Спосіб біоіндикації стану техногенного забруднення середовища

Реферат: UA 82864 U UA 82864 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Корисна модель належить до способів біоіндикації стану техногенного забруднення середовища і може бути використана для екологічної оцінки сумарного стану техногенного забруднення біотопів. Відомі хімічні способи визначення забруднення середовища орієнтовані на певні види сполук [1, 2]. Однак не існує окремого способу сумарного визначення всіх забруднювачів техногенного походження. В цьому плані безумовну перевагу мають способи біоіндикації стану техногенного забруднення середовища за допомогою організмів-біоіндикаторів. Дані способи засновані на оцінці загибелі або оцінці фізіологічних змін (реакцій) організмів-біоіндикаторів, які свідчать про наявність, накопичення, або зміну кількісного чи якісного складу забруднювачів у навколишньому середовищі. Серед існуючих способів біоіндикації стану техногенного забруднення середовища є "Спосіб біоіндикації стану техногенного забруднення середовища" [3], який вибраний як прототип. Спосіб містить технологічну схему проведення біоіндикації з використанням як біоіндикатора гусениць шовковичного шовкопряда (Bombyx mori L.), яких вигодовують листям шовковиці (Morus alba L.). Шовковиця виступає як рослина-поглинач забруднень, у різних за інтенсивністю забруднення екосистемах. Спосіб відрізняється тим, що стан забруднення певної території визначають за зміною якісних та кількісних популяційних ознак біоіндикатора, наприклад, вірогідній різниці у кількості повноцінних яєць та яєць-браку шовковичного шовкопряда. Однак зазначений прототип має такі суттєві недоліки: 1) визначення стану забруднення середовища здійснюється лише через 4-5 місяців після біоіндикації, так як визначення кількості повноцінних яєць та яєць-браку можливо провести лише після закінчення періоду естивації яєць [4], який триває з моменту відкладання яєць і до кінця листопаду. Тільки в грудні грену можливо диференціювати на повноцінну та грену-брак. За цей час можливі певні зміни у стані забруднення довкілля. 2) технологічний процес приготування грени та режим її естивації, у випадку їх порушення, можуть впливати на кількість яєць-браку, в залежності від ступеню порушення, що призводить до деякого підвищення долі яєць-браку. При відсутності порушення цей фактор не впливає на показники. В основу корисної моделі поставлена задача підвищити точність визначення стану техногенного забруднення середовища продуктами техногенного походження, репрезентативність результатів контролю та скорочення строків отримання результатів біоіндикації стану забруднення довкілля з 4-5 місяців до 15-30 днів. Це в багато разів підвисить ефективність визначення стану довкілля у часі, в порівнянні з прототипом. При вирішенні поставленої мети використаний цілий ряд раніше встановлених фактів. В експериментальних дослідженнях О.О. Дехтярьової та О.З. Злотіна [5] встановлено негативний вплив забруднення довкілля техногенними забруднювачами на біологічні ознаки популяцій шовковичного шовкопряда (зниження життєздатності та продуктивності гусениць батьківського покоління, що впливає на стан нащадків). В наших дослідженнях [6] експериментально доведено існування залежності інтенсивності прояву таксисів комах від рівня життєздатності популяції. На підставі цих даних нами було зроблено припущення про можливість визначення впливу техногенного забруднення середовища (в залежності від його рівня) на ступінь інтенсивності таксисів комах (її зменшення при підвищенні рівня техногенного забруднення екосистем). Для цього впродовж 2011-2012 років були проведені дослідження спрямовані на перевірку висунутих положень. Приклад здійснення способу. Для біоіндикації стану техногенного забруднення середовища було вибрано різні за рівнем забруднення біоценози, які чітко диференційовані за вмістом СВМ на чотири рівня (другийп'ятий рівні забруднення). 1. Контроль - плантація шовковиці в долині р. Ржавчик (правий берег), землі відділу шовківництва та технічної ентомології ННЦ "ІЕКВМ", та дубовий ліс на лівому березі р. Ржавчик - район з незначним техногенним забрудненням; 2. Посадки дерев шовковиці та дуба в парку Артема (м. Харків). 3. Район з високим техногенним забрудненням біоценозу - посадки дерев шовковиці та дубові насадження вздовж автотраси - Москва-Сімферополь в районі с. Високий (Харківський район Харківської області). 4. Посадки дерев шовковиці та дуба поряд з цементним заводом м. Балаклея Харківської області (п'ятий - вищий рівень забруднення). 1 UA 82864 U 5 Для об'єктивної характеристики стану техногенного забруднення був взятий найбільш стабільний показник техногенного забруднення - вміст солей важких металів (СВМ) у ґрунті (мг/кг ґрунту у шарі проби 20 см). Кожний варіант налічував по три проби. Визначення СВМ в ґрунті (шар 20 см) робили за допомогою рентген-флюоресцентного спектрофотометра СРМ-2S у Інституті монокристалів НАН України (м. Харків) за прийнятими методиками [7] Результати досліджень представлені у табл. 1 Таблиця 1 Вміст солей важких металів в ґрунті (мг/кг ґрунту) середнє (за 2010-2012 pp.) Солі важких металів Ванадій Кобальт (рух. форма) Мідь (рух. форма) Нікель Свинець (рух. форма) Хром Цинк СВМ мг/кг 10 15 20 25 30 35 Гранично допустимі концентрації (ГДК), мг/кг ґрунту 150 Четвертий П'ятий рівень Другий рівень Третій рівень рівень забруднення, забруднення, забруднення забруднення, украй мг/кг ґрунту, субнормальний, несприятливий, несприятливий, контроль мг/кг ґрунту мг/кг ґрунту мг/кг ґрунту 152 190 235 290 5,0 5,4 15 23 89 3,0 4,0 11 18 76 4,0 6,0 16 29 44 32 38 194 256 519 6,0 23 223 7,0 24,6 237 126 68 620 211 99 871 546 1769 Як біоіндикатор були використані лабораторні культури комах: 1. Культура шовковичного шовкопряда (Bombyx mori L.), порода - Мерефа-6, та гібрид Мерефа 6 х Мерефа 7. 2. Лабораторна бездіапаузна лінія непарного шовкопряда (Lymantria dispar L.). Для годування гусениць Bombyx mori L. використовували листя шовковиці білої (Morus alba L.), для годування гусениць непарного шовкопряда - листя дуба черешчатого (Quercus robur L.). Для кожного варіанту корм заготовляли у відповідному районі. Вибір тест-об'єктів обумовлений тим, що шовковичний шовкопряд - чудовий тест-об'єкт для активної біоіндикації, але в дикому стані в природі не зустрічається, в той час як шовкопряд недопарка практично космополітний вид, поліфаг. У зв'язку з цим непарний шовкопряд може бути використаний як для пасивної так і для активної біоіндикації. На вигодівлю відбирали гусениць одного дня виходу з яєць, по 100 штук для кожного об'єкта, у трьох повторностях для кожного варіанту. Аналогічна кількість гусениць (100 штук у трьох повторностях) для обох видів відбирали для визначення інтенсивності трофотаксису за прийнятою методикою [8]. Для послаблення сигналу (запаху листя відповідної кормової рослини) пергаментний папір, натертий листям відповідного виду рослин, накладали на гусениць зворотнім (не натертим) боком. Підраховували кількість (%) гусениць, які перейшли на папір за 30 хв. приваблення. Вивчення чутливості імаго самців шовковичного та непарного шовкопрядів до статевого феромону самки проводили за відомою методикою [9]. До початку випробувань готували 3 екстракт із двох останніх сегментів черевця самки (5 шт. на 1 см метиленхлориду). Потім методом розведення активність статевого феромону самок шовковичного шовкопряда була -12 -8 доведена до 1х10 , непарного шовкопряда - 1x10 . Для визначення інтенсивності секс-таксису, самців переносили в приміщення, де раніше не було самок даного виду, розкладали на лист аркушу (по 100 штук імаго самців). До антен кожного самця шовковичного шовкопряда підносили на відстань 1 см скляну паличку попередньо змочену екстрактом статевого феромону самок. Самців непарного шовкопряда, для запобігання розльоту фіксували за ліве крило ентомологічною булавкою. Тестування проводили у день виходу з лялечок, вранці (8-10 години ранку). 2 UA 82864 U 5 Про наявність реакції на статевий феромон свідчили тестові ознаки: рух вусиків, передніх ніжок, підгинання черевця, танок залицяння та інше. Підраховували самців, що реагували на запах статевого феромону (умовно сильні). В подальшому на вигодівлю відбирали по 100 гусениць кожного виду за всіма варіантами, у трьох повторностях. Визначали інтенсивність обох таксисів та фактичну життєздатність гусениць на вигодівлях у кожному районі. Результати впливу забруднення на інтенсивність прояву трофотаксису та життєздатність гусениць наведені в табл. 2. Таблиця 2 Вплив техногенного забруднення на життєздатність гусениць та інтенсивність прояву трофотаксису. Середнє за 2011-2012 pp. Інтенсивність техногенного забруднення біоценозу Тест-об'єкт біоіндикації Шовковичний Нормативне шовкопряд забруднення (2-й Шовкопряд рівень) - контроль недопарка Шовковичний Субнормальний шовкопряд (3-й) рівень Шовкопряд забруднення недопарка Шовковичний Несприятливий (4шовкопряд й) рівень Шовкопряд забруднення недопарка Шовковичний Украй несприятливий (5- шовкопряд й) рівень Шовкопряд забруднення недопарка Життєздатність на стадії гусениць, % Інтенсивність прояву трофотаксису, % Кормова рослина 78,6±1,4* 51,8±1,3* Шовковиця біла 70,2±1,9* 48,6±2,0* Дуб черешчатий 54,6±2,1* 29,6±1,3* Шовковиця біла 38,6±2,4 12,1±1,5 Дуб черешчатий 21,0±1,7 17,2±1,2 Шовковиця біла 19,2±2,8 13,5±1,6 Дуб черешчатий Шовковиця біла Дуб черешчатий Всі гусениці загинули у 1-2 віці Всі гусениці загинули у 2-3 віці Примітка: * - р < 0,001 за t - критерієм Стьюдента (по відношенню до району з більш інтенсивним забрудненням). 10 15 З отриманих результатів переконливо видно, що вигодівля гусениць обох видів комах у районі з високим рівнем техногенного забруднення (вплив через кормову рослину) призводить до зниження життєздатності біоматеріалу, і, як наслідок - до зменшення інтенсивності прояву трофотаксису. Останнє додатково дає змогу при відборі яєць безпосередньо в біоценозі, за інтенсивністю трофотаксису отриманих з них гусениць визначати стан техногенного забруднення біоценозу, порівнюючи цей показник з показниками популяції, які знаходяться у біоценозі з відповідно низьким станом техногенного забруднення. Результати впливу ступеню техногенного забруднення біоценозу на інтенсивність прояву секс-таксису імаго самців обох видів комах наведені в табл. 3. 3 UA 82864 U Таблиця 3 Вплив техногенного забруднення на інтенсивність прояву секс-таксису імаго-самців шовкопрядів. Середнє за 2011-2012 pp. Інтенсивність техногенного забруднення біоценозу Нормативне забруднення (2-й рівень) - контроль Субнормальний (3-й) рівень забруднення Несприятливий (4-й) рівень забруднення Украй несприятливий (5-й) рівень забруднення 78,6±1,4* 70,7±19* 57,3±2,0* 54,6±2,1* 54,0±1,8* 43,6±2,4* 32,1±1,8 28,3±1,3 34,6±2,0 Тестування не можливе у зв'язку з загибеллю біоматеріала Шовкопряд недопарка Життєздатність на стадії гусениці 59,9±1,1* Шовковичний шовкопряд Шовкопряд недопарка Шовковичний шовкопряд Шовкопряд недопарка Шовковичний шовкопряд Шовкопряд недопарка Шовковичний шовкопряд Інтенсивність прояву секс-таксису 71,3±2,3* Тест-об'єкт біоіндикації 29,8±1,9 0 0 * - р < 0,001 за t - критерієм Стьюдента (по відношенню до району з більш інтенсивним забрудненням). 5 10 15 20 25 30 Наведені в табл. 3 дані свідчать, що у обох експериментальних видів біоматеріалу імагосамці з районів з високим техногенним забрудненням мають вірогідно більш низьку інтенсивність секс-таксису у порівнянні з контролем. Встановлена раніше невідома зворотна залежність між життєздатністю комах і рівнем техногенного забруднення довкілля. Таким чином, переконливо доведена висока ефективність нової корисної моделі - способу біоіндикації стану техногенного забруднення середовища шляхом визначення життєздатності та інтенсивності прояву таксисів комах-фітофагів з техногенно забрудненого середовища різних рівнів, у порівнянні з контролем. Джерела інформації: 1. Мельников Н.Н. Методы анализа пестицидов / Мельников Н.Н. - Л.: Химия, 1967. - 437 с. 2. Троянський О.Т. Моніторинг якості повітря / Троянський О.Т., Дашковський О.А. Житомир: Волинь, 2004. - 159 с. 3. Патент України № 31360 Спосіб біоіндикації стану технічного забруднення середовища. 12.07.2010. - Бюл. № 13. - 2010. 4. Головко В.О. Энциклопедический словарь по шелководству / Головко В.О., Злотин А.З., Кириченко И.А. - X.: РИП "Оригинал", 1995. - 202 с. 5. Дехтярьова О.О. Вплив солей важких металів в листях шовковиці на життєдіяльність та продуктивність шовковичного шовкопряда / Дехтярьова О.О., Злотін О.З. // Біологія та валеологія. - 2006. - Вип. 8. - С. 22-28. 6. Патент України № 39129. Спосіб визначення життєздатності комах. 10.02.2009. - Бюл. № 3. - 2009. 7. Бортнік Л.Н. Екологічна оцінка урболандшафтів у системі ґрунт-рослина на прикладі м. Харкова. Автореф. дис. канд. біол. наук Дніпропетровського ДНУ. - 1999. - 19 с. 8. Остапенко Л.А. Новый способ отбора высокожизнеспособных гусениц тутового шелкопряда по реакции хемотаксиса / Остапенко Л.А., Злотин А.З. // Изв. Харьков, энтомол. обва. - 2000. - Т. 8. - вып. 1. - С. 73-75. 9. Елизаров Ю.К. Специфичность двигательной реакции самцов тутового шелкопряда при раздражении запахом полового атрактанта / Елизаров Ю.К., Барыбкина М.Н. // Биологические науки. - 1974. - № 5. - С. 20-22. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 35 1. Спосіб біоіндикації стану техногенного забруднення середовища, що включає використання комах-фітофагів, яких годують листям з різних за рівнем техногенного забруднення середовища 4 UA 82864 U 5 районів, який відрізняється тим, що стан техногенного забруднення визначається за впливом на інтенсивність прояву таксисів комах. 2. Спосіб по п. 1, який відрізняється тим, що біоіндикація рівня техногенного забруднення середовища проводиться шляхом визначення його впливу на інтенсивність прояву трофотаксису личинок фітофагів у порівнянні з контролем (за 30 хв. спостережень). 3. Спосіб по п. 1, який відрізняється тим, що біоіндикація стану техногенного забруднення середовища визначається за його впливом на інтенсивність секс-таксису імаго-самців до -12 -8 статевого феромону самок в концентраціях - 1x10 -1x10 у порівнянні з контролем. Комп’ютерна верстка А. Крулевський Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 5