Спосіб тестування забруднення грунтів ртуттю

Спосіб тестування забруднення ґрунтів ртуттю, що включає аналіз атипового поліморфізму листкових пластинок рослини-індикатора та свідчення за даними обліку й статистичної обробки про наявність структурно трансформуючого ефек ту, а також застосування тест-системи за розробленою 10-бальною індикаторною шкалою, який відрізняється тим, що використовують ступінь прояву різноякісності продихового апарата рослини-індикатора та додаткову, спеціально розроблену індикаторну шкалу за показником структурних елементів покривних тканин листкових пластинок рослини Cichonum intibus L, а саме показником кількості деформованих продихових комплексів на одиницю виміру, та за цими індексами визначають ступінь та специфіку забруднення ґрунтів ртуттю. Корисна модель відноситься до фітоіндикації, біомоніторингу, промислової ботаніки, екологічної анатомії та морфології рослин, фітотоксикології, охорони генофонду рослин природної флори та може бути використана для тестування токсичного впливу високих рівнів ртуті на основі ідентифікування індукованого ним атипового поліморфізму структурних елементів поверхневих епідермальних тканин листкової пластинки рослин, а також для визначення оптимальних концентрацій токсичного елементу - ртуті та прогнозування наслідків анпопотехногенезу та токсикогенних трансформацій будови рослин природної флори індустріального регіону. Відомо, що вміст Нд у профілі ґрунтів в першу чергу залежить від наявності елементу у материнській гірській породі, однак ртуть техногенного походження легко переноситься повітряними масами [1-2]. В цілому, накопичення Нд пов'язане з рівнем вмісту органічного вуглецю та сірки у ґрунті, та концентрація ртуті у поверхневому шарі фунтів у декілька разів більша, ніж у підґрунтових горизонтах [3]. Фонові рівні ртуті у ґрунтах іноді дуже важко оцінити внаслідок широкого розповсюдження антропогенного забруднення цим елементом [І]. Артемівський та Краматорсь ко-Костянтин і вський промвузли є найбільш ртурогенними в системі промвузлів Донецької області [4]. Забруднення ґрунтів промислового регіону ртуттю в першу чергу пов'язане з дією підприємств з обробки кольорових металів, деякими ХІМІЧНИМИ виробами, зі спа ленням кам'яного вугілля. Зрошення стічними водами та інші відходи також можуть бути джерелами забруднення ґрунтів ртуттю [1, 2, 5]. Аналіз літератури дозволяє свідчити, що ртуть легко поглинається кореневою системою та переноситься у межах самої рослини. Фітооб'єкти суттєво різняться за способом поглинання ртуті. У них може розвиватися толерантність до надвисоких концентрацій у тканинах, наприклад, у випадку зростання на ґрунтах, які перекривають ртутні горизонти [1-3, 5]. З'ясовано [1-5], що уривчасті свідчення про реакції рослин на техногенне забруднення середовища доки що не дозволяють у повному обсязі виявити дискретний вплив токсичного компоненту на певні структурнофункціональні зміни видів рослин з широкою екологічною амплітудою. Нами було визначено, що у контрастних біогеохімічних умовах деякі види рослин найбільш толерантні до впливу токсичних факторів [6-9]. В якості модельних видів у фолілогічному аспекті досліджено Cichorium intybus L. та Plantago major L. Процеси формування листкових пластинок рослин техногенних екотопів Артемівського та Костянтинівського районів Донецької' області сполучені з загальними змінами, що відбуваються в рослинах під дією неспецифічного стресу. Скорочення вегетаційного періоду, поява ксеноморфних ознак, підвищення структурної гетерогенності особин властиві для видів природної флори, що зростають у несприятливих умовах середовища [8, 9]. З О) О) (О 6499 польових спостережень можна зазначити, що, хоча кільчення насінин та етапи початкового розвитку до періоду квіткування С intybus та P. major співпадають у часі, онтогенетичні перетворення генеративного періоду рослин значно скорочуються у пробних площах антропогенних екотопів (різниця становить не менше двох тижнів). Відомі способи біоіндикації та бютестування, наприклад нікелю, за допомогою визначення особливостей епікутикулярного воску листкових пластинок рослин природної флори, що зростають у контрастних геохімічних умовах техногенних регіонів [10], досліджено структуру асиміляційного апарату рослин в умовах техногенного навантаження [11], зроблені спроби з'ясування механізмів продихових рухів рослин, що пов'язується з особливостями виду та специфікою впливів екологічних факторів здебільшого антропогенного характеру [12]. Також визначено, що структура і функції епідермісу листка залежать від умов зростання рослини [13]. Морфо-анатомічні особливості рослин, що зростають на збагачених важкими металами ґрунтах, було досліджено Н.С. Петруніною [14]. До того ж, фітоіндикаційне визначення з метою тестування екологічних факторів рекомендовано проводити за умов побудови індикаційних шкал, що продемонстровано у си мфіто індика ці йному аспекті [15, 16]. Розроблені чисельні вимоги добору рослин в якості індикаторів [17]. Для аналізу забруднення ґрунтів важкими металами найбільш вдалими тестоб'єктами є рослини [17]. Найбільш близьким за технічною сутністю і досягненням результату є спосіб визначення забруднення ґрунтів важкими металами [18], 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 деформованості 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 грунтів саме ртуттю 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 свинцевим забрудненням ґрунтів; та за рахунок цього використання способу дозволить більш точно встановлювати ступінь забруднення ртуттю в природних умовах, прогнозувати структурні трансформації рослин техногенних екотопів, оцінити специфіку забруднення ртут тю антропогенне змінених територій, проводити постійний та безперервний моніторинг навколишнього природного середовища. Поставлена задача вирішується тим, що спосіб тестування забруднення ґрунтів ртуттю, який містить аналіз атипового поліморфізму листкових пластинок рослини-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 ступінь прояву різноякісності продихового апарату рослини-індикатора та додаткову, спеціально розроблену індикаторну шкалу за показником структурних елементів покривних тканин листкових пластинок рослини Cichorium intibus L, а саме показником кількості деформованих продихових комплексів на одиницю виміру (ДПК), та за цими індексами визначають ступінь та специфіку забруднення ґрунтів ртуттю Спосіб оснований на тому, що використовують ступінь прояву різноякісності продихового апарату рослини-індикатора та додаткову, спеціально розроблену індикаторну шкалу за показником структурних елементів покривних тканин листкових пластинок рослини Cichorium intibus L, а саме показником кількості деформованих продихових комплексів на одиницю виміру (ДПК), та за цими індексами визначають ступінь та специфіку забруднення ґрунтів ртуттю. Термінологічний апарат з'ясовано за літературними джерелами [13, 19-21]. Приклад. Вказаний спосіб визначення забруднення ґрунтів свинцем було проведено на рослині Cichorium intybus L, що вирощували на території' промислових майданчиків Артемівського та Костянтинівського районів Донецької області у наступних 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 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. 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, Мл - 4000, Си - 300, Hg 5 мг/кг. Вміст металів у субстраті обумовлений гранично допустимими концентраціями [3, 22-24] з поправкою на місцеві стандарти та фонові рівні [25]. Повторність лабораторного експерименту дорівнювала 5. Для встановлення індикаторних індексів обиралися листкові пластинки трьох формацій в період квіткування особин. Для аналізу використову 6499 ксіальному боці листкових пластинок продихові комплекси майже не зустрічаються, тому дослідження цієї" ознаки проводили тільки для абаксіального боку. Усі 14 типів продихових комплексів С intybus не зустрічалися у жодній пробній площі. В даному випадку шкалу вання ознаки ми проводили за кількістю деформованих (нетипових) продихів 2 на мм та окремо відзначали наявність та ступінь різноякісності; якщо кількість типів продихів коливалася від двох до чотирьох, різноякісність вважали простою, якщо більше чотирьох - змішаною (табл.1). Значення показника ДПК за десятибальною шкалою було розподілено наступним чином: 1 - 25,00. Майже в усіх випадках показники ДПК для верхніх формацій листків С intybus більші за тих, що встановлені для нижніх. Значення похибки та CV можуть свідчити про статистичну вірогідність отриманих результатів. Для контрольних зон різноякісність деформованих продихових комплексів не була встановлена, тоді як на дослідних ділянках різноякісність здебільшого проста, а на пробних площах, наприклад, РК та ОКМ - змішана (табл.1). Найбільші значення показника ДПК зареєстровані для пробних площ, де встановлено високі рівні вмісту ртуті у ґрунтах. вали ЗО листкових пластинок різних особин. Препарати готували за загальноприйнятими цитологічними методиками [26, 27]. ДПК - кількість деформованих продихових г комплексів на мм . Під час аналізу будови продихових комплексів нами був встановлений значний їх поліморфізм. У багатьох дослідженнях зазначено, що тип продихового комплексу є таксономічною ознакою [13, 28], однак також трапляються рослини, які мають декілька типів продихових комплексів, або фіксується експериментальне встановлені реакції продихового апарату на дію несприятливих факторів середовища [12, 20, 21, 29]. Н А Анелі зі співавторами стверджували, що за умов визначення назви типу продихів неможливо дотримуватися певного принципу, тому для легкого їх розпізнавання необхідно користуватися подібністю їх з добре відомими формами та предметами [19, ЗО]. Аналіз продихових комплексів С intybus, що зростає на території Артемівського та Костянтинівського районів, у 1998 та 1999 pp. дозволив визначити 14 типів будови ознаки, що зображено на фіг. 1., де зображено подібність деформованих продихових комплексів Cichorium intybus L. 1) ставроцитному, 2) анізоцитному, 3) циклоцитному, 4) дву циклоцитному, 5) діацитному, 6) паралелоцитному, 7) діалелоцитному, 8) гексацитоному, 9) парацитному, 10) актиноцитному, 11) латероцитному типам; 12 - приклад змикання продихів, 13 - змішаний тип атипової будови, коли з різних боків продиха розташовані різні типи навкругипродихових клітин; 14 - нормальна будова продихового комплексу (контроль). Для зручності обліку ми не диференціювали відсоток стрівальності кожного типу, а тільки рахували КІЛЬКІСТЬ нетипових продихових комплексів на одиницю площі (мм2). На ада 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 показника ДПК за результатами натурного експерименту декількох років спостережень. Таблиця 1 КІЛЬКІСТЬ та різноякісність деформованих продихових комплексів (ДПК) абаксіального боку листкових пластинок Cichorium intybus L, шт/мм2 Пробна площа Верхівкові листки Серединні листки Низові ЛИСТКИ ДПК CV, % CV, % різноякісність СЕРЕБ 1,35±0,04 4,34 не встановлена 1,34±0,04 5,34 не встановлена 2,50±0,04 4,12 не встановлена 3,49 5,16 не встановлена 2,75±0,07 не встановлена 2,15±0,07 4,06 не встановлена 4,50 не встановлена проста різноякісність ДПК CV, % різноякісність ДПК ЛУҐ 2,20±0,07 3,35 не встановлена 2,15±0,09 НОВ 1,05±0,05 2,10 не встановлена 2,17±0,08 ЧАС 7,55±0,24 3,45 проста 8,95±0,32 3,11 проста 8,9О±От21 4,22 ПТ 3,04 проста 8,90±0,34 3,05 проста 9,50±0,27 3,49 проста РК 7,95±0,27 11,54±0,29 2.42 змішана 12,05±0,30 3,26 змішана 14,10±0,50 3,91 змішана ОКМ 17,92±0,35 3,28 змішана 19,50±0,67 2,43 змішана 20,30±0,41 2,03 змішана АВТ 7,64±0,20 3,56 проста 8,90±0,30 1,02 проста 8,95±О,20 2,93 проста АСЗ 7,69+0,21 3,15 проста 8,80±0,27 1,27 проста 8,90±0,21 3,13 проста швд ксз 7,40±0,19 3,39 проста 6,50±0,30 2,14 проста 7,05±0,03 3,32 проста 8,90±0,17 3,40 проста 9,50±0,31 2,1 змішана 10,00±0,26 3,90 змішана УКЦ 7,00±0,21 3,17 проста 7,20±0,27 2,18 проста 7,50±0,20 2,34 проста КАВТ 7,20±0,23 3,01 проста 7,25±0,21 2,20 проста 7,54±0,24 2,97 проста Примітка: CV - коефіцієнт варіації. 6499 Таблиця 2 Ознака нов ЧАС ПТ 1 1 3 3 1 1 1 2 3 ДПК 1 1 2 3 3 Дпк 2 1 1 3 3 дпк 2 1 1 4 4 Дпк 2 1 1 4 4 СЕРЕБ ЛУГ ДПК 1 Дпк Пробні площі РК | ОКМ АВТ Індекси 1998р 4 7 3 1999р. 4 6 4 2000 р. 7 3 3 2001 р 4 7 3 2002 р 4 8 4 2003 р 7 4 5 АСЗ швд КСЗ УКЦ КАВТ 3 2 3 2 2 3 2 3 2 2 2 2 3 1 2 3 2 3 1 2 4 2 4 2 2 4 2 4 3 2 від територіального розташування особин та місця збору рослинного матеріалу В таблиці 3 представлені дані лабораторного експерименту -безпосереднього впливу важких металів на будову тест-рослини, де обліку підлягали максимальні значення показника, що було встановлено попередньо у натурному блоці експериментів З таблиці 2 видно, що мінімальні індекси атипової будови відповідають контрольним зонам дослідження, за останні роки спостереження показники ДПК дещо зросли, що свідчить про тенденцію динамічного збільшення загального рівня забруднення техногенних грунтів Артемівського та Костянтинівського районів Донецької області. Ступінь трансформованості структурних елементів покривних тканин листкової пластинки залежить Таблиця З Ознака ДПК Метали РЬ 2 Zn 2 Cd 1 Ni 3 З таблиці 3 видно, що поява деформованості специфічна в залежності від чинника - важкого металу. Здебільшого ДПК залежить від вмісту Hg у середовищі живлення. Позитивний ефект проявляється в тому, що на відміну від відомого запропонований спосіб дозволяє диференційовано тестувати забруднення фунтів ртуттю. Він може використовуватися у натурному (природному) бюмоніторингу для експресдіагностики металопресингу, що дуже актуально для територій з посиленим антропогенним впливом техногенне трансформованих екотопів. Використання способу дозволить більш точно виділяти зони саме забруднення ртуттю, проводити оцінку та постійний моніторинг стану довкілля природних та техногенне змінених територій цим токсичним елементом. Джерела інформацм 1. Трахтенберг И М., Коршун М.Н. Ртуть и её соединения в окружающей среде Гигиенические и экологические аспекты - Киев. Вища школа, 1990 232 с. 2. Klein D.H. Mercury and others metals in urban soil // Environ Sci. Technol -1982. - 24, №6 - P. 560-572 3. Кабата-Пендиас А , Пендиас X Микроэлементы в почвах и растениях. -М.: Мир, 1989.-439 с. 4. Тимофеев М И , Александров С.Н., Черепов В.А. Загрязнение тяжелыми металлами Донецкой Cr 1 Mo 1 Fe 2 Mn 1 Cu 2 Hg 10 области, их судьба в почве, растениях, животных, механизмы действия в биологических объектах. Донецк: Б. и., 1996 -75с. 5. 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.-352 p. 6 Ґлухов А.З., Сафонов А.И. Подбор перспективных фитой ндикато ров металл on рессин га техногенно трансформированных территорий Донбасса // Збірка наук, праць Луганськ, нац аграрн. унту. Сер. "Бюл. науки". -2002.-№15(27).-С 54-57. 7 Glukhov A.Z., Safonov A.I. Structural plasticity of plants under a weak metallic stress // Plant under Environmental Stress (Int. Symp., Moscow, 23-28 Oct., 2001) - Moscow. - 2001. - P. 81 -82. 8. Safonov A.I. Structural characteristics of plants under metal pollution // Modem problems of bioindication and biomonitoring. Proc. XI Intern. Symp. Syktyvkar, 2003. -P. 127-135 9. Сафонов А.И. Структурно-функциональная организация листа Cichorium intybus L при избыточном содержании некоторых тяжелых металлов в почве // Тр. XXXIX Междунар. научн. конф. («Студент и научно-технический прогресс», Новосибирск, 11-14 апреля 2001 г ) -Новосибирск" Издво Новосиб гос. ун-та, 2001. - С. 15-21. 10. Кравкина И.М. Эпикутикулярный воск и кутикула листа растений Полярного Урала, произра 6499 стающих в контрастных геохимических условиях // Бот. журн. - 2000. - 85, №7. -С. 118-124. 11. Гетко Н.В. Растения в техногенной среде. Структура и функции ассимиляционного аппарата. - Минск: Наука и техника, 1989. - 205 с. 12. Журавлева Н.А. Механизм устьичных движений, продуктивный процесс и эволюция. - Новосибирск: Наука, 1992. - 141 с. 13. Мирославов Е.А. Структура и функция эпидермиса листа покрытосеменных растений. Л.: Наука, 1974.- 184 с. 14. Петрунина Н.С. Морфолого-анатомические особенности растений, произрастающих на почвах, обогащенных тяжелыми металлами // Теоретические вопросы фитоиндикации. - Л.: Наука, 1971.-С. 142-148. 15. Дідух Я.П. Методологічні підходи до проблеми фітоіндикації екологічних факторів // Укр. бот. журн. - 1990. - 47, №6. - С. 5-12. 16. Дідух Я.П., Плюта П.Г. ФІтоіндикація екологічних факторів. К.: Наук, думка, 1994.-280С. 17. Цаценко Л.В., Филипчук О.Д. Биоиндикация и "генетический скрининг" загрязнения компонентов агроценоза // Сельскохозяйственная биология. -1997.-№5.-С. 33-47. 18. Пат. 65772 A UA, МКИ 7 A01G7/00.Спосіб визначення забруднення ґрунтів важкими металами: Деклараційний патент на винахід. - О.З.Глухов, Н.А. Хижняк, А.І. Сафонов. - № 2003054433; Заявл. 19.05.2003; Опубл. 15.04.2004. - Бюл. №4. - 4 с (прототип). 19.Анели Д.Н., Анели Н.А. Способ получения микроструктурных отпечатков эпидермы различных органов растений // Сообщ. АН СССР. - 1986. - 122, №3.-С.589-592. 20. Джунипер Б.Э., Джефри К.Э. Морфология поверхности растений. - М.: Агропромиздат, 1986. 14 10 - 160 с. 21. Juniper B.E. Growth, development and effect of the environment of the ultrastructure of plant surfaces // Bot. J. Linn. Soc. - 1960. - 56, №3. - P. 413420. 22. Дудик A.M. Временные методические рекомендации по геолого-экологическим работам в пределах горнопромышленных районов Украины. - Донецк- Б. и., 1992. - 105 с. 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. Беспамятнов Г.П., Кротов Ю.А. Предельно допустимые концентрации химических веществ в окружающей среде. - Л.: Химия, 1985. - 528 с. 25. Сафонов А.И. Специфика локализации некоторых металлов в почвах северных промышленных узлов Донецкой области // Проблемы экологии. - 2003. - №1. - С. 36-47. 26. Паушева З.П. Практикум по цитологии растений. - М.: Агропромиздат, 1988.-271 с. 27. Барыкина Р.П., Веселова Т.Д., Девятое А.Г. Основы микроскопических исследований в ботанике. - М.: Наука, 2000. - 128 с. 28-Metcalfe C.R., Chalk L Anatomy of the dicotyledons. I. Systematic anatomy of leaf and stem. - Oxford: Clarendon Press, 1979. - 276 p. 29. Павловская Н.Е., Голышкин Л.В., Дегтярева С И . Реакция устьичного аппарата листьев гречихи и гороха на загрязнение тяжелыми металлами // Сельскохозяйственная биология. - 1997. №5. - С. 48-52. 30. Способ отделения эпидермиса листа: А.с. (11) 683686 СССР, МКИ А 01 G 7/007 Д.Н. Анели (СССР). - №2597217/30-15; Заявлено 29.03.78; Опубл. 05.09.79, Бюл. №33.-2 с. ФТ 11 Комп'ютерна верстка М Мацело 6499 Підписне 12 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