якими визначають ступінь генотоксичності мутагенних факторів середовища в тому числі важких металів та проводять елементний аналіз специфіки впливу окремих металів. При цьому найбільш інформативними показниками є гістогенна редукція ендосперму (ГРЕ), розширення шару епідермісу зародка (РШЕЗ), розростання гіалінової оболонки (РГО), анізокотілія (А), тератологічна полікотілія (ТП) та тератологічна схізокотілія (ТС). Крім того є спосіб визначення локального ефекту токсичного впливу важких металів [20], який містить аналіз палінологічного матеріалу за показником ступеня дефектності пилку рослиниіндикатора та свідчення за даними обліку й статистичної обробки про наявність трансформуючого ефекту, де використовують в якості тест-системи індекс за розробленою 10-бальною шкалою для морфоструктурних елементів пилку та за цим індексом визначають ступінь та специфіку забруднення ґрунтів важкими металами. Найбільш близькими за технічною сутністю і досягненням результату є запропоновані заходи проведення фітоіндикаційного моніторингу техногенне трансформованих екотопів, де для проведення біотестування забруднення ґрунтів на прикладі північних промислових вузлів Донецької області розглядаються загальні принципи та основи проведення фітоіндикаційної оцінки. Для складання баз даних стану середовища та аналогічного збору інформації було закладено 302компонентну 2-рівневу індикаторну моніторингову сітку, впроваджений картографічний метод 10бальних шкал варіації та стандартизація структурної пластичності рослин, встановлені критерії оцінювання підрядності структур рослин фактору забруднення на прикладі впливу ранжованих рівнів важких металів на показники анізокотилії, тераторогічної схізокотилії, дисиметричного поліморфізму, гетерорамії та матрикальної гетероспермії Cichorium intybus L; також наведені принципи побудови шкал індикації для окремих випадків та картосхематичної візуалізації площинного розподілення даних забруднення [21]. Недоліками цього способу є складна система кореляційно-обчислювального апарату, що затримує процес швидкої діагностики екотоксичного стану навколишнього середовища; також цей спосіб спрямовано здебільшого на оцінку інтегрального ефекту впливу важких металів на рослини. В основу корисної моделі поставлена задача швидкої експрес-діагностики та тестування забруднення ґрунтів за даними картосхематичної візуалізації та поліпшення методичних засад оцінки факторів стресу у оточуючому середовищі за допомогою рослини-індикатора із характерних представників природної флори на прикладі Cichorium intybus L, де аналізу підлягає не впроваджений раніше показник частоти стрівальності шестигранних полярних стовщень пилку; за рахунок цього способу можна швидко проводити біомоніторинг та оцінку забруднення ґрунтів та прогнозувати специфіку вмісту токсикантів у середовищі, планувати техногенну діяльність у регіоні досліду. Поставлена задача вирішується тим, що спосіб фітоіндикаційної оцінки токсичності ґрунтів антропогенно трансформованих екотопів, який містить аналіз структурного поліморфізму рослиниіндикатора, побудову індикаторної 10-бальної шкали за діапазоном варіювання інформативної ознаки та формування картосхем за моніторинговою сіткою для ранжованих рівнів забруднення ґрунтів важкими металами, згідно корисній моделі застосовують візуалізаціине порівняння картосхем за показником атипової мінливості пилкових зерен 5845 дикорослих трав'янистих рослин, а саме показником шестигранного полярного стовщення пилкових зерен (ШПС) Cichorium intibus L, зі специфікою площинного розподілення конкретного токсичного елементу, та за результатами збігу ареолів для ранжованих рядів встановлюють ступінь відповідності фітоіндикаційної ознаки певному фактору забруднення - токсичному рівню вмісту цинку у ґрунтах. Спосіб оснований па тому, що застосовують візуалізаційне порівняння картосхем за показником атипової мінливості пилкових зерен дикорослих трав'янистих рослин, а саме показником шестигранного полярного стовщення пилкових зерен (ШПС) Cichorium intibus L, зі специфікою площинного розподілення конкретного токсичного елементу, та за результатами збігу ареолів для ранжованих рядів встановлюють ступінь відповідності фітоіндикаційної ознаки певному фактору забруднення - токсичному рівню вмісту цинку у ґрунтах. Термінологічний апарат з'ясовано за літературними джерелами [13, 22-25]. Приклад. Вказаний спосіб фітоіндикаційної оцінки токсичності ґрунтів антропогенно трансформованих екотопів було проведено на рослині Cichorium intybus L, що вирощували на території промислових майданчиків Артемівського та Костянтинівського районів Донецької області у 302 пробних площах - вузлах локалізації моніторингової сітки, серед яких модельними пробними плотами було обрано наступні: СЕРЕБ - сільський населений пункт Серебрянка, долина р. Сіверський Донець (контроль); ЛУГ - населений пункт міського типу Луганське, ділянка степового типу рослинності (контроль); НОВ - сільський населений пункт Новогригорівка, ділянка степового типу рослинності (контроль); ЧАС - Часовярський вогнетривкий комбінат; ПТ - Артемівський машинобудівний завод "Победа труда"; РК - рудеральний комплекс Артемівського центрального звалища сміття; ОКМ - Артемівський завод з обробки кольорових металів; АВТ - автовокзал м. Артемівськ; АСЗ - Артемівський скляний завод; ПІВД - рудник виробничого об'єднання "Південний"; КСЗ - Костянтинівський механізований скляний завод; УКЦ - Костянтинівський завод "Укрцинк"; КАВТ - автовокзал м. Костянтинівка. Методологічною засадою побудови 302компонентної моніторингової сітки був принцип наявності та відповідності хоча б однієї точки спостереження на кожному 10 км2-просторі; для урбаноландшафтів (де рівень та специфіка забруднення грунтів більш різноякісні на відміну від місць неактивної індустріалізації) використовують щільність ділянок спостереження у 1,5-2 рази більшу. На Фіг.1 зазначено локалізацію та відповідну нумерацію кожної пробної ділянки на території Артемівського району, на Фіг.2 - Костянтинівського району Донецької області, де також позначено територію посиленого та гетерогеннішого за металозабрудненням урбаноландшафта, що частково відповідає промисловим вузлам з центрами у м. Артемівську та м. Костянтинівка. На кінцеву специфіку локалізації саме пробних ділянок впливає декілька природно-географічних характеристик: це повинні бути рівнинні площі, з однаковим рівнем впливу факторів вологості, температури, освітлення та механічного складу грунтів; до того ж, на кожній пробній площі повинен був зустрічатися дослідний вид тест-об'єкту у кількості не менше ЗО особин. Тому безпосередньо моніторингова сітка має такий умовно упорядкований характер розташування базових компонентів. Спосіб побудови картосхематичного блоку вже описаний у попередніх публікаціях [21], в даному випадку використовуються невпроваджені раніше показники забруднення Zn коренезаселеного шару ґрунтів (Фіг.З) та специфіка площинного розподілення показника частоти стрівальності шестигранних полярних стовщень пилкових зерен С intybus (Фіг.4). Раніше нами було досліджено специфіку розподілення важких металів у цих районах [26, 27], але картосхематичний аналіз та методика саме візуалізаційного порівняння запропоновані вперше на цьому зазначеному прикладі (Фіг.З, 4). Дані металонавантаження на середовище принципово збігаються та відповідають відомим роботам у цьому напрямку [28]. Цитологічні дослідження проведено за загальноприйнятими методиками [29-30]. ШПС - частота стрівальності шестигранних полярних стовщень. У нормі [22] пилкові зерна Cichorium intybus мають широкі полярні стовщення 3-4 або 6-лопатинні. Аналіз пилку С intybus, зробленого для пробних площ Артемівського та Костянтинівського районів, дозволив засвідчити, що шестигранні полярні стовщення - специфічна ознака у будові пилкових зерен, яка зустрічається здебільшого у місцях з посиленим металонавантаженням на ґрунти. Показник ШПС встановлювали як відсоток пилкових зерен з шестигранним полярним стовщенням відносно усієї вибірки за умов забарвлення метиленовим синім. Використання інших барвників було менш інформативне для цієї серії експерименту. Ранжовані ряди формували 10-бальну шкалу варіації показника: 1 - 18,00. Територіальне розподілення індексів ШПС відповідає специфіці забруднення ґрунтів цинком. Так, наприклад, високі значення ШПС зареєстровано для пробних площ №8, 10, 12, 68, 81, 84, 90, 153, 214, 220, 228, 239, 245, 264, 265 (Фіг.1, 2). Дані за декілька років дозволяють свідчити про деяку незначну динамічну зміну індексів ШПС з часом, що певною мірою може бути пов'язано з зовнішнім фактором. Визначення прямого або опосередкованого чинника можна проводити при візуалізаційному порівнянні. Поява шестигранних полярних стовщень, насамперед, пов'язана з порушенням процесів формування пилкових зерен та потребує подальшого детального вивчення у морфогенетичному аспекті на різних етапах розвитку чоловічого гаметофіту. Дослідження 1998-2003 pp. довели, що ознака ШПС має суто фенотипічний характер прояву та не спадкується. В таблиці представлено індекси атипового 5845 структурного поліморфізму Cichonum intybus L для показника ШПС за результатами натурного експерименту декількох років спостережень Таблиця Ознака СЕРЕБ ЛУГ НОВ ЧАС ПТ ШПС 2 1 2 4 7 ШПС 2 1 1 3 7 ШПС 2 1 1 3 7 ШПС 2 1 1 3 7 ШПС 1 1 1 3 8 ШПС 2 1 1 3 7 І Пробні площі ОКМ АВТ РК Індекси 1998р 7 7 3 1999р 7 7 3 2000 р 7 6 3 2001 р 7 3 6 2002 р 6 4 8 2003 р 7 7 3 З таблиці видно, що мінімальні індекси атипової будови (на прикладі ШПС) майже відповідають контрольним зонам дослідження, за останні роки спостереження показники ШПС суттєво не змінилися, що свідчить про відсутність чіткої тенденції динамічного збільшення загального рівня забруднення цинком техногенних фунтів Артемівського та Котянтинівського районів Донецької області Таким чином, ступінь трансформованості структурних елементів пилку залежить від територіального розташування особин та місця збору рослинного матеріалу Позитивний ефект проявляється в тому, що на відміну від відомого запропонований спосіб дозволяє швидко проводити бюмоніторингові заходи щодо забруднення ґрунтів, оцінювати та прогнозувати рівні вмісту токсикантів у середовищі, а також планувати подальше антропотехногенне навантаження у регіоні досліду Використання способу дозволить більш точно виділяти зони саме цинкового забруднення та вирішувати деякі питання нормування токсичного забруднення середовища Джерела інформації 1 Жовинский Э Я , Кураєва И В Геохимия тяжелых металлов в почвах Украины - Киев Наук думка, 2002 -215с 2 Дідух Я П Методологічні підходи до проблеми фітошдикацп екологічних факторів // Укр бот журн -1990 -47, №6 - С 5-12 3 Дідух Я П , Плюта П Г Фітоіндикація екологічних факторів К Наук думка, 1994 -280с 4 Безсонова В П Пасивний моніторинг забруднення середовища важкими металами з використанням трав'яних рослин//Укр бот журн -1991 48, №2 - С 77-80 5 Корженевский В В Современное состояние и уровни фитоиндикации // Журн общ биол 1992 -53, №5 -С 704-714 6 Корчагин А А , Виноградов Б В Фитоиндикационные исследования в СССР//Бот журн 1967 -52, №12 -С 1840-1846 7 Никитин Д П , Новиков Ю В Окружающая АСЗ | ПІВД ксз УКЦ КАВТ 3 | 6 5 10 5 3 \ 6 5 10 6 2 | 6 5 10 6 2 | 6 5 10 6 3 | 5 5 10 5 3 1 6 5 10 6 среда и человек - М Высш школа, 1980 - 422 с 8 Викторов С В , Востокова Е А Основы индикационной геоботаники - М Госгеолтехиздат, 1961 -87 с 9 Цаценко Л В , Филипчук О Д Биоиндикация и "генетический скрининг" загрязнения компонентов агроценоза // Сельскохозяйственная биология -1997 -№5 -С 33-47 10 Нечкина М А , Журков В С Способ биоиндикации мутагенов почвы // Гигиена и санитария 1997 -№1 -С 48-49 11 Журков В С , Русаков Н В , Тонкопий Н И Гигиеническая оценка мутагенного потенциала промышленных отходов // Гигиена и санитария 1998 -№4 -С 30-32 12 А с 1463189 СССР МКИ A01G 7/00 Способ определения мутагенного эффекта факторов среды / Попа Н Е , Закржевская A M -1989 - №9 -С 12 13 А с 1725785 СССР МКИ А01Н 1/00 Способ определения интегрального эффекта неблагоприятных факторов внешней среды / Нечкина М А , Куприянов П Г - 1992 - №14 - С 10 14 Пат 2002132509 RU, МПК G01V 9/00 Способ определения участков загрязнения окружающей среды БА Колотое, В В Демидов, Л И Кашина, Л И Миначева - №2002132509/28, Заявл 04 12 2002, Опубл 10 06 2004 - 2с 15 Пат 2002104117 RU, MnKGOIN 1/38 Способ поиска полезных ископаемых и экологических загрязнений В Н Аполицкий, Н А Юшко №2002104117/12, Заявл 20 02 2002, Опубл 27 08 2003 - 5 с 16 Пат 2029321 RU, МПК G01V 9/00 Способ выявления техногенного загрязнения почв никелем, медью, цинком и свинцом Н И Розенкова, Б С Коган, Т В Филиппова, Е Н Шарапова №5040399/25, Заявл 29 04 1992, Опубл 20 02 1995 - 4 с 17 Способ дифференциации пыльцы А с 1704712 А1 СССР, МКИ А01Н 1/02 / Н Р Берман, В И Баранов, С А Розенфельд (СССР) №4393716/13, Заявл 18 03 1988, Опубл 5845 15 01 1992 -Бюлл №2 - 3 с 18 Пат 2096781 RU, MnKGOIN 33/24 Способ оценки загрязнения почв агроландшафта поллютантами Н Г Малюга, Л В Цаценко, Л X Аветянц - №96101755/13, Заявл 24 011999, Опубл 20 11 1997 - 4 с 19 Пат 53375 A UA, МКИ 7 A01G7/00 Спосіб визначення мутагенного ефекту важких металів Деклараційний патент на винахід - 0 3 Глухов, Н А Хижняк, А І Сафонов - №2002053834, Заявл 10 05 2002, Опубл 15 012003 - Бюл №1 - З с 20 Пат 64340 A UA, МКИ 7 A01G7/00 Спосіб визначення локального ефекту токсичного впливу важких металів Деклараційний патент на винахід - О 3 Глухов, Н А Хижняк, А І Сафонов №2003054453, Заявл 19 05 2003, Опубл 16 02 2004 -Бюл №2 - 5 с 21 Глухов А 3 , Сафонов А И Перспективы проведения фитоиндикационного мониторинга техногенно трансформированных экотопов // Промышленная ботаника - 2002 - №2 - С 7-14 (прототип) 22 Аскерова Р К Палинология цикориевых (Compositae Cichoneae) -Баку Элм, 1987 - 2 0 8 с 23 Куприянова Л А , Алешина Л А Палинологическая терминология покрытосеменных растений - Л Наука, 1967 - 8 4 с 10 24 Эмбриология цветковых растений Терминология и концепции / Под ред Т Б Батыгиной Генеративные органы цветка - СПб Мир и семья, 1994 -Т 1 -320с 25 Эмбриология цветковых растений Терминология и концепции / Под ред Т Б Батыгиной Семя - СПб Мир и семья, 1997 - Т 2 - 823 с 26 Сафонов А И Особенности локализации некоторых металлов-токсикантов в почвах северных промышленных узлов Донбасса // Сб науч трудов "Экологическая и техногенная безопасность" - Харьков Изд-во Харьков ин-та соц програсса , 2000 -С 131-135 27 Сафонов А И Специфика локализации некоторых металлов в почвах северных промышленных узлов Донецкой области // Проблемы экологии -2003 -№1 -С 36-47 28 Тимофеев М И , Александров С Н , Черепов В А Загрязнение тяжелыми металлами Донецкой области, их судьба в почве, растениях, животных, механизмы действия в биологических объектах -Донецк Б и , 1996 - 75с 29 Паушева З П Практикум по цитологии растений -М Агропромиздат, 1988 -271 с 30 Барыкина Р П , Веселова Т Д , Девятое А Г Основы микроскопических исследований в ботанике - М Наука, 2000 -128 с 12 5845 11 250 261/ 2 5 4 251 «U, 271 Ш 270 272 27B. 281 Л 285 .286 287* # 2S& •282 283 *S9 «90 2Э& ^ t o 2S2. * 207*^. 2 273 274, 2?Ъ 13 Комп'ютерна верстка А Крулевський 5845 Підписне 14 Тираж 28 прим Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП "Український інститут промислової власності", вул Глазунова, 1, м Київ-42, 01601