Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Изучение палинологического состава атмосферы (обзор литературы)
1.1. Анализ аэропалинологических исследований, проводимых в мире 10
1.2. Аэропалинологические исследования, проводимые на территории СНГ
1.3. Проблема поллинозов 15
1.4. Растения, вызывающие поллиноз 17
ГЛАВА 2. Краткая характеристика природных условий города уфы и зоны ее рекреации
2.1. Географическое положение. 23
2.2. Климат.23
2.3. Геоморфология и гидрология. 24
2.4. Почвообразующие породы и почвы. 25
2.5. Ботанико-географическое районирование и растительность 25
ГЛАВА 3. Методы исследований
3.1. Сбор материала,
3.2. Подсчет и идентификация пыльцевых зерен в препарате 29
3.3. Приготовление глицерин-желатины 29
3.4. Приготовление контрольных препаратов 30
3.4.1. Метод Wodehousa 3 О
3.4.2. Ацетолизная методика (Эрдтман) 30
3.4.3. Приготовление контрольных препаратов из гербарного материала (Гапочка, Чамара, 1988). 31
3.5. Математическая обработка материала 32
ГЛАВА 4. Таксономический анализ аэропалино логического спектра 33
ГЛАВА 5. Анализ динамики содержания пыльцы в атмосфере г. Уфы
5.1. Суммарное годовое содержание пыльцы . 39
5.2. Динамика концентрации пыльцы в атмосфере 1999 г 46
5.3. Динамика концентрации пыльцы в атмосфере 2000 г 49
5.4. Динамика концентрации пыльцы в атмосфере 2001 г
5.5 Анализ динамики концентрации пыльцы наиболее аллергенных таксонов по годам. 53
ГЛАВА 6. Влияние метеорологических условий на концентрацию пыльцы в атмосфере
6.1.Влияние температуры, осадков и влажности воздуха на концентрацию пыльцы 66
6.2. Анализ видовых вегетационных закономерностей пыления при воздействии на них метеорологических факторов . 74
Выводы
- Растения, вызывающие поллиноз
- Подсчет и идентификация пыльцевых зерен в препарате
- Суммарное годовое содержание пыльцы
- Анализ видовых вегетационных закономерностей пыления при воздействии на них метеорологических факторов
Введение к работе
В окружающей человека атмосфере постоянно циркулирует огромное количество частиц разного происхождения, составляющие атмосферные аэрозоли. Это газообразные, жидкие и твердые частицы. Среди твердых частиц выделяются биологические объекты. Основная часть аэропланктона, присутствующего в атмосфере, представлена спорами грибов различных групп, бактериями, вирусами, пыльцой и фрагментами растений, летучими веществами и т. д. Многие из этих объектов изучаются с целью выявления опасности, возникновения аллергических заболеваний (Perelman, Malley, 1973; Головко, Куценогий, 1973; Сарыджи, 1998; Шалабода, Самодуров, 2001).
Аэропалинология - область современной биологии, изучающая состав и закономерности формирования пыльцевого дождя, выявляет зависимость между спорово-пыльцевым комплексом и наземными фитоценозами, определяет качественное и количественное содержание пыльцы аллергенных растений в воздухе. Изучение динамики пыльцевого дождя представляет как теоретический, так и практический интерес для специалистов разного профиля, в первую очередь биологов, медиков и экологов. Биологические проблемы изучения пыльцевого дождя связаны с исследованием процессов высвобождения, транспорта, сохранения жизнеспособности пыльцевых зерен, выявлением эндогенной ритмики цветения растений. С медицинской точки зрения, пыльцевые зерна, благодаря наличию в их составе специфических белков - аллергенов, могут служить причиной аллергических заболеваний человека и животных. Обладая способностью адсорбировать на своей поверхности различные вещества и частицы небиологического происхождения, пыльцевые зерна способны к переносу пыли и разнообразных поллютантов на значительные расстояния. Кроме того, под воздействием окружающей среды белковый состав и аллергенные свойства самих пыльцевых зерен могут претерпевать серьезные изменения, что, как
правило, приводит к усилению ответной аллергической реакции организма человека.
Для целей диагностики и прогнозирования особенный интерес представляют долговременные наблюдения на обширных территориях. С конца 80-х годов XX века аэробиологи большинства европейских государств объединились для разработки единой программы исследований и создания международной аэропалинологической службы и банка данных, в который вошли сведения о динамике содержания в воздухе пыльцы наиболее распространенных и аллергенных таксонов.
Целью наших исследований явилось выявление количественного и качественного состава пыльцы в атмосфере г. Уфы, в связи с этим перед нами ставились следующие задачи:
1) выявить основные закономерности аэропалинологического режима;
2) составить календари содержания пыльцы в воздухе основных
аллергенных растений;
3) разработать прогнозы пыления с целью принятия профилактических
мер;
4) разработать мероприятия по снижению концентрации пыльцы в
районах, где это осуществимо.
Автор выражает глубокую признательность своему научному руководителю профессору Р.Г. Минибаеву за большой вклад и неоценимую помощь в написании работы, доценту кафедры ботаники С.С. Хайретдинову за постоянную поддержку и помощь при проведении исследований. Благодарит палинологов кафедры высших растений МГУ, БИН РАН им. Комарова (Санкт - Петербург), ВНИГРИ (Санкт-Петербург), за оказанную методологическую помощь.
Растения, вызывающие поллиноз
Во всем мире наблюдается увеличение количества больных аллергией и более тяжелое течение аллергических заболеваний (Федосеев, Вишняков, 1984; Бандровская, 1987; Никольская, Федосеев, 1987; Thomas, Leuschner, 2000). Для их профилактики и лечения необходимо изучать причины возникновения и меры предупреждения аллергических болезней, географическое распространение аллергии, зависимость ее от экологической обстановки и т.д.
В наши дни накапливаются все новые и новые данные о поллинозах, о методах лечения и профилактики, обнаруживаются ранее неизвестные виды растений, вызывающих аллергию С Ад о, Астафьева, 1991). Но как и для давно изученных так и новых пыльцевых аллергенов существуют следующие характерные черты:
1. принадлежность к ветроопыляемым растениям, которые продуцируют ее в больших количествах. Исключением являются некоторые виды насекомоопыляемых растений, культивируемых в той или иной местности (например, подсолнечник - Helianthus annus и свекла обыкновенная - Beta vulgaris). Кроме того, садовники, цветоводы могут быть сенсибилизированы к пыльце насекомоопыляемых растений, так как вдыхают ее в больших количествах, у них развивается своего рода профессиональная болезнь;
2. если пыльца не принадлежит ветроопыляемым растениям, то она должна продуцироваться в достаточно больших количествах, способных вызвать сенсибилизацию организма (например, Amphyphylous);
3. легкость, летучесть, небольшие размеры (12-35 мкм) и округлая или округло-треугольная форма, что позволяет распространяться на большие расстояния;
4. принадлежность широко распространенным в данном регионе растениям, поскольку пыльцевых зерен должно быть достаточно много, чтобы вызвать сенсибилизацию организма;
5. обладать выраженными аллергенными свойствами.
Нужно отметить также, что, во-первых, аллергенностью обладает не само пыльцевое зерно, а ее внутреннее содержимое - плазма, в которой содержатся жиры, углеводы, витамины, особенно группы Е, различные неорганические вещества, содержащие К, Na, Mg, Си, Fe, Р, пигменты, и различные ферменты (Лебедев, 1988,). В пыльцевых зернах с более выраженной аллергенной активностью обнаружено большее количество свободных аминокислот.
Во-вторых, аллергенные свойства пыльцы зависят от конкретных условий. Свежая пыльца, в то время когда она выделяется в воздух из пыльников тычинок трав и деревьев очень активна. Попадая во влажную среду, например, на слизистые оболочки, пыльцевое зерно набухает, его оболочка лопается, а внутреннее содержимое всасывается в кровь и лимфу и сенсибилизирует организм человека.
В-третьих, аллергенные свойства пыльцы зависят от условий, в которых она продуцируется. При хороших погодных условиях, с низкой влажностью и высокой температурой, активность пыльцевых зерен выше; при повышенной влажности и дождливой погоде - наоборот - ниже.
Установлено также, что пыльца трав является более активным аллергеном, чем пыльца деревьев. Так, 97% больных поллинозами реагируют на антиген из пыльцы злаков и лишь 3% - на антиген из пыльцы деревьев.
Важную роль в распространении среди населения поллинозов играет географическое положение, характер растительности, высота над уровнем моря и т.д. К примеру, среди населения, живущего в местах с высокой влажностью и частыми туманами, чаще встречается аллергия к плесневым грибам и бактериальным аллергенам, а уровень заболеваемости бронхиальной астмой значительно выше в засушливых или горных районах (Lewis, Vinay, 1979). Для каждого региона существуют свои аллергенные растения. Например, американцы и французы самым опасным растением считают рода амброзия (Ambrosia). В период ее массового цветения наблюдаются вспышки поллинозов, носящие характер эпидемий. В Бургундии изучалась зависимость между суточной динамикой пыления и числом вспышек заболевания поллинозом среди населения, были замечены два пика роста обращений жителей с жалобами на ухудшение самочувствия (Laaidi, Laaidi, 1999).
Подобные исследования проводились в Италии, причем вид Ambrosia artemi si folia не встречается в этой стране, но заносимая ветром из мест произрастания пыльца также вызывает вспышки поллиноза в конце лета (Albasser, 1992). Также в ходе аэробиологического мониторинга была проведена оценка количества пыльцы Ambrosia sp. в предгорьях итальянских Альп (Gettardini, 1995).
Кроме заносной Ambrosia sp, в атмосфере Италии постоянно циркулирует пыльца неменее репрезентативных аллергенных семейств Graminea, Urticaceae, Betulaceae, Oleaceae (Giorato, Lorenzoni, 2000). Приведены результаты изучения содержания в атмосфере пыльцы Castanea sativa в 1988-1990 гг. в трех точках в Перудже (Италия) (Fornaciari et al.s 1990). Отмечена эффективность такого способа наблюдений для предсказания динамики количества пыльцы С. sativa в атмосфере Уэльвы. Получены интересные результаты эксперимента по выявлению зависимости концентрации пыльцы в воздухе, по мере удаления от места произрастания наблюдаемых видов растений (Mincigrucei, Bricci, Frenguelli, 2000). В качестве объекта наблюдения был выбран платановый лес (около 60 деревьев), замечена закономерность снижения содержания пыльцы примерно на 1/4 часть на каждые 400 метров, так на расстоянии 2750 метров от места эксперимента, концентрация зерен пыльцы составляла 9 п.з./см . Немалый интерес у ученых вызывает аэробиология такого семейства как Urticaceae, так как представители этого семейства обладают высокой пыльцевой продуктивностью и сильными аллергенными свойствами (Fornaciari et al., 1992). В не раз упоминавшейся Перудже проводился контроль над суточной динамикой пыления крапивных в разные периоды пыления. Замечено, что в начале поллинации пик концентрации пыльцы наблюдается рано утром, а в последующие месяцы (в июле и августе) максимальное количество пыльцы в атмосфере зарегистрировано в полдень. Подобная работа проведена также аэропалинологами Англии в Лондоне (Emberlin, Norris-Hill, 1991).
Учеными Института метеорологии Швейцарии в Цюрихе выявлено влияние среднемесячной температуры в зимний период и месяцы, предшествующие началу пыления, на дату начала пыления Fraxinus excelsior L. в городе Базель (Швейцария) (Peeters, 2000). Изучена динамика пыления Fraxinus и в урбанизированных территориях Испании, в частности в Уэльве (Candau, Gonsales, Romero, 1994).
Подсчет и идентификация пыльцевых зерен в препарате
Каждое стекло было исследовано с помощью светового микроскопа с окуляром х 15 и объективом х 40 на площади 1 см2.
Для оценки содержания пыльцевых зерен в воздухе мы просматривали препарат десятью непрерывными транссектами, перпендикулярными продольной оси препарата и расположенными регулярно.
Для идентификации пыльцевых зерен изготовлялись контрольные препараты из пыльцы, собранной с цветущих растений, произрастающих на территории г. Уфе, Кроме того, использовали атласы и палинологические пособия: Кремп, 1967, Куприянова Л.А., Алешина Л.А., 1972, Мейер-Меликян Н.Р., Северова Е.Э., Гапочка Г.П., Полевова СВ., Токарев П.И., 1999, Сладков А.Н., 1962, Сурова Т.Г., 1975, Чигуряева А.А., 1976, Чигуряева А.А., 1987, Эрдтман Г., 1956, Punt W., Blackmore S., Nilsson S., Le Thomas A., 1994.
Приготовление глицерин-желатины (Мейер-Меликян и др., 1999)
Выдержанный в воде 2 часа 10 г желатин смешивается с 70 мл глицерина и 60 мл воды. Эта смесь доводится до гомогенного состояния в течение 15-30 минут при температуре 50 -70 С . При этом в качестве дезинфицирующего средства добавляют 0,1 г. фенола. Эта горячая смесь, которая используется в жидком состоянии, после остывания до последующего применения хранится в виде геля.
Для того чтобы окрасить пыльцу в смесь добавляется немного сафранина. Присутствующий в среде сафранин окрашивает все живые пыльцевые зерна в красный цвет разной интенсивности, тем самым существенно облегчая обнаружение и подсчет пыльцевых зерен в препарате. Насыщенность цвета и оттенок его окраски могут служить диагностическими признаками
Чистая пыльца помещается на стекло. Для удаления смол, жиров, которые могут оказаться на пыльце, нужно капнуть 1-2 капли 96 % спирта. Спирт должен испариться, либо сам, либо при помощи легкого нагревания. Заранее приготовленный гелеобразныЙ или жидкий глицерин-желатин с сафранином наносится на пыльцу. После удаления пузырьков воздуха пыльца накрывается покровным стеклом и прижимается пальцем. Все операции желательно проводить на нагретой поверхности. Затем препарат этикетируется. 1. Тычинки или бутоны со свежих растений или извлеченные из гербарного материала помещают в центрифужные пробирки и заливают ледяной уксусной КИСЛОТОЙ. 2. Через 12-24 часов откручивают в центрифуге в течение 3-4 минут (1 1,5 тыс. оборотов/мин.). Центрифугат осторожно сливают. 3. Подготавливают ацетолизную смесь: в совершенно сухой химический стакан из термостойкого стекла, наливают уксусный ангидрид и, с помощью абсолютно сухой стеклянной палочки доливают в стакан концентрированной серной кислоты (9:1). 4. Подготовленную смесь заливают в пробирку с материалом и перемешивают. 5. Пробирку с содержимым помещают в кипящую водяную баню на 1-1.5 минуты. 6. Сразу после этого пробирку переносят в центрифугу и откручивают в течение 3-4 минут при скорости 1-1.5 5 тыс. оборотов/мин. 7. Центрифугат сливают и отмывают дистиллированной водой методом двух-трехкратного центрифугирования. 8. После отмывки воду сливают, а оставшийся в пробирке осадок (готовую для исследования пыльцу), заливают 2-3 каплями глицерина. Пробирки закрывают пробками. 9. Иголочкой берут кусочек глицерин желатины и осторожно погружают в осадок. Затем глицерин-желатину с прилипшим к нему материалом помещают на предметное стекло и при слабом нагревании накрывают покровным стеклом. 10. Препарат этикетируют. Приготовление контрольных препаратов из гербарного материала (Гапочка, Чамара, 1988) Цветки, содержащие пыльцу, извлекают пинцетом и кладут в бумажные пакеты. На пакет нужно переписывать этикетку с гербарного листа.
До химической обработки на предметном стекле в капле воды (или глицерина) вычленить тычинки и перенести их в пробирки. Оставшиеся пыльцевые зерна смыть в пробирку с помощью пипетки с водой и отцентрифугировать, слить воду и просушить осадок в пробирке фильтровальной бумагой. Последующая обработка та же самая, что применяется при использовании гербарного материала. 3.5. Математическая обработка материала
При представлении результатов аэропалинологических исследований мы руководствовались рекомендациями по составлению календаря пыления, которые были разработаны на встрече рабочей группы European Aeroallergen Network (EAN) в Перудже (Италия) в 1988 году. Данные представляются в виде столбчатой диаграммы, высота столбцов определяется на основе таблицы экспоненциальных классов (Allergy Service Guide in Europe, 1994).
Суммарное годовое содержание пыльцы
Мы наблюдали за качественным и количественным составом пыльцы в Уфе в течение вегетационных периодов в 1999-2001 годов (табл. 2,3,4) .
Период пыления охватывает промежуток времени с конца марта (начала апреля) до середины сентября. Суммарное годовое содержание пыльцы в воздухе значительно варьирует в разные сезоны. На европейской части СНГ выделяется 3 периода пыления: древесные, злаки и разнотравье.
Началом сезона пыления в Уфе следует считать конец марта - апрель, концом - сентябрь, хотя нет полной пыльцевой стерильности с сентября по март. Единичные зерна пыльцы содержатся в воздухе и в этот период, их можно обнаружить на свежевыпавшем снегу (Авдеенко, Васильчук, Балаболкин, 1992). Связано это с тем, что пыльцевые зерна обладают хорошей аэродинамичностью и пыльца, продуцированная в период пыления, может неоднократно, осаждаясь на листьях, траве, крышах домов, вновь подниматься в воздух. Однако растения начинают цвести в марте-апреле, и именно с наступлением естественного сезона вегетации связано увеличение концентрации пыльцы в воздухе.
В условиях г. Уфы сезон пыления также разбит на 3 периода, различающихся как по качественному, так и по количественному составу спектра. Первый период связан с цветением сережкоцветных, второй с пылением сосны и злаков, третий с цветением полыни, крапивы, маревых и злаков.
Для большинства исследованных таксонов показана значительная межсезонная изменчивость пыльцевой продуктивности.
Как было отмечено выше, в течении периода пыления можно выделить три пика пыльцевой активности, имеющих существенные различия качественного и количественного состава. Первая, наиболее мощная волна приходится на конец апреля — май и связана с началом пыления деревьев, преимущественно сережко цветных. Содержание пыльцы в этот период составляет 50 — 60 % от годовой суммы. Вторая волна пыления охватывает период с конца мая по конец июня и характеризуется как низким содержанием пыльцы 5 - 12% от годовой суммы, так и самым бедным таксономическим составом спектра. Третья волна пыления приходится на середину - конец лета и составляет около 25% от годовой суммы.
На рис. 4 показано, что с середины апреля до конца первой декады мая наблюдался абсолютный максимум пыльцевой продуктивности. Общее число пыльцевых зерен составило 1119 п.з./см , что несколько меньше по сравнению с усредненной динамикой распределения пыльцы за период исследований, хотя характер активности пыления в целом идентичный. Состав спектра в это время обусловлен доминированием пыльцы Betula (74% от суммарного содержания пыльцы за весенний период). Второй по обилию пыльцы таксон - Atnus (11%), третий - Populus (около 10%), Corilus (5%). Продолжительность основного периода пыления (ОПП) для Betula, Alnus и Corylus составляет около 20 дней, для Populus - 10-12 дней. ОПП для Acer составляет 25 - 40 дней. Род Acer представлен двумя видами — A. platanoides A. negundo, различающимися сроками цветения. Их пыльцевые зерна под световым микроскопом сложно идентифицировать, поэтому получаемая в итоге кривая пыления представляет собой комбинацию двух кривых и охватывает большой промежуток времени.
Анализ видовых вегетационных закономерностей пыления при воздействии на них метеорологических факторов
Как упоминалось в главе 4, изменения метеорологических, климатических и природно-ландшафтяых условий заметно влияют на длительность сезона палинации и на содержание пыльцы в атмосфере. Поэтому необходимо обратить внимание на природу воздействия этих условий и попытаться найти возможную причину возникновения определенных зависимостей и закономерностей в циклах пыления отдельных видов.
Мы попытались, на примерах отдельных видов, выделить оптимальные условия, при которых достигаются максимальные значения содержания пыльцепродукции в атмосфере, а также влияние температуры и относительной влажности воздуха на вегетационные особенности их цветения.
Рассматривался промежуток с 1999 по 2001 гг., причем для каждого вида выделялся основной период пыления (01111), в котором соотносились средние значения температуры и относительной влажности за декаду с количеством уловленной из атмосферы пыльцы за этот же период времени. За контрольные виды взяли растения, наиболее широко представленные в нашей флоре и имеющие продолжительные сроки присутствия пыльцы в окружающей среде; древесные — Acer, Alnus, Betula, Pinus, Tilia и травянистые семейства — Asterасеае (на примере Artemisia), Chenopodiaceae, Poaceae.
На рис. 26 представлены графики зависимостей концентрации пыльцы Acer от относительной влажности и температуры воздуха. Анализ этих данных показывает, что наиболее благоприятны для пыления, значения влажности воздуха, лежащие в диапазоне от 66 до 70%. Для температурных зависимостей оптимальным значением было 6-7 С0, хотя в 2001 году и при увеличении температуры до 13 С наблюдался значительный рост количества пыльцы в воздухе. Большой разброс максимальных значений пыльцевых пиков в разные годы, объясняется тем, что, например, в 1999 году зимние месяцы, предшествовавшие началу сезона были достаточно холодными, среднее значение температуры за зиму составило -8,1 С0 (см. табл. 5), причем в марте средняя температура упала до -9 С , а также небольшой величиной снежного покрова по отношению с другими сезонами.
В 2001 году наоборот, среднее значение температуры воздуха почти не откланялось от нормы -7,4 С0, а в марте составляла -2,2 С0, к этому надо добавить, что количество осадков за зиму также было максимальным — около 72,4 мм в месяц, что в совокупности с некоторыми особенностями, о которых речь пойдет далее, вызвало бурный выброс пыльцы этого вида в атмосферу. Зависимости 2000 года показывают, что при увеличении, по сравнению с предыдущим годом, температуры до —7,2 С и количества осадков возрастет и концентрация пыльцы. Таким образом, подтверждаются выводы сделанные нами в главе 4.
При рассмотрении зависимости концентрации пыльцы Alnus (рис. 28) от влажности воздуха можно отметить, что максимум пыльцы наблюдался в интервале от 72 до 73 % в течение всего периода наблюдений. Хотя при влажности приблизительно 66-67 % можно видеть небольшой отдельный скачок концентрации пыльцевых зерен, видимо вызванный ускорением процесса созревания пыльцы из-за увеличенного, по сравнению с нормой для этого месяца, среднего значения температуры 15-16 С0 при норме 6,5-7 С0, в последних декадах апреля 1999 - 2001 гг. Соотношение "пыльца - температура" показывает, что распределение количества пыльцевых зерен также разбивается на два отдельных пика, при температуре около 5 - 5,5 С достигался максимуми при 11-12 С наблюдался еще один всплеск. Первый пик на графике приходится на более поздний период года, когда температура воздуха, в силу того, что средние значения температур последних декад апреля превосходили аналогичные значения для первых декад мая, была сравнительно низкой, поэтому пыление происходило интенсивнее из-за начала естественного периода цветения сережкоцветных, отметим, что второй пик был менее продолжителен по времени нежели предыдущий. То есть наблюдалась следующая картина, вследствие отклонения средней температуры от нормы, цветение Alnus наступало раньше, но затем этот процесс замедлялся и заметно уменьшался, и по достижении естественных сроков начала сезона палинации пыление возобновилось.
На рис. 30,31 показаны зависимости содержания пыльцевых зерен рода Betula. Как указывалось в предыдущих главах, во флоре нашего города присутствуют несколько видов этого рода. Поэтому можно выделить различные оптимальные значения относительной влажности для пыльцы представителей Betula. При значениях влажности около 66-68% и 71-73% отмечаются максимальные величины концентраций. Температурные данные аналогичным образом разделяются на несколько максимумов. Пики наблюдаются при 7-8 С0 и 11-12 С0 соответственно. Необходимо учитывать, что поскольку начало цветения некоторых видов рода Betula, практически совпадает по времени с цветением Alnus, то влияние на продуктивность пыления изменений температуры в конце апреля - начале мая, оказывается таким же существенным.
