Содержание к диссертации
Введение
1. Биоиндикация - эффективный метод экомониторинга городской среды
1.1. Этапы развития биоиндикации 9
1.2. Проблемы и перспективы методологии "Биотест" 17
1.3. Источники загрязняющих веществ, их состав и пути распространения
2. Материалы и методы исследования 32
2.1 . Характеристика метода "Биотест" и выбор тест-объекта 34
2.2. Пробоотбор, пробоподготовка и анализ снега 55
2.3. Пробоотбор, пробоподготовка и анализ почвенных образцов 56
3. Почвенно-климатическая характеристика города 58
3.1. Климат 59
3.2. Почвенная характеристика города 66
4. Биоиндикация ландшафтно-архитектурных ансамблей города на основе флуктуирующей асимметрии цветочных культур
4.1. Биоиндикационные исследования на проспекте им.50 лет Октября
4.2. Исследование флуктуирующей асимметрии цветочных культур на Привокзальной площади и селитебной территории ОАО «Маяк».
4.3. Изучение цветочных культур - биоиндикаторов в ландшафтно- архитектурном ансамбле «Городок СГУ».
4.4. Исследование стабильности развития цветочных культур в ландшафтно-архитектурном ансамбле Театральная площадь.
4.5. Биоиндикационная оценка ландшафтно-архитектурного ансамбля «Цирк».
4.6. Оценка качества городской среды на примере селитебной территории ОАО «Саратовский нефтеперерабатывающий завод» и сквера «Радуга».
4.7. Изучение растений-биоиндикаторов в дендросаду «Вязовский». 111
5. Результаты анализа важнейших интегральных физико- химических характеристик окружающей среды города Саратова.
5.1 Оценка состояния воздушного бассейна на территории города по изменению кислотности снегового покрова.
5.2. Анализ важнейших физико-химических характеристик почв. 124
5.2.1. Проспект им. 50 лет Октября 127
5.2.2. ОАО "Маяк" и Привокзальная площадь. 135
5.2.3. Городок СГУ 139
5.2.4. Театральная площадь 142
5.2.5. Цирк 148
5.2.6. Сквер "Радуга" и ОАО "Саратовский нефтеперерабатывающий завод"
5.2.7. Дендросад лесхоза "Вязовский" 160
Заключение 171
Выводы 173
Список использованной литературы 175
Приложения 191
- Проблемы и перспективы методологии "Биотест"
- Характеристика метода "Биотест" и выбор тест-объекта
- Биоиндикационные исследования на проспекте им.50 лет Октября
Введение к работе
Проведение оценки качества среды, ее благоприятности для человека необходимо для разработки стратегии рационального использования региона, определения предельно допустимых нагрузок для любого региона, определения состояния природных ресурсов; решения судьбы районов интенсивного промышленного и сельскохозяйственного использования, оценки эффективности управления охраной среды и формирования системы природоохранных мероприятий; введения, создания рекреационных и заповедных территорий.
Ни один из этих вопросов не может быть объективно решен лишь на уровне рассмотрения формальных показателей, а требует проведения специальной разносторонней оценки состояния среды. Таким образом, оценка качества среды оказывается узловой задачей любых мероприятий в области охраны природы и природопользования.
При всей важности проведения оценки качества среды на всех уровнях, с применением различных подходов (включая физические, химические, социальные и другие аспекты), приоритетной представляется именно биологическая оценка. Наиболее простым объяснением этому может быть то, что именно состояние, самочувствие различных видов живых существ и самого человека является ключевым моментом и, в конечном счете, волнует всех нас в наибольшей степени.
Известно, что для корректной оценки и поиска связей между состоянием окружающей среды и здоровьем населения могут использоваться биоиндикационные исследования наряду с привлечением результатов химико-аналитического контроля.
Круг объектов биоиндикации в последние годы расширяется. Центром экологической политики России разработаны методические рекомендации, в которых предложены растения-биоиндикаторы: береза повислая (Betula pendula), вьюнок полевой (Convolvulus arvensis), кипрей узколистный
5 (Epilobium angustifolium). На сегодняшний день актуальным является прогнозирование качества городской среды по состоянию цветочных культур, используемых в озеленении городов.
Целью настоящей работы является оценка фитоиндикационных свойств цветочных культур и прогнозирование качества городской среды.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
- изучение стабильности развития некоторых цветочных культур в
условиях различных антропогенных нагрузок.
- разработка системы параметров для расчета флуктуирующей
асимметрии листьев цветочных растений, впервые используемых в
экомониторинге.
выявление цветочных культур - наиболее эффективных биоиндикаторов.
прогнозирование качества конкретных локальных биоценозов по состоянию цветочных культур.
оценка интегральных физико-химических характеристик городских почв под влиянием антропогенного воздействия.
В настоящей работе, впервые были изучены культурные цветочные растения как биоиндикаторы качества городской среды. Предложена система параметров для расчета флуктуирующей асимметрии (ФА) листьев цветочных растений. Построен биоиндикационный ряд по степени чувствительности изученных растений к антропогенному загрязнению.
Установлены растения, устойчивые к антропогенному загрязнению, которые могут быть рекомендованы для широкого применения в условиях города. Определен круг растений, чувствительных к загрязнению, которые могут быть использованы как растения-биоиндикаторы. Выявлена зависимость изменения ФА цветочных культур от физико-химических характеристик городских почв, показана возможность прогнозирования качества городских почв по физико-химическим характеристикам, на основе ФА цветочных культур-биоиндикаторов. Получены новые знания о
6 биоиндикационных свойствах цветочных культур, которые могут служить показателем природных и антропогенных стрессовых ситуаций.
Материалы диссертации являются вкладом в разработку теории и практики экологического мониторинга городской среды средствами биоиндикации и могут быть использованы в качестве методической и практической основы для научной организации системы мониторинга городской среды.
Выявленные закономерности могут быть использованы для оценки качества городской среды, определения зон экологического бедствия, разработки стратегии рационального использования территории, оценки эффективности природоохранных мероприятий.
Полученные данные имеют большой практический интерес для организации ландшафтно-архитектурного дизайна города и построения природного каркаса города, и могут являться биологической основой корректировки системы мероприятий по озеленению городской среды.
Практическое значение имеют выявленные нами 2 группы цветочных культур; к первой группе относятся растения, которые могут выдержать достаточно сильный антропогенный стресс и, представители второй группы, служащие датчиками антропогенного прессинга, собственно биоиндикаторы.
Материалы исследований используются в учебном процессе при чтении лекционного курса и проведения практикума по дисциплине «экологическая химия» для студентов специальностей «Лесное хозяйство», «Садово-парковое и ландшафтное строительство», «Защита растений», «Агроэкология» в ФГОУ ВПО Саратовский ГАУ, а также при чтении лекций, проведении лабораторных работ, курсового и дипломного проектирования по дисциплинам "Экология растений", "Экология атмосферы", "Экологическая токсикология" для студентов архитектурно-строительного, энергетического, транспортно-строительного факультетов Саратовского государственного технического университета.
Полученные данные переданы в МУП "Садово-парковое" для корректировки, улучшения структуры и состояния существующих зеленых насаждений.
Материалы исследования докладывались и обсуждались на следующих конференциях:
7-ая Пущинская школа-конференция молодых ученых «Биология-наука XXI века» (Пущино, 2003 г.),
X Международная научная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов» (Москва, 2003 г.),
Всероссийская научно-практическая конференция «Экологические проблемы промышленных городов» (Саратов, СГТУ, 2003 г.),
IV Всероссийская конференция молодых ученых «Современные проблемы теоретической и экспериментальной химии» (Саратов, СГУ, 2003),
VI и VII Международных научных конференциях "Эколого-биологические проблемы бассейна Каспийского моря" (Астрахань, 2003 -2004 гг.),
Межрегиональная научная конференция молодых ученых и специалистов системы АПК Приволжского федерального округа «Вавиловские чтения - 2003"(СГАУ,2003 г.),
Всероссийская научно-практическая конференция «Садово-парковое и ландшафтное строительство» (Орел, 2004 г.),
Всероссийская научная конференция VII Докучаевские молодежные чтения «Человек и почва в XXI веке» (С.-Петербург,2004 г.),
Международная научно-практическая конференция «Актуальные проблемы процесса обучения: модернизация аграрного образования» (Саратов, СГАУ, 2004 г.),
вторая Международная научная конференция «Биотехнология -охране окружающей среды» и третья школа-конференция «Сохранение биоразнообразия и рациональное использование биологических ресурсов» (Москва, 2004),
5-й Международной конференции молодых ученых и студентов "Актуальные проблемы современной науки" (Самара 2004),
Международном форуме «Аналитика и аналитики» (Воронеж, 2003 г.),
на Рабочем совещании "Перспективы развития концепции здоровья среды" (Москва, Центр экологической политики РФ, 2003),
а также на ежегодных конференциях профессорско-преподавательского состава и аспирантов СГАУ им. Н.И.Вавилова.
По материалам исследования опубликовано 15 работ, из них 9 статей и 6 тезисов конференций различного уровня. Общий объем 2,56 п. л. из них 1,28 авторских.
Автор лично участвовал в сборе образцов листьев цветочных культур, почвы и снега с 2002-2004 гг., постановке экспериментов, обработке и анализе результатов. Обработка полученных данных, их интерпретация и оформление осуществлены автором самостоятельно, по плану, согласованному с научным руководителем. Материалы диссертации изложены в работах опубликованных в соавторстве. Доля личного участия в подготовке этих публикаций составляет от 60 до 90 %.
Работа состоит из введения, 5 глав, выводов, списка литературы и приложения; изложена на 196 страницах, иллюстрирована 76 рисунком и 25 таблицами. Список литературы включает 157 работ, из которых 33 зарубежных.
На защиту выносятся следующие основные положения:
1. Результаты фитоиндикационного исследования городской среды.
2. Биоиндикационный ряд цветочных культур - эффективных
биоиндикаторов.
3. Динамика изменения интегральных физико-химических
характеристик городских почв под воздействием антропогенных нагрузок.
4. Предложения к формированию ассортимента цветочных культур
ландшафтно-архитектурных ансамблей, с учетом скрининговой оценки.
Проблемы и перспективы методологии "Биотест"
Согласно литературным данным[9] в настоящее время мы имеем большой арсенал методов для выявления эффекта различных воздействий на состояние среды. Основная проблема состоит не в разработке новых методов, а в создании методологии, обеспечивающей критерии того, как сделать правильный выбор. Методология оценки здоровья среды как раз и предлагает возможный путь для выполнения этой задачи.
С целью развития и практического использования методологии интегральной биологической оценки качества среды с 1989 года работала Международная программа «Биотест», продолжателем и основным разработчиком этой программы в России стал Центр экологической политики России, в Москве. Официально начало работы Центра отсчитывается с 1993 года, под руководством президента центра, член-кор. Яблокова А.В. и вице-президента и директора Центра Захарова В.М. Примерно в это же время и выходит совместный труд (Захаров, Кларк) об интегральной оценке здоровья среды, а именно о методе "Биотест"[56]
Суть метода заключается в определении и анализе ответной реакции "здоровья" растений и мелких животных, постоянно проживающих на исследуемой местности, на условия существования; т.е. местообитание живых организмов (в том числе и людей) оценивается с точки зрения благоприятности для их жизни и развития. Определить таким же способом воздействие неблагоприятных факторов какой-либо местности непосредственно на человека невозможно, так как жизнь человека не ограничивается рамками одного района[54].
Живой организм, как биологическая система, замыкает на себя все процессы, протекающие в экосистеме. В нормальных условиях организм реагирует на воздействия среды посредством сложной физиологической системы буферных гомеостатических механизмов. Под воздействием неблагоприятных условий эти механизмы могут быть повреждены, что приводит к нарушению развития. Такой метод оценки качества среды, в конечном итоге, опирается на состояние здоровья живых организмов так же, как и метод ПДК, но, в отличие от последнего: а) не опосредован проведением химических анализов и, соответственно, внесением дополнительных погрешностей; б) не замыкается на один уровень, а позволяет выявить любую степень влияния [53], [68].
В современной практике экологических обследований редко встречаются случаи влияния на окружающую среду лишь одного действующего фактора (например, шума или только одного из химических веществ). В подавляющем большинстве случаев человеческой деятельности окружающая среда подвергается одновременному воздействию сразу нескольких таких факторов. Одним из вариантов определения качества окружающей среды может быть изучение всех химических продуктов в отдельности, определение их содержания и поведения в окружающей среде, исследование биологических последствий их воздействия. Для выяснения синэргического и антагонистического эффектов следовало бы изучить смеси веществ [135]. Однако мониторинг каждого химического вещества, ввиду их огромного количества и разнообразия, нереален: в мире производится около 30 тыс. видов химических веществ в количествах более 1 т/год каждое [31]. Более того, как хорошо известно, различные загрязняющие среду факторы могут: в разной степени обезвреживаться средой в процессе самоочищения; взаимодействуя между собой и с компонентами среды создавать новые, вторичные, зачастую еще более вредные факторы воздействия; усиливать воздействие друг друга на живые объекты (синэргетный эффект)[31]. На примере Калужской области проведен анализ существующих критериев оценок экологического состояния территории, показана невозможность выявления комплексного влияния всех загрязнителей на биологические объекты и состояние экосистем традиционными физико-химическими методами, основанными на определении концентраций загрязняющих веществ и их сравнении с ПДК [115]. Вследствие этого они слишком трудоемки и дорогостоящи, и не могут дать объективной картины состояния среды в целом, т.к.: далеко не для всех загрязнителей известны нормы ПДК; суммарные воздействия различных сочетаний веществ на организмы (синэргетный эффект) изучены в еще меньшей степени; нормы ПДК разработаны лишь для человека и не могут служить критерием воздействия на окружающую среду в целом, поскольку вредное воздействие загрязняющих факторов на многие виды живых организмов больше, чем на человека [6], при этом наиболее полное сохранение живой природы является необходимым условием обеспечения жизнедеятельности человечества, а тем более у будущих поколений; в последние годы среди исследователей-биологов и экологов возрастает критика самого понятия пороговой ПДК, т.к. уже любое количество загрязнителя оказывает влияние на состояние организма.
Посредством биоиндикации возможно определение здоровья среды в городе.
Так, например Лабораторией биоиндикации КГПУ им. К.Э.Циолковского был проведен сравнительный анализ заболеваемости детского населения с результатами биоиндикационной оценки качества (здоровья) среды на территории Калуги.
На основании сравнения полученной пространственной характеристики детской заболеваемости с картой загрязнения приземного слоя атмосферного воздуха в городе Калуге оксидами азота от выбросов автотранспорта и картой биоиндикационного разграничения территории города по степени изменения качества среды с использованием растений в качестве видов-биоиндикаторов авторы обнаруживают следующее:
Наблюдается хорошее соответствие биоиндикационных
характеристик качества городской среды, полученных с использованием в качестве рабочего показателя как уровня гомеостаза растений, так и здоровья детского населения Выявлено сходство пространственного расположения случаев детской заболеваемости и распространения выбросов от автотраспорта.(Причем авторами отмечено, что в г. Калуге более 80% загрязнения атмосферы обусловлено именно выбросами автотранспорта.) [115].
В литературе [44] показано, что физиологические функции растений (дыхание, фотосинтез, ферментная и дыхательная активность) могут нарушаться рядом вредных веществ, присутствующих в атмосфере в очень низких концентрациях.
Характеристика метода "Биотест" и выбор тест-объекта
При исследовании флуктуирующей асимметрии листьев березы повислой и вьюнка полевого применяли систему морфологических признаков по методике "Биотест" Захарова В.М.и Кларк Д.М.[56]. Система морфологических признаков для пеларгонии зональной, бархатцев распростертых, львиного зева, петунии гибридной, сальвии блестящей предлагается нами впервые (Рис.3-7).
Специфика растений как исследовательского материала:
Растения - чувствительный объект, позволяющий оценивать весь комплекс воздействий, характерный для данной территории в целом, поскольку они ассимилируют вещества и подвержены прямому воздействию одновременно из двух сред: из почвы и из воздуха. В связи с тем, что растения ведут прикрепленный образ жизни, состояние их организма отражает состояние конкретного локального местообитания[19].
Так, при исследовании древесной и травянистой растительности, при выборе вида необходимо учитывать, что, в силу прикрепленного образа жизни, мелкие травянистые виды растений в большей степени, по сравнению с древесными видами, могут отражать микробиотопические условия (как естественные - локальные различия типа почвы, влажности и других факторов, так и антропогенные - точечное загрязнение)[72].
При наличии таких микробиотопических различий, получаемые оценки состояния растений могут существенно различаться для разных видов. Это означает, что для выявления микробиотопических различий предпочтителен выбор травянистых растений, в то время как для характеристики достаточно больших территорий лучше использовать древесные растения.
Для оценки последствий антропогенного воздействия площадки выбираются из максимально сходных по естественным условиям биотопов с разной степенью антропогенной нагрузки. Исследуемый участок был разделен на несколько площадок, с которых мы производили сбор гербария. Сбор материала проводили после остановки роста листьев (в средней полосе начиная с июля).
Каждая выборка включала в себя около ста листьев. Собранные листья сопровождались этикеткой, отдельной для каждой выборки. В этикетке указывали номер выборки, место сбора, дата сбора.
Выбирали растения с четко выраженными видовыми признаками.
Листья собирали с растений, находящихся в одинаковых экологических условиях (уровень освещенности, увлажнения и т д.). Для исследования выбирали растения, достигшие генеративного возрастного состояния. У березы мы собирали листья из нижней части кроны дерева с максимального количества доступных веток относительно равномерно вокруг дерева. Собирали с растения несколько больше листьев, чем требуется, на тот случай, если часть листьев из-за повреждений не сможет быть использована для анализа.
Никакой специальной обработки и подготовки материала не проводилось. Материал обрабатывался либо сразу после сбора, либо в высушенном виде (гербарий).
Для оценки стабильности развития растений можно использовать любые морфологические признаки для которых возможно оценить нормальное значение и соответственно учесть степень отклонения от него. Самым простым, доступным и однозначным является учет асимметрии исследуемых структур, которые в норме являются симметричными. Необходимо учитывать, что рассматриваемые признаки были полностью сформированы к моменту исследования.
В качестве наиболее простой системы признаков, удобной для получения большого объема данных для различных популяций, предлагается система промеров листа у растений с симметричными листьями. Для оценки величины флуктуирующей асимметрии нами выбирались признаки, характеризующие общие морфологические особенности листа, удобные для учета и дающие возможность однозначной оценки. Для анализа были выбраны, в соответствии с "методикой[80], по листьям березы пять признаков строения листовой пластинки (Рис.3.): на левой и правой сторонах замерялись угол между главной жилкой и второй жилкой второго порядка по центральной жилке(2) и по краю листа(З), длина второй жилки второго порядка(4) и ширина половинки листа посередине листовой пластинки(5); по вьюнку полевому: ширина половинок листа посередине листовой пластинки (рис.3). Система морфологических признаков для пеларгонии зональной, бархатцев распростертых, львиного зева, петунии гибридной, сальвии блестящей [89], [129] была разработана нами и использовалась впервые (Рис.3-9).
Для измерения морфологических признаков используются измерительный циркуль, линейка и транспортир. Результаты измерений заносятся в таблицу, определенную для каждого вида растения.
Биоиндикационные исследования на проспекте им.50 лет Октября
На первом этапе организации исследования было определено 9 ландшафтно-архитектурных ансамблей, выбор которых определялся ландшафтно-архитектурными, планировочными и экологическими критериями. Выбранные площади охватывают весь спектр городских зеленых насаждений: в центре города, ансамбли на автомагистралях с различной интенсивностью движения, селитебные территории действующих предприятий, малые скверы, бульвары и загородную зону.
По результатам трехлетнего исследования создан банк данных о состоянии цветочных культур в целом по городу с учетом многообразия факторов действия, многовариантности мер по сохранению и защите зеленых насаждений.
Конкретные результаты расчета ФА цветочных культур и березы, их интерпретация и выводы приведены в настоящей главе. Для сравнения полученных результатов и корректности оценок на всех участках рассчитывалась флуктуирующая асимметрия листьев березы повислой -культуры, являющейся по литературным данным [17], [45], [72] эффективным биоиндикатором. Бульвар им. 50 лет Октября расположен на территории двух районов — Ленинского и Кировского, между улицей Украинской и площадью им В.И. Ленина. Протяженность бульвара — 3,4 км.
До войны проспект 50 лет Октября назывался улицей Красноармейской. Район нынешнего химического училища (район Стрелки) до войны назывался «Красные слободки». В районе Торгового центра, в тот же период, был питомник, позже там устроили выставку достижений народного хозяйства.
Во время войны строительством улицы, от Стрелки до 3 Дачной, занимались заключённые и военнопленные. В настоящее время, все старые постройки, были построены ими.
После войны, в 45-50 годы улицу Красноармейскую переименовали в Красноармейское шоссе, а только в 60е годы шоссе стало называться проспект 50 лет Октября, и возникло в связи с расширением строительства предприятий различного профиля, ранее в основном ВПК, в настоящее время наполовину неработающих. В это же время в районе Вишнёвой военным давали земли под строительство домов. В районе Торгового Центра в 50е годы разрабатывался песчаный карьер для «Техстекла», и только в 67 году Торговый Центр обрёл современный вид.
Проспект с левой стороны сопровождается зелёной зоной, шириной 30-35 метров с прогулочной дорожкой в середине.
Результаты детального анализа ФА листьев берёзы, а также цветочных культур: бархатцы распростертые, вьюнок полевой, шалфей, петуния гибридная представлены на рис. 16-22 и табл. 16.Видовой состав деревьев насчитывает более 30 видов, кустарников — более 10 видов. В насаждениях имеются экземпляры лиственницы сибирской, ивы белой, ели колючей, липы крупнолистной; кустарники представлены редкими видами — тамариксом, свидиной кроваво-красной. Из достоинств бульвара следует отметить разновозрастность, многоярусность, хорошую сомкнутость насаждений.
Площадь бульвара — 6,41 га.
Рекреационно-эстетическая оценка бульвара удовлетворительная Санитарно-гигиеническая оценка — также удовлетворительная [120].
