Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ 8
1.1 Цели и задачи экологического мониторинга Биоиндикация и тест-организмы для мониторинга состояния атмосферного воздуха 10
1.3 Лихеноиндикация качества атмосферного воздуха 16
Глава 2. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАЙОНА ИССЛЕДОВАНИЙ... 28
Физико-географическая характеристика Ростовской области 28
Состояние атмосферного воздуха в наиболее крупных городах Ростовской области 39
Глава 3. МЕТОДИКА И ОБЪЕКТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ 49
3.1. Программа и методика проведения исследований 49
3.2. Объекты исследования 54
Глава 4. ТЕСТ-ОРГАНИЗМЫ ДЛЯ БИОИНДИКАЦИИ АТМОСФЕРНОГО ЗАГРЯЗНЕНИЯ В СТЕПНЫХ УСЛОВИЯХ 65
Древесные растения как индикаторы состояния атмосферного воздуха в городах степной зоны 65
Видовое разнообразие эпифитных лишайников в лесных насаждениях Ростовской области 72
Глава 5. ЛИХЕОИНДИКАЦИЯ В НАСАЖДЕНИЯХ ГОРОДОВ НОВОЧЕРКАССК И РОСТОВ-НА-ДОНУ
Глава 6. ТЯЖЕЛЫЕ МЕТАЛЛЫ В ЭПИФИТНЫХ ЛИШАЙНИКАХ 115
ВЫВОДЫ 127
ПРЕДЛОЖЕНИЯ ПРОИЗВОДСТВУ 129
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 130
ПРИЛОЖЕНИЯ 152
- Цели и задачи экологического мониторинга Биоиндикация и тест-организмы для мониторинга состояния атмосферного воздуха
- Физико-географическая характеристика Ростовской области
- Программа и методика проведения исследований
Введение к работе
Актуальность темы. Чистота воздушного бассейна — существенный фактор сохранения экологического благополучия. Проведение инструментального контроля и получаемые результаты не всегда позволяют оценить истинную опасность загрязнения, прогнозировать последствия воздействия поллютантов на живые организмы. В связи с этим все большую ценность приобретают биоиндикационные методы, главное достоинство которых заключается в предоставлении интегральной оценки качества окружающей среды.
Города Ростовской области находятся в зоне действия таких загрязняющих веществ, как диоксид серы, оксид углерода, оксиды азота, углеводороды, летучие органические соединения, прочие, при общем объеме выбросов в атмосферу от стационарных источников и автотранспортных средств в 2004 году – 741,731 тыс.тонн (Экологический вестник Дона, 2005). Территория города Новочеркасска насыщена крупными промышленными предприятиями и находится под воздействием выбросов ОАО «НчГРЭС». Государственная экологическая экспертиза в своем заключении от 22.02.2000 года определила, что территория г. Новочеркасска может быть отнесена к зоне чрезвычайной экологической ситуации. Экологический мониторинг в области, и именно в Новочеркасске, проводится не регулярно, т.к. является дорогостоящим методом, требующим лабораторного оборудования. Эпифитные лишайники признаны одними из приоритетных объектов биоиндикационного мониторинга качества воздушной среды. Методы лихеноиндикации основаны на индивидуальной реакции эпифитных лишайников к действию поллютантов атмосферы (Barkman, 1958; De Sloover, Le Blank, 1968; Hawksworth, Rose, 1970; Rose, 1973; Tpacc, 1971, 1985б; Мартин, 1974; Голубкова, Малышева 1978; Нильсон, Мартин, 1984; Закутнова, 1988; Бязров, 1996; Инсаров, Инсарова, 1989; Шапиро, 1996; Пауков, 2001 и др.). Результаты лихеноиндикационных исследований предоставляют интегральную оценку степени загрязненности атмосферного воздуха за длительный промежуток времени и, таким образом, являются хорошим дополнением к санитарно-гигиенической оценке условий среды обитания.
Метод лихеноиндикации может послужить альтернативным, более экономичным методом проведения экологического мониторинга за состоянием атмосферного воздуха в городах Ростовской области по сравнению с действующей системой экологического контроля за состоянием окружающей среды, основанной на концепции предельно допустимых концентраций.
Ранее не уделялось должного внимания изучению видовой структуры эпифитной лихенофлоры как урбанизированных, так и особо охраняемых территорий Ростовской области. Не проводился биомониторинг качества атмосферного воздуха. Необходимость такого рода исследований обусловила выбор темы диссертации.
Цель и задачи исследований. Выявить растительные тест-организмы на основе исследования изменений морфологических признаков как отклика на загрязнение атмосферного воздуха в городах Новочеркасск и Ростов-на-Дону. Из поставленной цели вытекают следующие задачи:
1. выявить растительные тест-организмы для наземной биоиндикации;
2. изучить видовое разнообразие эпифитных лишайников в лесных насаждения степной зоны юга России;
3. определить методами лихеноиндикации степень загрязнения атмосферного воздуха в различных зонах;
4. установить степень накопления тяжелых металлов в эпифитных лишайниках.
Положения, выносимые на защиту:
- использование Acer platanoides L. в качестве тест-объекта загрязнения атмосферного воздуха в степной зоне юга России;
- выявленное биоразнообразие лихенофлоры включает 16 видов из 11 родов;
- виды-индикаторы: Evernia prunastri (L.)Ach., Lepraria aeruginosa (L.) Ach. и виды-биомониторы: Phаeophyscia orbicularis (Necker)Moberg, Physcia adscendens H. Olivier, Xanthoria parietina (L.)Belt..
- наибольшее накопление тяжелых металлов отмечается в талломах эпифитных лишайников; содержание тяжелых металлов и размер таллома находятся в тесной прямолинейной и экспоненциальной зависимости.
Научная новизна. Впервые для городов степной зоны Юга России (Новочеркасск, Ростов-на-Дону) проводится сравнительный анализ тест-объектов дендроиндикаторов и эпифитных лишайников; определен видовой состав эпифитной лихенофлоры в лесных массивах и городских насаждениях Ростовской области; на объектах г.Новочеркасска проводили дендроиндикационные исследования методом ФА в результате которых выявлено изменение листовой пластинки Acer platanoides L. под действием загрязняющих веществ; для проведения лихеномониторинга в городах степной зоны Юга России определены виды-индикаторы и виды-мониторы с выявлением информативных признаков (размер таллома, наличие апотециев), методами лихеноиндикации с использованием индекса загрязнения, выявлены экологические зоны с различной степенью атмосферного загрязнения.
Практическая значимость. Рассмотренные и апробированные методы могут использоваться в дальнейшем для проведения лихеноиндикационного мониторинга качества атмосферного воздуха Ростовской области. Полученные результаты позволяют обосновать выбор видов эпифитной лихенофлоры и ее количественных характеристик в качестве индикаторов атмосферного загрязнения. Результаты исследований облегчат разработку региональных шкал оценки чистоты атмосферы воздуха методами лихеномониторинга, как для Ростовской области, так и для других степных районов Юга России. Материалы исследований используются при проведении занятий по курсу «Экология». Результаты лихеноиндикационных исследований совместно с санитарно-гигиенической оценкой качества воздушной среды могут способствовать правильному принятию экологически значимых решений.
Апробация результатов исследования. Материалы диссертации докладывались на Всероссийской научно-практической конференции «Оптимизация ландшафтов зональных и нарушенных земель» (Воронеж, 2004); на региональной научно-практической конференции, посвященной 85-летию высшего лесного образования «Лесное образование и лесная наука в XXI веке» (Воронеж, 2004); на молодежной научной конференции «Актуальные проблемы экологии сельскохозяйственного производства» (Персиановский, 2004); на межвузовской научно-практической конференции «Проблемы и перспективы лесного комплекса» (Воронеж, 2005); на научно-практической межвузовской конференции аспирантов, молодых ученых и специалистов, посвящённой 85–летию высшего лесного образования в г. Новочеркасске и Юге России (Новочеркасск, 2005); на II второй научно-практической конференции «Музей-заповедник: экология и культура» (ст. Вешенская, 2006.); на научно-практической конференции, посвященной 10-летию агроэкологического и 100-летию агрономического образования на Дону «Проблемы экологии сельскохозяйственного производства» (Персиановский, 2006); на V Международной научно - практической конференции «Природноресурсный потенциал, экология и устойчивое развитие регионов России» (Пенза, 2007); на Всероссийской научно - практической конференции, посвященной 100-летию М.Д. Данилова (Йошкар-Ола, 2008).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 работ, в том числе 2 статьи в журналах из списка ВАК РФ.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 6 глав, выводов, списка литературы и приложений. Работа изложена на 165 страницах (в том числе 13 страниц приложений), содержит 28 таблиц (из них 6 в приложениях), 18 рисунков. Список литературы включает 207 источников из них 33 на иностранных языках.
Цели и задачи экологического мониторинга Биоиндикация и тест-организмы для мониторинга состояния атмосферного воздуха
Концепция здоровья среды все шире распространяется среди экологов всего мира. Это понятие становится одним из центральных и в экологической политике России, поскольку основным индикатором устойчивого развития, в конечном итоге, является качество среды обитания. Под здоровьем среды (Захаров, 1987, 1996), в самом общем смысле, понимается её состояние (качество), необходимое для обеспечения здоровья человека и других видов живых существ. Мониторинг здоровья среды включает мониторинг окружающей человека природной среды, мониторинг артепри-родной и квазиприродной среды, мониторинг антропосферы.
Биомониторинг, как составная часть мониторинга окружающей человека среды, определяется ведущими специалистами-экологами (Мониторинг...., 1978 и др.) следующим образом:
- система наблюдений, оценки и прогноза любых изменений в биоте, вызванных факторами антропогенного происхождения;
- система слежения за биологическими объектами и мониторинг с помощью биоиндикаторов
- определение состояния живых систем на всех уровынях организации и отклики на загрязнение среды)
Биомониторинг имеет свои позразделы, такие как мониторинг загрязнения биоты, мониторинг продуктивности биосферы, мониторинг фе-но- и генотипического разнообразия, мониторинг биоразнообразия, мониторинг редких и исчезающих видов. Благодаря биомониторингу имеется возможность оценить синергетический эффект или получить интегральную характеристику качества среды, находящейся под воздействием всего многообразия физических, химических и других факторов, т.к. именно живые организмы несут наибольшее количество информации об окружающей их среде обитания. Суть метода заключается в определении и анализе ответной реакции растений и мелких животных, постоянно проживающих на исследуемой местности, на условия существования. 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 гомео-статических механизмов. Под воздействием неблагоприятных условий эти механизмы могут быть повреждены, что приводит к нарушению развития.
Одним из возможных вариантов решения данной проблемы является использование в качестве дополнения методов биомониторинга: биоиндикации и биотестирования.
Способ оценки антропогенной нагрузки по реакции на нее живых организмов и их сообществ получил название биоиндикации, а сами организмы биоиндикаторов (Гелашвили, 1995).
Биоиндикация опирается на закон экологической индивидуальности видов (Фрей, 1982).
Биоиндикаторы обладают рядом свойств, позволяющих успешно применять их для решения задач экологического мониторинга. Они предоставляют интегральную оценку состояния окружающей среды, так как суммируют все без исключения биотически важные данные об окружающей среде и отображают ее состояние в целом.
1. Реагируют на кратковременные и залповые выбросы поллютантов, которые может не зарегистрировать автоматизированная система контроля с периодическим отбором проб.
2. Отражают и фиксируют скорость происходящих в окружающей среде изменений, вскрывают тенденции развития окружающей природной среды.
3. Указывают пути и места скопления в экосистеме ксенобиотиков и поллютантов и возможные пути их поступления в пищу человека.
4. Позволяют судить о степени вредности тех или иных загрязняющих веществ для живой природы и человека, дают возможность контролировать токсичность и опасность вновь синтезируемых ксенобиотиков.
5. Помогают нормировать допустимую нагрузку на экосистемы, различающиеся своей устойчивостью к антропогенному воздействию.
Следует отметить, что несмотря на вышеперечисленные преимущества существуют требования (необходимые условия), невыполнение которых накладывает ограничение на возможность использования методов биоиндикации. Необходимо помнить, что организм-биоиндикатор должен: иметь высокую численность, продолжительный жизненный цикл, широкий ареал обитания, интенсивно размножаться, иметь постоянный контакт с изучаемым антропогенным фактором, быть легким в сборе и относительно простым для идентификации видовой принадлежности. Удовлетворить в полном объеме вышеперечисленным требованиям в реальных условиях бывает достаточно сложно (Гелашвили, 1995).
Методы биотестирования, основанные на оценке действий факторов окружающей среды при помощи живых организмов (тест-объектов) в контролируемых условиях, дополняют и расширяют данные биоиндикационных исследований. Однако при всей привлекательности: возможности получения количественных оценок в контролируемых условиях, биотестирование также имеет ряд недостатков (Абакумов, Сущеня, 1991).
Существуют ограничения при попытке экстраполяции данных, полученных in situ биотестированием, в естественные условия. При разработке и стандартизации методик биотестирования практически не возможно учесть все существенные особенности жизнедеятельности организма.
Физико-географическая характеристика Ростовской области
Особенности и характер природно-климатических условий Ростовской (рис. 1) области определяются, главным образом, рельефом территории, слагаемым на севере и северо-западе из возвышенностей Донецкого выступа, на юге и востоке - южными оконечностями Донецкой гряды, на юге и востоке -Сало-Манычской грядой. Из них наибольшую площадь занимает Донской выступ, представленный в пределах Ростовской области восточными отрогами Донецкого кряжа, в настоящее время разрушенными и превращенными под воздействием экзогенных факторов в возвышенную равнину с пологими холмами (Физическая география Нижнего Дона, 1971). Рельеф области в основном равнинный. Возвышенности простираются субобширно. По линии Донецкий кряж - Сало-Манычская гряда область делится на две части. Северная часть, более возвышенная, сильно изрезанная речными долинами, балками и оврагами и наклонена с севера на юг. Эта часть наиболее удалена от Азовского и Черного морей и открыта для широтного переноса воздушных масс.
Южнее этих возвышенностей степные равнины имеют характер низменности с мягким волнистым рельефом и уклоном к Азовскому морю. По линии Песчанокопское-Целина-Болыпая Мартыновка они делятся на две части: западную, наиболее доступную для черноморских воздушных масс, и восточную, наиболее открытую для восточных и юго-восточных ветров, которая сильно нагревается и в теплую часть года. Для нее характерны значительные колебания температуры, более быстрое нарастание температуры весной и охлаждение осенью. В холодную часть года эта территория отличается более низкими температурами, более поздними весенними и более ранними осенними заморозками (Природные ресурсы Ростовской области, 2002).
Почвы. В пределах Ростовской области преобладают черноземы и каштановые почвы. Кроме этих почв, широко распространены солонцы, по долинам рек луговые почвы, солончаки и солоди.
Основные почвы Ростовской области по площади своего распространения распределяются следующим образом: обыкновенные черноземы - 3,0%; южные черноземы - 37,8%, североприазовские черноземы - 6,7%; предкавказские черноземы - 16,7%; каштановые - 20,8%; луговые и лугово-болотные - 7,7%; пески - 1,5%. Материнской породой почв преимущественно служат лёссовидные суглинки, богатые углекислой известью. Этим объясняется присутствие в большом количестве в почвах кальция, который обладает ценным свойством: он закрепляет гумус и предохраняет его от вымывания. Поэтому черноземы Ростовской области имеют достаточно прочную зернистую структуру, благоприятную для водного и воздушного режима почвы (Вальков, 1977).
Сухая степь с каштановыми почвами в бассейне Дона приурочена к южным районам. Это, главным образом, Доно-Сало-Манычская равнина, частично, Приволжская возвышенность и Ергени.
Процесс почвообразования в сухой степи связан с непромывным водным режимом, т.е. количество влаги, получаемое почвой с дождями и снегом, равно ее расходу на испарение, в том числе и через листья - транс-пирацию. Сквозного промачивания почвы здесь нет. Поскольку каштановые почвы не промываются атмосферной влагой, то все соли, образовавшиеся в процессе выветривания и почвообразования, оказываются замкнутыми в почвенном профиле, не вымытыми осадками в его самую нижнюю часть. Недостаточное увлажнение приводит к меньшему развитию биомассы, чем в зоне черноземов. Характерна прерывистость почвообразования, полное его прекращение в зимний период и в сухое летнее время. Поэтому в каштановых почвах образуется небольшой по мощности (35 - 55 см) гумусовый горизонт с невысоким содержанием гумуса (1,5 - 3,5%) (Захаров, 1946).
Интразональные почвы в бассейне Дона представлены засоленными почвами, солончаками, солонцами и солодями. На Дону наиболее распространены солончаки типичные, луговые и болотные. На типичных солончаках растительность либо отсутствует, либо крайне изрежена и представлена различными видами солянок. В профиле отчетливо выражен только самый верхний (5-10 см) горизонт с обильным выделением солей. Отсутствие растительности не создает условий для гумусонакопления (Сафро-нов, 1986).
Программа и методика проведения исследований
В нашей работе мы акцентируем внимание на мониторинге загрязнения атмосферного воздуха через изучение морфологических изменений растений под воздействием поллютантов и исследование методом флуктуирующей асимметрии.
Исследования по биоиндикации проводились на различном удалении от источников загрязнения. В качестве основных источников загрязнения нами приняты предприятия топливно-энергетической промышленности (Новочеркасская ГРЭС-рис.3.1, Ростовская ТЭЦ -1 и ТЭЦ -2). Загрязняющие вещества от них распространяются в направлении жилых районов, согласно данным по преобладающим ветрам восточных и юго-восточных направлений. Были поставлены следующие программные вопросы:
- обследование современного состояния зеленых насаждений;
- выявление тест-организмов для биоиндикации атмосферного загрязнения в степных условиях;
- исследование индикационных признаков местной лихенофлоры.
Для исследований были выбраны зеленые насаждения искусственного происхождения на определенном удалении от источников загрязнения. В качестве контроля были подобраны насаждения в ФГУ «Учебно-опытное лесное хозяйство Донское» (далее именуемое Донлесхоз), находящиеся в Красносулинском районе, вне зоны влияния источников загрязнения. В насаждениях закладывались пробные площади, на которых проводилось таксационное описание по общепринятым методикам с измерением 150-200 деревьев (Анучин, 1977) и вычислением показателей: средняя высота, средний диаметр, возраст, количество стволов на 1 га, суммы площадей сечения, запас, прирост. В небольших скверах и парках делался полный перечет всех деревьев. Главным объектом биомониторинга является состояние живого организма. Состояние природных популяций билатерально симметричных организмов оценивается на основе анализа флуктуирующей асимметрии, характеризующей мелкие ненаправленные нарушения гомеостаза и являющейся ответом организма на состояние окружающей среды(3айцев, 1990; Захаров, 1987; Песенко,1982).
Используемые для целей экомониторинга виды-биоиндикаторы должны отвечать следующим требованиям: иметь широкое распространение по всей обследуемой территории; должны являться массовыми видами; быть удобными для сбора; быть удобными для обработки и хранения; иметь четкие и удобно читаемые изменяющиеся признаки удобные для замеров в практической работе. Настоящая методика основана на выявлении, учете и сравнительном анализе асимметрии у разных видов живых организмов по определенным признакам.
Показатели флуктуирующей асимметрии у организмов, живущих в оптимальных условиях сходны между собой. Разные виды организмов реагируют на ухудшение условий существования повышением величины флуктуирующей асимметрии. Величина показателей флуктуирующей асимметрии не зависит от полового и возрастного состава выборок исследуемых живых организмов, от их популяционных различий.
Каждая выборка включала в себя 100 листьев (по 10 листьев с 10 растений). Листья с одного растения хранятся отдельно, для того, чтобы в дальнейшем можно было проанализировать полученные результаты индивидуально для каждой особи (собранные с одного дерева листья связывают за черешки). Все листья, собранные для одной выборки, гербаризировались, на этикетке указывали номер выборки, место и дату сбора.
При выборе деревьев учитывались, во-первых, четкость определения принадлежности растения к исследуемому виду, во-вторых, листья собраны с растений, находящихся в сходных экологических условиях (уровень освещенности, увлажнения и т.д.); в-третьих, при сборе материала было учтено возрастное состояние деревьев. Для исследования выбирались деревья, достигшие генеративного возрастного состояния.
Сбор листьев с растения проводили после остановки роста листьев (с июня) из нижней части кроны дерева с максимального количества доступных веток равномерно вокруг дерева. Размер листьев должен был быть средним для данного растения. С растения собирали несколько больше листьев, чем требуется, на тот случай, если часть листьев из-за повреждений не сможет быть использована для анализа.
Измерение морфологических показателей проводили с помощью штангенциркуля у 100 листьев. Показатели для измерения: длина первой жилки слева; длина первой жилки справа; длина второй жилки слева; длина второй жилки справа, угол между первой и второй жилками слева; угол между первой и второй жилками слева.
При оценке флуктуирующей асимметрии в группе особей задача сводится к определению величины среднего различия между сторонами. При этом различия учитываются по абсолютной величине, вне зависимости от того, на какой стороне значение признака оказывается выше у отдельной особи. Для разных групп особей используется суммарная величина абсолютных различий между сторонами (d/_,) при стандартном числе особей. Для оценки флуктуирующей асимметрии использовали величину дисперсии различий между сторонами не от нуля, (т. е. строгой асимметрии), а от некоторого среднего различия между сторонами (МД имеющего место в рассматриваемой выборке особей:
