Спосіб тестування забруднення грунтів цинком

Спосіб тестування забруднення фунтів цинком шляхом дослідження рослини-індикатора та визначення наявності забруднення по наявності у росл и ні-індикаторі змін, який відрізняється тим, що визначають наявність деформованості базових епідермальних клітин (ДЕК) рослини-індикатора та ступінь ускладненості будови трихомів сферичної форми (СФТ), і за цими ознаками роблять висновок про ступінь забруднення ґрунтів цинком. Корисна модель відноситься до фітоіндикації, промислової ботаніки, фітотоксикології, охорони генофонду рослин природної флори та може бути використана для тестування токсичних ефектів високих рівнів цинку на основі ідентифікування Індукованого ним атипового поліморфізм/ структурних елементів поверхневих епідермальних тканин листкової пластинки рослин, а також для визначення оптимальних концентрацій токсичного металу - цинку та прогнозування наслідків токсикогенних трансформацій будови рослин природної флори. У глобальному масштабі баланс цинку у поверхневих шарах ґрунтів в різних екосистемах показує, що атмосферне надходження цього металу перебільшує його винесення за рахунок вилуговування та утворення біомаси [1-4]. Антропогенні джерела Zn - це підприємства кольорової металургії за умов згоряння вугілля та його переробки, агротехнічна діяльність та підприємства побутового призначення. Сучасні спостереження свідчать, що забруднення у деяких районах цинком призвело до дуже високої акумуляції його в поверхневому шарі ґрунтів [2, 5-7]. Відомо, що розчинні форми Zn доступні для рослин, та за наявними даними споживання Zn лінійно зростає з підвищенням його концентрації у ґрунтовому розчині. Швидкість поглинання цинку сильно варіює в залежності від виду рослин та умов середовища зростання [8-Ю]. За ціма літературними даними [1-10] з'ясовано, що уривчасті свідчення про реакції рослин на техногенне забруднення середовища доки не дозволяють у повному обсязі виявити дискретний вплив токсичного компоненту на певні структурнофункціональні зміни видів рослин з широкою еко логічною амплітудою. Відомі способи бюіндикації та бютестування, наприклад нікелю, за допомогою визначення особливостей епікутикулярного воску листкових пластинок рослин природної флори, що зростають у контрастних геохімічних умовах техногенних регіонів [11], досліджено структуру асиміляційного апарату рослин в умовах техногенного навантаження [12], зроблені спроби з'ясування механізмів продихових рухів рослин, що пов'язується з особливостями виду та специфікою впливів екологічних факторів здебільшого антропогенного характеру [13]. Також визначено, що структура і функції епідермісу листка залежать від умов зростання рослини [14]. Морфо-анатомічні особливості рослин, що зростають на збагачених важкими металами ґрунтах, було досліджено Н.С. Петруніною [15]. До того ж, фітоіндикаційне визначення з метою тестування екологічних факторів рекомендовано проводити за умов побудови індикаційних шкал, що продемонстровано у симфітоіндикаційному аспекті [16, 17]. Розроблені чисельні вимоги добору рослин в якості індикаторів [18]. Для аналізу забруднення ґрунтів важкими металами найбільш вдалими тестоб'єктами є рослини [18]. Найбільш близьким за технічною сутністю і досягненням результату є спосіб визначення забруднення ґрунтів важкими металами [19], де для визначення віддалених та безпосередніх наслідків впливу факторів середовища, зокрема важких металів, використовують в якості тест-системи індекс атиповості за розробленою 10-бальною індикаторною шкалою для структурних елементів дрібних жилок листкових пластинок, а саме показники гетерогенності трахеальних елементів (ГТЕ) та де 00 CD 6418 формованості термінальної флоеми (ДТФ), та за цими індексами визначають ступінь та специфіку забруднення ґрунтів важкими металами. Недоліками цього способу є мала достовірність при визначенні забруднення ґрунтів певними токсичним елементом, адже визначаються насамперед загальний сумаційний та інтегральний ефекти токсичних впливів важких металів, а не специфічні реакції рослинного організму на певний чинник. В основу корисної моделі поставлена задача тестування забруднення ґрунтів саме цинком та поліпшення методів оцінки факторів стресу навколишнього середовища за допомогою рослин природної флори на прикладі Cichorium intybus L, де обліку підлягають не впроваджені раніше показники змін будови листкової' пластинки, а рослинні збори проводять як з об'єктів, які сформовані у штучних умовах, так і з рослин природних місцезростань з посиленим нікелевим забрудненням ґрунтів; та за рахунок цього використання способу дозволить більш точно встановлювати ступінь забруднення цинком в природних умовах, прогнозувати структурні трансформації рослин техногенних екотопів, оцінити специфіку цинкового забруднення на антропогенне змінених територіях. Поставлена задача вирішується тим, що спосіб тестування забруднення ґрунтів цинком, який містить аналіз атипового поліморфізму листкових пластинок росл и ни-індикатора та свідчення за даними обліку й статистичної обробки про наявність структурно трансформуючого ефекту, а також застосування тест-системи за розробленою 10-бальною індикаторною шкалою, згідно корисній моделі використовують додаткові, спеціально розроблені індикаторні шкали за показниками структурних елементів покривних тканин листкових пластинок, а саме показниками деформованості базових епідермальних клітин (ДЕК) та ступеня ускладненості будови трихомів сферичної форми (СФТ), та за цими індексами визначають ступінь та специфіку забруднення ґрунтів цинком. Спосіб оснований на тому, що використовують додаткові, спеціально розроблені індикаторні шкали за показниками структурних елементів покривних тканин листкових пластинок, а саме показниками деформованості базових епідермальних клітин (ДЕК) та ступеня ускладненості будови трихомів сферичної форми (СФТ), та за цими індексами визначають ступінь та специфіку забруднення ґрунтів цинком. Термінологічний апарат з'ясовано за літературними джерелами [14, 20, 21]. Приклад Вказаний спосіб визначення забруднення ґрунтів цинком було проведено на рослині Cichorium intybus L, що вирощували на території промислових майданчиків Артемівського та Костянтинівського районів Донецької області у наступних модельних пробних площах: 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 Новогригорівкз, 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; ГПВД - рудник виробничого об'єднання "Південний"; КСЗ - Костянтинівський механізований скляний завод; УКЦ - Костянтинівський завод "Укрцинк"; КАВТ - автовокзал м. Костянтинівка. Обрані рослини з контрольних місць зростання додатково вирощували в лабораторних умовах на нітратних металоносних субстратах з концентраціями РЬ - 500, 2п - 500, Cd - 10, Ni - 300, Cr - 300, Mo - 10, Fe - 200, Mn - 4000, Cu - 300, Hg 5мг/кг. Вміст металів у субстраті обумовлений гранично допустимими концентраціями [3, 22, 23] з поправкою на місцеві стандарти та фонові рівні 124]. Повторність лабораторного експерименту дорівнювала 5. Для встановлення індикаторних індексів обиралися листкові пластинки різних формацій тестрослин. Для аналізу використовували ЗО листкових пластинок. Препарати готували за загальноприйнятими цитологічними методиками [25, 26]. Увесь спектр атипового поліморфізму обраних ознак поділяли на 10 типових перехідних станів. ДЕК - ступінь деформованості базових епідермальних (відношення довжини клітин до їх ширини у базіпетально-акропетальному напрямку для листкової пластинки). Це ознака, варіювання якої' для адаксіального (АД) та абаксіального (АБ) боків листка майже співпадає (таблиця 1). Використання окремих шкал ДЕК (1 - >2,20, 2 - 2,20-1,91; 3 - 1,901,61; 4 - 1,60-1,31; 5 - 1,30-1,01; 6 - 1,00-0,76; 7 0,75-0,61; 8 - 0,60-0,51; 9 - 0,50-0,41; 10 - 0,40) дозволило диференційовано судити про пластичність ознаки. В нашому випадку значення індексів ДЕК збігаються, що вказує на односпрямованість процесів, які обумовлюють деформованість епідермальних клітин. В таблиці 1 представлені результати аналізу показника ДЕК для різних формацій листкових пластинок на модельних пробних площах. Статистичне достовірної розбіжності даних ДЕК для низових, середніх та верхівкових листків Cichorium intybus нами не визначено. Значення ДЕК для абаксіального боку листків вищі, ніж для адаксіального у контрольних пробних площах (СЕРЕБ, ЛУГ, НОВ) та на дослідних ділянках (ПТ, РК, ОКМ, ГПВД, КСЗ, УКЦ, КАВТ); зареєстровано несуттєве менше значення показника ДЕК для абаксіального боку листків у пробних площах ПТ, АВТ, АСЗ. Коефіцієнт варіації для двох нижніх формацій листків C.intybus не перевищує 5%-вого значення, тоді як у формації верхівкових листків 20-25% характеризуються атиповим розподіленням значення ДЕК та невідповідністю 5%-вому інтервалу вірогідності (див. таблицю 1), а також досить великою гетерогенністю ознаки, яка не елімінується при 10кратному збільшенні об'єму вибірки. Значення ДЕК для АБ у модульних пробних площах АВТ та АСЗ менші за АД, що свідчить про значну спорідненість трансформаційного процесу у будові епідермальних клітин листка. Доказано, що ступінь деформованості клітин залежить від співвідношення міжклітинного тургорного тиску та ступеня свободи, за 6418 умов якого клітини набувають розвитку [13]. На нашу думку, показник ДЕК для рослин, що зростають у контрастних геохімічних умовах, менший завдяки механічному впливу функціонально інших клітин на фоні загального зменшення розміру клітин епідерми є цілому. Варіювання індексів ДЕК для С.intybus на прикладі модельних пробних площ вказує на репрезентативність вибірки та можливість проведення індексування. Найбільші значення ДЕК зафіксовано на пробних площах, які характеризуються найбільшим вмістом цинку в ґрунтах. СФТ - ступінь ускладненості будови трихомів сферичної форми. До цієї' групи сферичних трихомів ми відносили волоски, що мають у своєму складі сферичне потовщення (окрім ретортоподібних), наприклад, це можуть бути одно- та багатоклітинні трихоміви зі сферичною нижньою частиною, або так звані головчасті зі сферичною верхньою частиною. В даному випадку при диференціюванні трихомів такої групи за ступенем ускладненості (спеціалізованості) ми враховували тільки особливості морфології волосків, які певною мірою можуть різнитися за біохімічним складом. СпецІалізованість трихомів сферичної форми листкової пластинки Cichonum intybus оцінювали за двома напрямками: потовщенням базису (А) та апікальної частини (Б), що відображено на Фіг.1 за відповідністю десятьом ступеням ускладненості структури волосків. СФТ індексували за якісними ознаками: до першого типу (індекс 1) відносили прості одноклітинні сферичні трихоміви, для 2-3 Індексів спостерігали деформованість апікальної частини (А), розростання базальної (Б), для 4 двоклітинні утворення, 5-7 - асиметричні структури за умов збільшення перегородок, типи 8-10 характеризували за ускладненням будови трихоміви, появою скульптурованості великих клітин (див. Фіг.1). Надання пробній площі індексу СФТ відбувалося за типовою приналежністю до максимального ступеня спеціалізоеаносл трихомів, що були відзначені для абаксіального боку листкових пластинок. За результатами досліджень було встановлено, що трихомі сферичної форми однаково часто зустрічаються як з потовщеним базисом, так і з апікальною частиною, тому ми не диференціювали ці ознаки як різні. З експериментальних спостережень було визначено, що максимальна кількість трихомів сферичної форми з потовщеним базисом спостерігається у третій декаді липня, а трихоміви з потовщеною верхньою частиною (див. Фіг.1) наприкінці серпня. Таким чином, нами встановлено, що індекси спеціалізованості (ступеня ускладненості будови) трихомів сферичної форми за зборами наприкінці липня для типів групи А та наприкінці серпня для групи Б (дие. Фіг.1) співпадають. Тому при аналізі рослинного матеріалу можна використовувати один з показників як альтернативний. Причин динамічної зміни та утворення різноякісних типологічних трихомів листкової пластинки може бути декілька, та всі вони пов'язані з особливостями онтогенетичних перетворень у рослинному організмі, що відбуваються, певною мірою, під впливом трансформуючих умов середовища, адже високі значення СФТ були отримані саме у зонах забруднення ґрунтів важкими металами. Існують дані, що трихоміви головчастого типу (як варіант сферичної форми) з'являються внаслідок ді'і надвисоких температур; цей факт розцінюється як захисна реакція рослинного організму [21]. Дуже малий відсоток трихомів цього типу на умовно контрольних ділянках (де температурний режим можна оцінити як ідентичний дослідним пробним площам) дозволяє свідчити, що температура у даному випадку не може бути вирішальним фактором, який впливає на появу та, відповідно, спеціалізацію волосків групи СФТ в цілому. Зони різних значень СФТ відповідають специфіці локалізації цинку у коренезаселеному шарі ґрунтів, а максимальні значення майже співпадають з найбільшими показниками індексів ДЕК, що опосередковано може свідчити про спорідненість процесів деформованості базових епідермальних клітин та спеціалізованості трихомів сферичної форми на фоні цинкового забруднення ґрунтів. Дослідження 1998-2003рр. довели, що ЦІ ознаки мають суто фенотипічний характер прояву та не спадкуються. В таблиці 2 представлено індекси атипового структурного поліморфізму Cichorium intybus L. для показників ДЕК(АБ) та СФТ за результатами натурного експерименту. З таблиці 2 видно, що мінімальні індекси атипової будови відповідають контрольним зонам дослідження Ступінь трансформованості структурних елементів покривних епідермальних тканин листкової пластинки залежить від територіального розташування особин та місця збору рослинного матеріалу. В таблиці 3 представлені дані лабораторного експерименту -безпосереднього впливу важких металів на будову тест-рослини. З таблиці 3 видно, що поява деформованості специфічна в залежності від чинника - важкого металу. Здебільшого ДЕК та СФТ залежать від концентрації Zn у середовищі живлення. Позитивний ефект проявляється в тому, що на відміну від відомого запропонований спосіб дозволяє диференційовано тестувати забруднення ґрунтів цинком. Він може використовуватися у натурному (природному) біомоніторингу для експресдіагностики металолресингу, що дуже актуально для територій з посиленим антропогенним впливом техногенне трансформованих екотопів. Використання способу дозволить більш точно виділяти зони саме цинкового забруднення, проводити оцінку та постійний моніторинг стану довкілля природних та техногенне змінених територій цим токсичним елементом. Джерела інформації 1. Алексеев Ю.В. Тяжёлые металлы в почвах и растениях. - Л.: Агропромиздат, 1987. - 142с. 2. Алексеенко В.А., Алещукин Л.В., Безпалько Л.Е. Цинк и кадмий в окружающей среде. - М.: Наука, 1992. -200с. 3. Кабата-Пендиас А., Пендиас X. Микроэлементы в почвах и растениях. -М.: Мир, 1989 -439с. 4. Lindsay W.L. Zinc in soils and plants nutrition II Adv. Agron. - 1982. - №24. -P. 147-186. 5. Ковалевский А.Л. Биогеохимия растений. Новосибирск: Наука, 1991. -294с. 6418 6. Effect of heavy metal pollution on plants / Ed. by Lepp N.W. - I. Effect of Trace Metals on Plants Function. - London and New Jersey: Applied science publishers, 1981.-352p. 7. Buchauer MJ. Contamination of soil and vegetation near a zinc smelter by zinc, cadmium, copper and lead // Environ. Sci. and Techn. - 1973. 2, №2.-P.131-135. 8. Лукин СВ., Солдат И.Е., Пендюрин Е.А. Закономерности накопления цинка в сельскохозяйственных растениях // Агрохимия. - 1999. -№2. C.79-S2. 9. Рудакова Э.В., Каракис К.Д., Сидоршина Т.Н. Микроэлементы: поступление, транспорт и физиологические функции в растениях. - Киев: Наук, думка, 1987.-184С. 10. Pahlesson A.M. Toxicity of heavy metals (Zn, Cu, Cd, Pb) to vascular plants // Water Air Soil Pollut. -1989. -№47. -P.287-319. 11. Кравкина И.М. Эпикутикулярный воск и кутикула листа растений Полярного Урала, произрастающих в контрастных геохимических условиях // Бот. журн. -2000. -85, №7. -С.118-124. 12. Гетко Н.В. Растения в техногенной среде. Структура и функции ассимиляционного аппарата. - Минск: Наука и техника, 1989. -205с. 13. Журавлева Н.А. Механизм устьичных движений, продуктивный процесс и эволюция. Новосибирск: Наука, 1992. -141с. 14. Н.Мирославов Е.А. Структура и функция эпидермиса листа покрытосеменных растений. Л.: Наука, 1974.-184с. 15. Петрунина Н.С. Морфолого-анатомические особенности растений, произрастающих на почвах, обогащенных тяжелыми металлами // Теоретические вопросы фитоиндикации. - Л.: Наука, 1971.-С.142-148. 16. Дідух Я.П. Методологічні підходи до про 8 блеми фітоіндикації екологічних факторів // Укр. бот. журн. -1990. -47, №6. -С.5-12. 17. Дідух Я.П., Плюта П.Г. Фітоіндикація екологічних факторів. К.: Наук, думка, 1994.-280С. 18. Цаценко Л.В., Филипчук О.Д. Биоиндикация и "генетический скрининг" загрязнения компонентов агроценоза // Сельскохозяйственная биология. -1997. -№5.-С.ЗЗ-47. 19. Пат. №65772А UA, МКИ 7 A01G7/00. Спосіб визначення забруднення ґрунтів важкими металами: Деклараційний патент на винахід. - 0.3. Глухов, Н.А. Хижняк, А.І. Сафонов. №2003054433; Заяви. 19.05.2003; Опубл. 15.04.2004. -Бюл. №4. -4с (прототип). 20. Анели Д.Н., Анели Н.А. Способ получения микроструктурных отпечатков эпидермы различных органов растений // Сообщ. АН СССР. - 1986. -122, №3.-С.589-592. 21. Джунипер Б.Э., Джефри К.Э. Морфология поверхности растений. - М: Агропромиздат, 1986. 160с. 22. Дудик A.M. Временные методические рекомендации по геолого-экологическим работам в пределах горнопромышленных районов Украины. -Донецк: Б. и., 1992. -105с. 23. Дорошко Т.Ю. Предельно допустимые концентрации тяжелых металлов в почве и её защита от загрязнения // Медицинский журнал Узбекистана. -1991.-№7.-С.40-42. 24. Сафонов А.И. Специфика локализации некоторых металлов в почвах северных промышленных узлов Донецкой области // Проблемы экологии. - 2003. -№1. -С.36-47. 25. Паушева З.П. Практикум по цитологии растений. - М.: Агропромиздат, 1988.-271с. 26. Барыкина Р.П., Веселова Т.Д., Девятое А.Г. Основы микроскопических исследований в ботанике. - М.: Наука, 2000. -128с. Таблиця 1 Ступінь деформованості базових епідермальних клітин (ДЕК) листкових пластинок Cichorium intybus L Пробна Низові листки r площа АД CV, % fcv, % АБ г і"ЕІ:-Е£ 1,78±0,05 4,01 1,95±0,04 3,07 ЛУГ 1,79±0,05 3,17 1,96±0.04 3,00 нов 2,21 ±0,07 2,10 2,60±0,06 2,52 ЧАС 1.62±0,04 3,28 1,74±0,04 НОЙ" ПТ 0,57±0,01 2,74 0,49±0,01 2,97 РК 0,81 ±0,02 3,62 0,97±0.02 3,71 ОКИ 0,63±0,01 3,33 0,74±0,01 3,20 АВТ 1,71 ±0,05 2,07 1,70±0,06 2,01 АСЗ 1,74±0,06 4,91 1,44±0,06 4,82 швд 0,92±0,02 4,72 0,94±0.03 4,16 1,07±0,03 3,96 1,23±0,04 4,34 ксз УКЦ 0,1В±0,00 5,12 0.19±0,01 4,70 КАВТ 0,80*0,01 2,01 0,97±0,01 3,27 Серединні листки CV, % АБ CV, % АД 1,77±0,05 3,70 1,94±0,05 3,02 1,79±0,05 3,02 1,96*0,05 3,01 2,25±0,06 2,05 2,70±0,09 2,40 1,63±0,03 2,42 1,72±0,07 2,71 0,58±0,01 1,01 0,48±0,01 2,01 0,80±0,01 3,00 0,95±0,02 2,84 0,62±0,01 3,20 0,70±0,01 2,42 1,72±0,04 1,61 1,69±0,03 1,62 1,73±0,05 3,44 1,43±0,04 3,20 0,91+0,02 3,50 0,92±0,02 3,50 1,08±0,03 2,89 1,22±0,04 2,42 0,17±0,00 3,70 0,19±0.00 2,44 0,81±0,01 1,96 0,92±0,02 1,03 Верхівкові листки r CV, % АБ CV, % АД 1,79*0,09 16,30 1,76±0,09 17,20 1,85±0,10 14,00 1,80±0.12 19,44 2,60±0,23 14,76 2,61±0,20 20,45 1,32±0,12 19,71 1,30*0,16 20,14 0,71 ±0,09 20,15 0,70*0,10 21,00 0,92±0,03 20,69 0,94*0,04 19,49 0,60±0,09 19,14 0,62±0,08 19,32 1,71 ±0,21 21,72 1,71 ±0,24 27,30 1,70±0,20 20,93 1,70±0.21 20,12 0,90±0,09 19,11 0,97±0,10 21,09 1,07±0,09 15,17 1,2О±0,12 20,17 0,24±0,08 16,60 0,22*0,09 21,19 0,90±0,07 16,88 0,94*0,09 20,17 * Примітка: АД, АБ - адаксіальний та абаксіальний боки листка відповідно; CV - коефіцієнт варіації. 10 6418 Таблиця 2 ЛУГ ДЕК СФТ 2 І 2 і НОВ 2 СЕРЕБ 1 1 1 3 3 8 7 1 2 Г 4 3 8 7 1 1 3 3 7 7 1 1 2 3 8 7 ДЕК СФТ 1 2 2 1 ДЕК СФТ 2 1 1 1 ДЕК СФТ 1 2 1 1 , ЧАСИ ЛТ Пробні площі ПІВД РК L J D K M _ . АВТ , АСЗ Індекси 1998 р 6 7 3 4 6 7 5 І ,_ 7 3 І 4 І 2000 р 6 7 3 4 6 7 6 3 4 5 2002 р 6 7 3 4 6 7 7 2 4 5 2003 р. 4 6 7 3 5 7 4 8 3 4 ксз 5 5 УКЦ КАВТ 6 10 10 ,_ 5 5 9 10 L 5 10 10 5 6 10 9 6 І 5 5 5 І 6 5 5 6 Таблиця З Ознаки ДЕК СФТ Метали РЬ 1 1 Zn 10 10 Сй Ni 1 2 1 1 Ш 1 1 Сґ 1 1 Fe 1 1 г Мп 1 1 Си 1 2 лОд HP •» 8 9 10 Фіг. 1 Комп'ютерна верстка Н Лисенко Підписне Тираж 28 прим Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул Урицького, 45, м Київ, МСП, 03680, Україна ДП "Український інститут промисліовоі власності", вул Глазунова, 1, м. К и ї в - 4 2 , 01601 Hfl 1 1