Фитоиндикация состояния окружающей среды в городе Заволжье

1.2 Особенности  использования растений в качестве  биоиндикаторов

     С помощью растений можно проводить  биоиндикацию всех природных сред. Индикаторные растения используются при  оценке механического и кислотного состава почв, их плодородия. Увлажнения и засоления, степени минерализации  грунтовых вод и степени загрязнения  атмосферного воздуха газообразными  соединениями, а также при выявлении  трофических свойств водоемов и степени их загрязнения поллютантами. Например, на содержание в почве свинца указывают виды овсяницы; цинка – виды фиалки, ярутки; меди и кобальта – смолевки, многие злаки и мхи.

     Чувствительные  фитоиндикаторы указывают на присутствие  загрязняющего вещества в воздухе  или почве ранними морфологическими реакциями – изменением окраски  листьев (появление хлорозов; желтая, бурая или бронзовая окраска), различной формы некрозами, преждевременным  увяданием и опадением листвы. У многолетних растений загрязняющие вещества вызывают изменение размеров, формы, количества органов, направление  роста побегов или изменение  плодовитости. Подобные реакции обычно неспецифичны [1].

     Некоторые естественные факторы могут вызывать симптомы, сходные с антропогенными нарушениями. Так, например, хлороз листьев  может быть вызван недостатком железа в почве или ранним заморозком. Поэтому при определение морфологических  изменений у растений необходимо учитывать возможность действия других повреждающих факторов.[11]

     Индикаторы  другого типа представляют собой  растения-аккумуляторы. Они накапливают  в своих тканях загрязняющее вещество или вредные продукты метаболизма, образуемые под воздействием загрязняющих веществ, без видимых изменений. При превышении порога токсичности  ядовитого вещества для данного  вида проявляются различные ответные реакции, выражающиеся в изменении  скорости роста и длительности фенологических фаз, биометрических показателей и, в конечном счете, снижение продуктивности.

     Получить  точные количественные данные о динамике и величине стрессовых воздействий  на основе морфологических изменений  невозможно, но можно довольно точно  определить величину потерь продукции  и, имея график зависимости «доза  – эффект», рассчитать величину стрессового  воздействия.[13]

     Б. В. Виноградов классифицировал индикаторные признаки растений как флористические, физиологические, морфологические  и фитоценотические. Флористическими  признаками являются различия состава  растительности изучаемых участков, сформировавшихся вследствие определенных экологических условий. Индикаторное значение имеет как присутствие, так и отсутствие вида. К физиологическим  признакам относятся особенности  обмена веществ растений, к анатомо-морфологическим  признакам – особенности внутреннего  и внешнего строения, различного рода аномалий развития и новообразования, к фитоценотическим признакам –  особенности структуры растительного  покрова: обилие и рассеянность видов  растений, ярусность, мозаичность, степень  сомкнутости [12].

     Очень часто в целях биоиндикации используются различные аномалии роста и развития растения – отклонение от общих  закономерностей. Гигантизм и карликовость многие исследователи считают уродствами. Например, избыток в почве меди вдвое уменьшает размеры калифорнийского  мака, а избыток свинца приводит к карликовости смолевки. В целях  биоиндикации представляют интерес  различные деформации растений.

1. фасциация – лентовидное уплощение и сращение стеблей, корней и цветоносов;
2. махровость цветков, в которых тычинки превращаются в лепестки;
3. пролификация – прорастание цветков и соцветий;
4. асцидия – воронковидные, чащевидные и трубчатые листья у растений с пластинчатыми листьями;
5. редукция – обратное развитие органов растений, вырождение;
6. нитевидность – нитчатая форма листовой пластинки;
7. филлодий тычинок – превращение их в плоское листовидное образование [18].

      Установлено, что биоиндикаторы имеют ряд  преимуществ перед химическими  методами оценки состояния окружающей среды, а именно:

        а) они суммируют влияние всех  без исключения биологически  важных воздействий и отражают  состояние окружающей среды в  целом, включая ее загрязнение  и другие антропогенные загрязнения; 

      б) в условиях хронических антропогенных  нагрузок биоиндикаторы могут реагировать  даже на относительно слабые воздействия  вследствие кумулятивного эффекта;

      в) делают необязательным применение дорогостоящих  и трудоемких физических и химических методов для измерения биологических  параметров;

      г) живые организмы постоянно присутствуют в окружающей человека среде и  реагируют на кратковременные и  залповые выбросы токсикантов, которые  можно не зарегистрировать при помощи автоматической системы контроля с  периодичным отбором проб на анализы;

      д) указывают пути и места скоплений  в экологических системах различного рода загрязнений и ядов, возможные  пути их попадания в пищу человека;

      е) позволяют судить о степени вредности  любых синтезируемых человеком  веществ для живой природы  и для него самого, причем дают возможность  контролировать их действие;

      ж) помогают нормировать допустимую нагрузку на экосистемы, различающиеся по своей  устойчивости к антропогенному воздействию, так как одинаковый состав и объем  загрязнений может привести к  различным реакциям природных систем в разных географических зонах [12]. 

     1.3 Морфологические изменения растений, используемые в биоиндикации

1. Изменение окраски листьев (неспецифическая, реже специфическая, реакция на различные поллютанты):

• Хлороз – бледная окраска листьев между жилками. Отмечали при избытке в почве тяжелых металлов и при газодымовом загрязнении воздуха.

• Пожелтение участков листьев. Характерно для лиственных деревьев при засолении почвы хлоридами.
• Покраснение, связанное с накоплением антоциана. Возникает под действием сернистого газа.
• Побурение или побронзовение. Часто означает начальную стадию некротических повреждений.
• Листья как бы пропитаны водой (как при морозных повреждениях). Возникает под действием ряда окислителей, например пероксиацетилнитрата.
• Серебристая окраска листьев. Возникает под действием озона на листьях табака.[8]

2. Некрозы – отмирание участков ткани листа, их форма иногда специфична.

• Точечные и пятнистые. Серебристые пятна на листьях табака сорта Bel W3 возникают под действием озона.
• Межжилковые – некроз тканей между боковыми жилками 1 порядка. Часто отмечаются при воздействии сернистого газа.
• Краевые. На листьях липы под влиянием соли (хлорида натрия), который зимой посыпают улицы для таяния льда.
• «Рыбий скелет» – сочетание межжилковых краевых некрозов.
• Верхушечные некрозы. У однодольных покрытосемянных и хвойных растений. Например, хвоинки пихты и сосны после действия сернистого газа становятся на вершине бурыми, верхушки листьев гладиолусов после окуривания фтористым водородом становятся белыми.

     3. Преждевременное увядание. Под действием  этилена в теплицах не раскрываются  цветки у гвоздики, увядают лепестки  орхидей. Сернистый газ вызывает  обратимое увядание листьев малины.

     4. Дефолиация – опадание листвы. Обычно наблюдается после некрозов  и хлорозов. Например, осыпание хвои  у ели и сосны при газодымовом  загрязнении воздуха, листьев  лип и конских каштанов –  от соли для таяния льда, крыжовника  и смородины – под действием  сернистого газа.

     5. Изменение размеров органов обычно  неспецифичны. Например, хвоя сосны  вблизи заводов удобрений удлиняется  от нитратов и укорачивается  от сернистого газа. У ягодных  кустарников дым вызывает уменьшение  размеров листьев.

     6. Изменение формы, количества и  положения органов. Аномальную  форму листьев отмечали после  радиоактивно облучения. В результате  локальных некрозов возникает  вздувание или искривление листьев,  сращение или расщепление отдельных  органов, увеличение или уменьшение  частей цветка.

     7. Изменение жизненной формы растения. Кустовидная или подушечная форма  роста свойственна деревьям, особенно  липе, при сильном устойчивом  загрязнении воздуха (HCI, SO2).

     8. изменение жизненности. В присутствии  многих поллютантов бонитет деревьев  понижается от 1–2 класса до 4–5. Обычно это сопровождается изреживанием  кроны и уменьшением прироста. Изменения прироста неспецифичны, но широко применяются, так  как чувствительнее, чем некрозы.  Измеряются радиальный прирост  в длину побегов и листьев,  корней, диаметр таллома лишайника.

     9. Изменение плодовитости. Обнаружено  у многих растений. Например, при  действии поллютантов уменьшается  образование плодовых тел у  грибов, снижается продуктивность  у черники и ели. Некоторые  виды лишайников не образуют  плодовых тел в сильно загрязненном  воздухе, но способны размножаться  вегетативно.[4] 

1.4  Методика  определения площади листовой  пластины древесных растений  в загрязненной и чистой зонах  города

        Существует несколько способов  измерения площади листьев. По  методике М.С. Миллера – это  весовой метод, при помощи светочувствительной  бумаги, подсчета квадратиков на  миллиметровой бумаге. Модификацией  данного метода является разработка  Л.В. Дорогань, где предварительно  для древесной породы определяется  переводной коэффициент, а затем,  путем измерение длинны и ширины  производят массовые вычисления  листьев. Это значительно ускоряет  работу при больших выборках.[6]

        Преимущество этой методики в  том, что: 

• Древесные растения распространены повсеместно (посадки, озеленение).
• В черте города преимущественно растут деревья, которые  являются  видами - индикаторами.
• Методика проведения исследований достаточно проста.
• Позволяет получить легко обрабатываемые и показательные данные.

      Этот  метод: 
          а) интегрален  т.к. в качестве рабочих индикаторов используются живые организмы, которые суммирует воздействия ВСЕХ, действующих на данной территории факторов; 
          б) надежен и показателен изучает реакции непосредственно живых организмов на состояние окружающей среды; 
          в) нагляден, удобен и универсален конечным результатом являются компьютерные базы данных и картографические материалы, совместимые со стандартными ГИС-системами;  
          г) прост в применении, экспрессен и дешев вследствие максимальной простоты методик и используемого оборудования. Оценка экологического качества среды методом биоиндикации примерно на два порядка дешевле, чем проведение хим. анализов.

      Все вышесказанное делает применяемый  метод, пожалуй, единственным РЕАЛЬНО  ДОСТУПНЫМ и осуществимым в условиях современной экономики.

      Наиболее  чувствительным органом древесных  растений является зеленый лист растения. Хорошими биоиндикаторами в городе являются листья деревьев с хорошими поглотительными качествами - деревья  «санитары»: липа мелколистная, ясень, сирень, тополь, береза. Существует несколько способов измерения площади листьев. Воспользуемся способом, где, зная длину и ширину листа, находят переводной коэффициент.

      Установление  переводного коэффициента основано на сравнении массы квадрата бумаги с массой листа, имеющего такую же длину и ширину. Для этого берут  бумагу (в клеточку) и очерчивают квадрат, равный длине и ширине, а  затем аккуратно обрисовывают его  контур. Вычисляют площадь квадрата бумаги, вырезают и взвешивают его, затем вырезают контур листа и  так же взвешивают.

    Рис. 1 Определение массы квадрата и  листа 
 

    Из  полученных данных вычисляют переводной коэффициент по формулам 1 и 2. 
 

    Где:

K – Переводной коэффициент

S – Площадь листа (л), или квадрата бумаги (кв).

P – Масса квадрата бумаги, или листа

    Вычисление  коэффициента производится на основании  средних  факторов (8- 9 листьев). Таким  же расчетом он устанавливается отдельно для каждого вида растений.