Введение к работе
Актуальность темы. Кольский полуостров является одним из наиболее индустриально развитых регионов Северо-Запада России. Экологическую ситуацию в регионе определяет концентрация крупнейших предприятий горнодобывающей промышленности и цветной металлургии, производственная деятельность которых в течение нескольких десятилетий привела к негативным последствиям для природных экосистем. Основным источником техногенного загрязнения окружающей среды в центральной части полуострова является крупнейший в Европе комбинат цветной металлургии ОАО «Комбинат «Североникель» (г. Мончегорск).
Для оценки антропогенного воздействия с 60-х годов ХХ века начали использовать методы фитоиндикации (Крючков, 1976; Голубева, 1999; Черненькова, 2002). Накоплен большой фактический материал мониторинга техногенной среды с использованием различных критериев, таких как интенсивность физиологических процессов, уровень роста и развития морфологических и анатомических структур растений. Вокруг медно-никелевых комбинатов «Североникель» и «Печенганикель» проводится регулярный мониторинг состояния наземных экосистем, растительных популяций и сообществ, их продукционных характеристик (Крючков, 1982; Лукина, Никонов, 1996, 1998; Мазная, 2003; Kozlov, Zvereva, 2001, 2004). В то же время работы по изучению техногенного воздействия на динамику роста, развития и анатомическую структуру растений немногочисленны. В связи с этим, изучение онтогенетических реакций Betula czerepanovii в условиях загрязнения среды тяжелыми металлами, является актуальным, поскольку позволяет выявить ответные реакции организма на техногенный стресс.
Цель исследования: изучение динамики процессов роста и развития Betula czerepanovii в условиях техногенного загрязнения комбината «Североникель».
Задачи исследования:
-
Изучить влияние техногенного загрязнения на динамику роста побегов и листьев, анатомическую структуру листа B. czerepanovii.
-
Изучить влияние тяжелых металлов на процессы вегетативного развития B. czerepanovii.
-
Изучить влияние тяжелых металлов на репродуктивное развитие B. czerepanovii и жизнеспособность семян.
Научная новизна. Впервые проведены исследования динамики морфометрических параметров B. czerepanovii в окрестностях комбината «Североникель». Выявлены онтогенетические реакции процессов роста на увеличение содержания тяжелых металлов в почве по градиенту загрязнения в начале вегетационного сезона. Впервые изучена анатомическая структура листа B. czerepanovii в условиях техногенного загрязнения медно-никелевых производств. Показано, что ионы никеля и меди вызывают более значительную модификацию палисадных клеток мезофилла B. czerepanovii, выражающуюся в их удлинении, уменьшении диаметра, увеличении индекса палисадности, усилении периклинальных делений. В меньшей степени изменяется величина губчатых клеток. Впервые исследованы динамика числа листьев на побеге, скорость их развертывания, органогенез почек B. czerepanovii. Установлено, что техногенное загрязнение ингибирует развитие листьев и скорость их развертывания на побеге текущего года в первые дни вегетации в окрестностях комбината, но не влияет на процессы дифференциации апикальных меристем и число листьев в почках. Получены новые данные по репродуктивному развитию березы, произрастающей в окрестностях комбината. Выявлено, что по градиенту загрязнения ионами никеля и меди отмечается усиление нестабильности репродуктивного развития B. czerepanovii, что выражается в появлении особей, продуцирующих аномально большое число только пестичных или тычиночных соцветий, а также особей, полностью утративших репродуктивную функцию. Эксперименты показали, что растения, выращенные из семян B. czerepanovii техногенной пустоши и редколесья нежизнеспособны, у них выявлены замедление развития, хлороз и пожелтение листьев, ранняя дефолиация, наличие большой доли тератов, что связано с низкой жизнеспособностью семян, сформированных в условиях высокой концентрации никеля и меди в техногенной среде.
Практическая значимость. Результаты исследований могут быть использованы для оценки состояния популяции B. czerepanovii в окрестностях комбината «Североникель», разработки системы мероприятий по восстановлению техногенных пустошей и проведения биомониторинга лесных сообществ. Данные по стабильности развития популяции B. czerepanovii на основании индекса флуктуирующей асимметрии в окрестностях комбината «Североникель» могут быть использованы для оценки состояния природной среды и организации мониторинговых исследований на территории г. Мончегорска. Результаты исследований могут быть использованы в курсах лекций «Экология», «Биомониторинг окружающей среды» для студентов биологических и экологических специальностей университетов.
Апробация работы. Основные положения работы были представлены на 10 научных конференциях различного уровня, включая пять международных конференций: «Экологические проблемы северных регионов и пути их решения» (Апатиты, 2004), «Устойчивость экосистем и проблема сохранения биоразнообразия на Севере» (Кировск, 2006), «Экологическое образование и экологическая наука для устойчивого развития» (Архангельск, 2007), «Сохранение биологического разнообразия наземных и морских экосистем в условиях высоких широт» (Мурманск, 2009), «Промышленная ботаника: состояние и перспективы развития» (Донецк, 2010); две всероссийские конференции с международным участием: «Проблемы региональной экологии в условиях устойчивого развития» (Киров, 2007), «Экологические проблемы промышленных городов» (Саратов, 2011); две всероссийские конференции: «Ботанические проблемы регионального природопользования» (Рязань, 2001), «Принципы и способы сохранения биоразнообразия» (Пущино, 2008); научно-практическую конференцию студентов и аспирантов «Естественнонаучные проблемы арктического региона» (Мурманск, 2003).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 15 работ, в том числе две статьи в журналах, рекомендованных ВАК РФ.
Организация, объем исследований и личный вклад автора. Работа выполнена на кафедре биологии и химии Мурманского государственного гуманитарного университета в 2006–2011 гг. Все полевые работы, обработка, обобщение и анализ материалов исследований проведены автором.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, выводов, списка литературы (344 источника, в том числе 80 на иностранных языках) и приложения. Работа изложена на 172 страницах, содержит 11 таблиц и 49 рисунков.
Благодарности. Автор выражает глубокую благодарность своему научному руководителю — д-ру биол. наук, профессору кафедры биологии и химии МГГУ Н. В. Василевской за разностороннюю помощь и постоянную поддержку, советы и конструктивные замечания при подготовке диссертационной работы. Искренне признательна всем сотрудникам кафедры биологии и химии МГГУ за доброжелательное отношение и участие. Выражаю признательность заслуженному учителю Российской Федерации К. Н. Сорбалэ, научному сотруднику Лапландского государственного биосферного заповедника Н. В. Зануздаевой. Благодарю зав. лаборатории наземных экосистем Института проблем промышленной экологии Севера, к.б.н. Л. Г. Исаеву за помощь при проведении исследований. Благодарю членов моей семьи за поддержку на всех этапах исследований.
