Спосіб фітотестування техногенних екотопів

Реферат: Спосіб фітотестування техногенних екотопів включає вибір об'єктів, на яких проводять дослідження, використання як фітотести різні види деревних рослин, які вибирають за ценотичною характеристикою, висадження деревних рослин на самих екотопах, визначення приналежності рослин до тієї чи іншої категорії згідно з асортиментом випробовуваних рослин. Деревні рослини висаджують навесні. Восени проводять заміри приросту за цей період тих чи інших дерев і, в залежності від приросту, судять про відповідність техногенних умов для зростання рослин. Значення приростів екземплярів однієї породи дерева розподіляють за розробленою шкалою. Можливість зростання дерева з однієї групи за ступенем стійкості вкаже на можливість зростання в даному екотопі й інших рослин з цієї групи. UA 70512 U (54) СПОСІБ ФІТОТЕСТУВАННЯ ТЕХНОГЕННИХ ЕКОТОПІВ UA 70512 U UA 70512 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до області фітотестування, фітоекології, промислової ботаніки і може бути використана при рекультивації техногенних екосистем, поліпшенні та оптимізації навколишнього середовища. В умовах постійного росту техногенного навантаження на навколишнє середовище безумовно важливими на даний момент стають питання як оцінки її екологічної безпеки, так і зменшення шкідливого впливу техногенних об'єктів на середовище. У останній час часто для екотоксикологічної оцінки ґрунтів застосовують біологічні методи, засновані на реакції живих організмів на забруднення. Техногенне навантаження на ґрунтові комплекси значно погіршує властивості едафотопу. Аналізувати кожен із негативних факторів окремо і порівнювати їх з гранично допустимими концентраціями є дуже клопіткою роботою і це не розкриває сумарного токсичного впливу техногенних ґрунтів. Біологічний контроль оточуючого середовища включає дві основні групи методів: біоіндикацію і біотестування. Біоіндикація - визначення екологічно значущих природних та антропогенних навантажень на основі реакцій на них живих організмів безпосередньо у середовищі їх існування. Біотестування - процедура встановлення токсичності середовища за допомогою тест-об'єктів. Підраховано, що в оточуючому середовищі міститься біля 10 мільйонів найменувань забруднюючих речовин [1]. Поява нових полютантів призводить до того, що кількісні показники забруднення, такі як ПДК, не можуть охопити всієї великої кількості забруднюючих речовин. Тому зараз зростає інтерес до біотест-систем, які здатні інтегрально і оперативно надати токсикологічну характеристику природних і техногенних середовищ. Фітотестування широко використовується не тільки як спосіб токсикологічної оцінки середовищ, ґрунтів і вод, але і як дуже розповсюджений спосіб оцінки токсичності різних матеріалів, хімікатів, промислових відходів [2]. Для тестування еколого-геохімічних змін в екосистемах використовують вищі рослини (дерева, трави, кущі). Біотестування вважається ефективним методом оцінки потенціальної небезпеки хімічної, фізичної чи біологічної дії на природне середовище, у тому числі і на ґрунт [3]. Принцип способу біотестування в широкому сенсі заснований на чутливості живих організмів до екзогенної дії, що відбивається на ростових і морфологічних характеристиках. Суть способу полягає в визначенні дії досліджуваних речовин на спеціально вибрані організми в стандартних умовах з реєстрацією різних тест-реакцій (поведінкових, фізіологічних чи біохімічних). Основними вимогами, що висуваються до реалізації методу біотестування є: експресивність; доступність; простота експериментів; економічність; швидкість проведення; достовірність отриманих результатів; об'єктивність отриманих даних. Спосіб фітотестування, як оперативний і дешевий спосіб оцінки інтегральної токсичності середовища за допомогою рослин, знаходить широке застосування при оцінці ступеня забруднення міських ґрунтів, що підлягають комплексній антропогенній дії. На основі багаторічних досліджень проведена комплексна екотоксикологічна оцінка техногенно забруднених ґрунтів, використовуючи три тест-об'єкти (Daphnia magna St., мікроорганізми, і представника вищих рослин Avena sativa L.). Так, використання як біотесту представника гідробіонтів дозволяє контролювати забруднення водного середовища; біотестування на мікроорганізмах і вищих рослинах дозволяє оцінити рівень токсичності ґрунту [4]. Проведені дослідження дозволяють об'єднати всі фітотести в три групи методів: лабораторні, вегетаційні і мікроділяночні. Існують лабораторні методи фітотестування, які за рядом публікацій є найбільш чутливими порівняно з мікроділяночними та вегетаційними. Існує метод визначення сумарної токсичності ґрунту з використанням насіння редису (p. Raphanus), що засновано на високому ступені відгуку насіння на токсичні речовини [5]. В багатьох роботах показана ефективність використання насіння крес-салату (Lepidium sativum L.). Дана тесткультура була інформативною при забрудненні досліджуваних об'єктів полютантами різних типів (важкими металами, вуглеводнями, радіоактивними речовинами тощо) [2]. За допомогою біотеста за ростовою реакцією проростків Lactuca sativa L. оцінюються фактори токсичності в ґрунтах [6]. Існує спосіб визначення комбінованого ефекту промислового забруднення на рослини, при якому тест-об'єкти вирощують в умовах територій заводів та підраховують максимальні показники кількості утворених за два вегетаційні сезони (з квітня до жовтня наступного року) пагонів для кущових злаків та визначають максимальні розміри діаметра проективного покриття куща злаку [7]. Існує спосіб фітоіндикаційної оцінки токсичності ґрунтів антропогенно трансформованих екотопів, який полягає у оцінці токсичності ґрунтів за показником шестигранного полярного стовщення пилкових зерен Cichorium intybus L. [8]; спосіб біотестування забруднення 1 UA 70512 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 середовища важкими металами за індикаторними шкалами за показниками структурних елементів пилкових зерен рослин [9]. Існує спосіб біоіндикації стану технічного забруднення середовища з використанням як біоіндикатора шовковичного шовкопряда. Стан забруднення середовища визначають за залежністю і зміною якісних і кількісних ознак популяційних характеристик біоіндикатора [10]. Існує спосіб оцінки токсичності субстратів вугільних шахт за допомогою біотестування едафотопу. Фітотестування є інформативним, високочутливим інтегральним методом біотичної індикації, який дає змогу якісно оцінити фітотоксичність ґрунтів. В даній роботі як тест-культуру використовують редис, який характеризується високим рівнем чутливості насіння до токсичних речовин і аналіз схожості та величини морфометричних показників проростків дає змогу використовувати його для визначення сумарної токсичності ґрунту [11]. Існує спосіб фітотестування екологічного стану техногенно трансформованих територій шляхом біоіндикації за допомогою безхребетних організмів, що включає вимірювання когортних показників модельної популяції біотестеру [12]. Існує спосіб використання насіння деревних та трав'янистих рослин як тест-об'єктів при фітоіндикації міських ґрунтів [13]. При використанні деревних рослин в озелененні золовідвалу ТЕЦ (Тюмень) проводилось фітотестування, що полягало в посадці 20 трирічних саджанців ялини звичайної (Picea abies (L.) Karst.) безпосередньо в субстрат; але ж замірів ніяких не проводилось; просто спостерігали і фіксували усихання дерев [14]. Найбільш близьким за технічною суттю і досягнутому результату є підбір рослин для біологічної рекультивації порушених земель за шкалою, розробленою авторами [15]. Для створення рослинного покриву найбільш бажаними будуть рослини сильні едифікатори та меліоранти. В результаті багаторічних випробувань авторами розроблено шкалу оцінки випробувань рослин на порушених площах. Так, використано 6-бальну шкалу, за якою деревні рослини розподіляються відповідно цієї шкали. Градації шкали зроблені у відповідності до випробування деревних рослин (так до 1 шкали належать рослини, що досягають насіннєвого розмноження; до 2-ї - ті, що дають життєздатне насіння, але не розповсюджуються за межі першочергового поселення; 3-ї - ті, що природно не відновлюються; до 4 - ті, що не квітнуть і не утворюють плодів; 5 - слаборозвинені, пригнічені; 6 - зовсім непридатні). Всі градації шкали розділені на більш дрібні: а) ті, що поселяються на відвали без складних меліоративних заходів; б) ті, що поселяються після складних заходів, таких як внесення ґрунту в посадкові місця, промивка породи водою тощо; в) ті, що поселяються під захистом більш стійких видів. Ця методика є трудомісткою, оскільки потребує попереднього випробування великої кількості дерев для віднесення до тієї чи іншої шкали. Але ж у цієї методики є мінуси, по-перше вона не пристосована до якогось певного екотопу, кожний конкретний екотоп, відвал тощо, може мати багато факторів, які можуть перешкоджати розвитку даного виду рослин саме на цьому екотопі, також дана методика апробована лише на відвалах вугільних шахт, виключаючи інші техногенні екотопи.В основу даної корисної моделі поставлена задача розробки легкого та ефективного способу фітотестування техногенних екотопів шляхом вимірювання приросту посаджених в техногенних екотопах деревних рослин. Поставлена задача вирішується за рахунок того, що у способі фітотестування техногенних екотопів, що включає вибір об'єктів, на яких проводяться дослідження, використання як фітотести різних видів деревних рослин, яких вибирають за ценотичною характеристикою, висадження деревних рослин на самих екотопах, визначення приналежності рослин до тієї чи іншої категорії згідно з асортиментом випробовуваних рослин, згідно з корисною моделлю, деревні рослини висаджуються навесні, восени проводять заміри приросту за цей період тих чи інших дерев і, в залежності від приросту, судять про відповідність техногенних умов для зростання рослин, причому значення приростів екземплярів однієї породи дерева розподіляються за розробленою нами шкалою: 20 см; якщо процент перших двох категорій > 70 % від загальної кількості дерев або кількість категорій 3, 4, 5 < 25 %, то стверджують про невідповідність умов техногенних екотопів для зростання рослин, можливість зростання дерева з однієї групи за ступенем стійкості вкаже й на можливість зростання в даному екотопі й інших рослин з цієї групи. Висаджувати рослини в умовах техногенних екотопів пропонуємо здійснювати рано навесні (кінець березня - початок квітня). Надалі вибирається техногенний екотоп, де без попередніх меліоративних заходів висаджуються деревні рослини у кількості 30-50 штук кожного окремого виду дерева з різних груп, що різняться за ступенем пошкоджуваності [16]. Далі восени слід виміряти приріст окремих екземплярів кожного дерева, в залежності від приросту судять про відповідність техногенних умов для зростання рослин, так значення приростів екземплярів 2 UA 70512 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 однієї породи дерева розподіляються у таких межах: 20 см; якщо процент перших двох категорій > 70 % від загальної кількості дерев або кількість категорій 3, 4, 5 < 25 %, то говорять про невідповідність техногенних умов для зростання рослин, надалі, користуючись попередніми розробками, можна в тому чи іншому екотопі висаджувати і інші представники групи за ступенем стійкості, до якої належало дерево, яке виявилось стійким до даних умов. Перелічені ознаки і складають суть корисної моделі. Причинно-наслідковий зв'язок між сукупністю ознак, що заявляються, та технічним результатом пояснюється наступним. Завдяки тому, що спосіб фітотестування техногенних екотопів включає висадження деревних рослин навесні, восени здійснення замірів приросту дерев; розподіл за шкалою, висновок про використання того чи іншого дерева для фіторекультивації, а згодом і інших представників групи за ступенем стійкості, на цій основі досягається можливість фітотестування техногенних екотопів. Прискорені темпи сучасного техногенезу чинять вплив на природні ландшафти. У зв'язку зі збільшенням антропогенних об'єктів у світі виникає проблема пошуку способів зменшення шкідливого впливу таких техногенних систем на оточуюче середовище. Особливо ця проблема набуває своєї значущості у Донбасі, в одному з високоіндустріальних регіонів південного сходу України, де знаходиться біля 40 % порушених земель України. Так, в одному м. Донецьку більше 1 тис. га міських земель зайняті породними і шлаковими відвалами, шламонакопичувачами, відвалами вугільних шахт, які є постійним джерелом забруднення оточуючого середовища [17]. Для оптимізації техногенних екосистем ефективніше і зручніше використовувати біологічні методи, до яких відносимо фіторекультивацію як метод створення стійкого рослинного покриву в умовах техногенних екотопів, оскільки техногенне забруднення відкладає відбиток на склад, структуру і динаміку фітоценозів [18]. Існуючі рекомендації з рекультивації порушених земель в Донбасі засновані на багаторічних спостереженнях та випробуваннях в основному на відвалах вугільних шахт. Але враховуючи кількість випробовуваних і перспективних фітомеліорантів (більше 100 видів) і різноманітність екотопів навіть простого за формою відвалу (15-20 місць), стає зрозумілим, що при посадці по 10 екз. кожного дерева виявиться треба необхідним висадити 20 тис. саджанців рослин, тобто засадити більше гектара площі відвалу. Це є дуже трудомісткою та матеріально витратною процедурою, оскільки потребує по-перше, багато часу та рослин, більша частина яких загине через невідповідність умов їх вимогам. Ми пропонуємо швидкий та зручний спосіб встановлення відповідності умов зростання для деревних рослин в техногенних екотопах при менших витратах матеріалу та часу. За основу нами взятий розподіл дерев на групи, розпочатий ще в 1965 p., але там асортимент запропонованих рослин був ще невеликий (біля 45 видів рослин), в рекомендаціях, розроблених авторами [16] вказано більше 100 рослин. В результаті такого групування видів за ступенем стійкості можна висаджувати тільки окремі представники кожної групи, які покажуть можливість зростання в даному екотопі і інших рослин цієї групи. На малюнку зображено, як проводиться замір приросту у бузку звичайного (Syringa vulgaris L.) Приклад конкретного виконання. Для апробування запропонованої методики фітотестування був закладений дослід на відвалах вугільних шахт ім. Калініна (м. Донецьк). Для цього рано навесні (початок квітня) були висаджені деревні рослини у кількості 12-30 шт. кожної деревної породи таких дерев, як ясен зелений (Fraxinus excelsior L.), клен ясенелистний (Acer negundo L.), клен польовий (Acer campestre L.), в'яз дрібнолистий (Ulmus foliacea Gilib.), свидина криваво-червона (Swida sanguinea (L.) Opiz.), каштан кінський (Aesculus hippocastanus L.). Після цього восени здійснено огляд дерев, що збереглись, та вимірювання приросту дерев (у см). Надалі в залежності від того, який приріст можна стверджувати про те, наскільки те чи інше дерево стійке до умов відвалу вугільної шахти. Для цього всі зареєстровані значення розподіляються за наступною шкалою: 20 см. Якщо процент перших двох категорій > 70 % від загальної кількості усіх значень або кількість дерев, що належать до 3, 4 та 5 категорій, не менше 25 %, можна вважати, що умови невідповідні для зростання в даних умовах і неможна рекомендувати дані деревні рослини для фіторекультивації. Результати досліджень поміщені у таблицю. 3 UA 70512 U Таблиця Розподіл категорій, кількість особин Поточний Мінімальне Максимальне приріст, 5-10 10-15 15-20 > 20 значення значення < 5 см см см см см см 9; 5; 3; 2; 7 4 1 Fraxinus 14; 2; 5; 4; 1 14 0 0 excelsior L. 8,33 33,33 58,33 3; 9; 1; 4 17; 19; 6; 7; 10; 4; 4; 17; 13; 9; 2; 4; 13; 6; Acer negundo 12 7 6 3 2 7; 3; 4; 2; 2 30 L. 40,00 23,33 20,00 10,00 6,67 9; 5; 2; 30; 25; 13; 11; 14; 6; 3; 2; 4 1; 1; 4; 2; 2; 1; 1; 3; 21 Acer 2; 1; 2; 1; 1 4 0 0 0 0 campestre L. 1; 2; 1; 1; 100,00 2; 1; 2; 1; 1 17; 20; 13; Ulmus 8; 9; 6; 14; 3 5 2 3 6 32 0 foliacea Gilib. 13; 11; 32; 23,08 38,46 15,38 23,08 25; 26; 12 47; 46; 25; Swida 2 1 1 6 19; 14; 9; sanguinea (L.) 5 47 0 5; 40; 33; 20,00 10,00 10,00 60,00 Opiz. 27 Aesculus 3; 1; 4; 3; 2 hippocastanus 4; 3; 2; 4; 1 4 0 0 0 0 100 L. 2; 1; 2; 1 Назва породи дерева Примітка: над рискою наведено кількість особин у штуках, під рискою - у відсотках від загальної кількості особин. 5 10 15 20 25 Таким чином, за даними таблиці можна сказати, що умови даного відвалу є несприятливими та невідповідними для таких дерев як Fraxinus excelsior, Aesculus hippocastanus, Acer campestre; навпаки - дерева Acer negundo, Ulmus foliacea, Swida sanguinea, можна вважати придатними для створення стійкого рослинного покриву. Далі, використовуючи дані з асортименту рослин, в результаті групування рослин за ступенем стійкості до пошкоджень, можемо казати про можливість зростання в даному екотопі і інших рослин тієї чи іншої групи. Так, наприклад, разом з Acer negundo можна висаджувати Acer tataricum L., Ligustrum vulgare L., Elaeagnus angustifolia L., Salix fragilis L. та інші. Розроблений спосіб фітотестування техногенних екотопів є ефективним, зручним, не потребує тривалих складних досліджень та спостережень, дозволяє швидко визначати відповідність умов техногенних екотопів для зростання тієї чи іншої деревної культури, та скорочувати час на посадку великої кількості деревних рослин. Джерела інформації: 1. Шеуджен А. Х. Биогеохимия / А. Х. Шеуджен. - Майкоп: ГУРИПП «Адыгея», 2003. - 1028 с. 2. Лисовицкая О. В. Фитотестирование: основные подходы, проблемы лабораторного метода и современные решения / О. В. Лисовицкая, В. А. Терехова // Доклады по экологическому почвоведению. - 2010. - Вып. 13. - 18 с. 3. Биологический контроль окружающей среды: биоиндикация и биотестирование : учеб. пособие для студ. высш. учеб. заведений / Мелехова О. П., Сарапульцева Е. И., Евсеева Т. И. и др. - М.: Издательский центр «Академия», 2008. - 228 с. 4 UA 70512 U 5 10 15 20 25 30 35 40 4. Маячкина Н. В. Особенности биотестирования почв с целью их экотоксилогической оценки / Н. В. Маячкина, М. В. Чугунова // Вестник Нижегородского университета им. Н. И. Лобачевского. - 2009. - № 1. - С. 84 -92. 5. Практикум по агрохимии: Учеб. пособие / Под ред. В. Г. Минеева. - М.: Изд-во МГУ, 2001. 689 с. 6. Столбова В. В. Фитотестирование городских почв, загрязненных органическими экотоксикантами / В. В. Столбова // Актуальные проблемы экологии и природопользования: сб. научных трудов. - М: ИПЦ «Луч», 2010. - С. 192-194. 7. Пат. UA Україна, МПК (2011) A01G7/00. Спосіб визначення комбінованого ефекту промислового забруднення на рослини / Беспалова С. В., Глухов О. З., Горецький О. С., Сафонов А. І.; заявник і патентовласник Донецький національний університет. - № u201014613; заявл. 06.12.2010; опубл. 11.07.2011, Бюл. № 13. 8. Пат. UA Україна, МПК (2004) A01G 7/00. Спосіб фітоіндикаційної оцінки токсичності ґрунтів антропогенно трансформованих екотопів / Сафонов А. І.; заявник і патентовласник Донецький національний університет. - № U20040907413; заявл. 10.09.2004; опубл. 15.03.2005, Бюл. № 3. 9. Пат. UA Україна, МПК (2004) A01G 7/00. Спосіб біотестування забруднення середовища важкими металами / Цуркан М. О., Сафонов А. І.; заявник і патентовласник Донецький національний університет. - № U20040705328; заявл. 05.07.2004; опубл. 17.01.2005, Бюл. № 1. 10. Пат. UA Україна, МПК (2010) A01G 7/00. Спосіб біоіндикації стану технічного забруднення середовища / Злотін А. З., Беспалова С. В., Горецький О. С, Маркіна Т. Ю., Маслодудова К. М.; заявник і патентовласник Донецький національний університет. - № u201001183; заявл. 05.02.2010; опубл. 12.07.2010, Бюл. № 13. 11. Бешлей С. В. Оцінка токсичності субстратів відвалів вугільних шахт методом біотестування / С. В. Бешлей, В. І. Баранов, С. П. Ващук // Збірник науково-технічних праць Національного лесотехнічного університету України, 2011. - С. 98-102. 12. Пат. UA Україна, МПК (2007) A01G 7/00. Спосіб біотестування екологічного стану техногенно трансформованих територій / Руденко С. С., Легета У. В. - № U200609542; заявл. 05.08.2006; опубл. 15.02.2007, Бюл. № 2. 13. Журавлева А. Н. Использование семян древесных и травянистых растений в качестве тест-объектов при фитоиндикации городских почв / А. Н. Журавлева, И. Л. Бухарина // сб. Безопасность в техносфере. - 2010. - Вып.6. - С. 137-145. 14. Суслова Н. Г. Использование древесных растений в озеленении золоотвала ТЭЦ (г. Тюмень) / Н. Г. Суслова, Л. И. Аткина // сб. Использование древесных растений в озеленении. 2010. - С. 511 - 515. 15. Промышленная ботаника / [Е. Н. Кондратюк, В. П. Тарабрин, В. И. Бакланов, Р. И. Бурда, А. И. Хархота]; под ред. Е. Н. Кондратюка. - К.: Наук, думка, 1980. - 257 с. (найближчий аналог). 16. Рекомендации по формированию мелиоративного растительного покрова на отвалах угольных шахт Донбасса / [В. Г. Башкатов, О. Н. Торохова, С. П. Жуков]. - Донецк, 2002. - 35 с. 16. Земля тревоги нашей. За материалами доклада про состояние окружающей среды в Донецкой области в 2006 году // Под ред. С. Третьякова, Г. Аверина. - Донецк, 2007. - 116 с. 17. Глухов О. З. Індикаційно-діагностична роль синантропних рослин в техногенному середовищі / О. 3. Глухов, С. I. Прохорова, Г. I. Хархота. - Донецьк: Вебер (Донецька філія), 2008. - 232 с. 45 ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 50 55 Спосіб фітотестування техногенних екотопів, що включає вибір об'єктів, на яких проводять дослідження, використання як фітотести різних видів деревних рослин, які вибирають за ценотичною характеристикою, висадження деревних рослин на самих екотопах, визначення приналежності рослин до тієї чи іншої категорії згідно з асортиментом випробовуваних рослин, який відрізняється тим, що деревні рослини висаджують навесні, восени проводять заміри приросту за цей період тих чи інших дерев і, в залежності від приросту, судять про відповідність техногенних умов для зростання рослин, причому значення приростів екземплярів однієї породи дерева розподіляють за розробленою нами шкалою: 20 см; якщо процент перших двох категорій > 70 % від загальної кількості дерев або кількість категорій 3, 4, 5 < 25 %, то говорять про невідповідність умов техногенних екотопів для зростання рослин, а можливість зростання дерева з однієї групи за ступенем стійкості вкаже на можливість зростання в даному екотопі й інших рослин з цієї групи. 5 UA 70512 U 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 6