Биоиндикация парковых экосистем г. Киева по реакции пыльцы Taraxacum officinale Wigg

Высокий уровень загрязнения атмосферного воздуха в г. Киеве как одно из последствий урбанизации представляет угрозу здоровью населения и окружающей природной среде (далее ОПС). Аэротехногенное загрязнение города обусловлено выбросами стационарных (промышленные предприятия, ТЭЦ) и передвижных источников (речной и автотранспорт, авиационная техника). Объемы выбросов аэрополлютантов от стационарных и передвижных источников свидетельствуют о ежегодном росте вредных выбросов в атмосферу [10]. По этой причине мониторинг ОПС проводится прежде всего с целью контроля антропогенного влияния на биосферу [15, 18]. Биоиндикация, как элемент мониторинга, занимается проблемой оценивания экологических факторов или экосистем, их состояния и изменений по биотическим признакам. Наиболее чувствительными к изменениям окружающей среды являются растения-биоиндикаторы, которым свойственна резко выраженная приспособ- ляемость к определённым условиям ОПС, с их помощью можно качественно оценивать условия внешней среды [4]. Одним из наиболее перспективных и доступных подходов в определении состояния окружающей среды рассматривается изменение репродуктивных структур растений (пыльцы), которые проявляют значительную чувствительность к загрязнителям [8].

Серия зарубежных и отечественных публикаций, которые свидетельствуют о возможности использования палиноиндикации как единицы системы мониторинга состояния окружающей среды. На примере нескольких мест СевероЗападного региона Европейской части России О. Дзюба продемонстрировала, что характер патологий пыльцевых зёрен у 36 видов покрытосеменных растений, это – следствие загрязнения ОПС [6]. В своих работах Т. Чипиляк, Р. Матя-шук, М. Мазура рассматривают возможность использования цветочно-декоративных культур ( Hemerocallis L., Canna L.) для определения влияния поллютантов на генеративные органы растений [9, 19]. Изменения размеров пыльцевых зерен используется как один из показателей адаптации растений семейства Brassicaceae к техногенным условиям среды [1]. В связи с этим пыльцу растений можно использовать в научных и экспериментах исследованиях в качестве биомаркеров к негативному воздействию различных поллютантов по их гаметоцидному действию. В Украине работы, в которых пыльцу Taraxacum officinale используют как объект исследования единичны. Например, А. Дычко, Т. Демьяненко классифицировали урбосистемы г. Черкасы по реакции пыльцы T. officinale [7]. В своих исследованиях Н. Хомич усовершенствовала тест «Стерильность пыльцы растений-биоиндикаторов» на примере T. officinale [18]. Приведенный краткий анализ литературы свидетельствует, что одним из приоритетных и доступных подходов в биологической индикации окружающей среды является характер изменения репродуктивных структур растений под влиянием загрязнения разного уровня.

В нашей работе для биоиндикационной оценки состояния парковых экосистем г. Киев, объектом выбрали показатели чувствительности пыльцы Taraxacum officinale к уровню антропогенной нагрузки.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Для исследований были взяты тест-полигоны в трёх административных районах города Киева, которые отличались между собой по уровню загрязнения атмосферного воздуха, водных объектов, насыщенностью территории города улично-дорожной сетью и т.п. [10]. Голосеевский район расположен на окраине города и граничит с его «зеленым поясом» лесопарков, индекс антропогенной нагрузки (Jан) составляет 1,66, Risk-оценка (0,84), экологическая ситуация в районе характеризуется как очень хорошая, в парке памятка садово-паркового искусства «Фе-офания» (далее ППСПИ «Феофания») – контроль, выбран тест-полигон № 1, который расположен от автодороги на расстоянии около 1000 метров. Хорошая экологическая ситуация по числовым значениям индекса (Jан – 3,64) и Risk-оценка (4,70) в Дарницком районе, который расположен на левом берегу реки Днепр, в парке Победы находится тест-полигон № 2, расстояние от автодороги составляет приблизительно 80 метров. Самыми неблагоприятным являются центральные районы города, к ним относится Шевченковский в нем расположено 71 предприятие, он занимает первое место по количеству твердых бытовых отходов и является густонаселенным [12, 16]. Показатели антропогенной нагрузки самые высокие в Киеве: (Jан – 12,82) и Risk-оценка (32,70), экологическая ситуация характеризуется как плохая, в урочище Бабин Яр выбран тест-полигоном № 3, который находится в 5-6 метрах от центральной дороги (рис.).

Для исследования пыльцу Т. officinale отбирали (на стадии массового цветения) и переносили в каплю йодного раствора. Учитывая, что фертильные и стерильные клетки пыльцы растений отличаются по содержанию крахмала, качество пыльцы определяли йодным методом (окраска по Граму) [14], лабораторные иследования проводили с помощью микроскопа Nikon ECLIPSE E100.

Стерильность пыльцы рассчитывали по формуле 1:

G

М = —X 100%

Коэффициент стерильности, который опреде- ляет, во сколько раз частота индуцированного уровня стерильности превышает уровень спонтанной стерильности в контроле, рассчитывали по формуле 2:

Срд тг         г**

Ксп

Lk

где: Ксп – коэффициент стерильности пыльцы; Срд – стерильность пыльцы в районе исследования; Ск – стерильность пыльцы на контрольной территории.

Коэффициент чувствительности пыльцы Т. officinale определяли по формуле 3:

Кчп = Ф/С           (3)

где: Кчп – коэффициент чувствительности пыльцы; Ф – фертильные пыльцевые зерна, С – стерильные пыльцевые зерна на тест-полигоне.

Палинотоксичность загрязнителей окружающей среды с использованием репродуктивной системы растений определяли по формуле 4:

Фо — Фх

ПЭ =100 —"— — *            (4),

Фо где: ПЭ – палинотоксичний эффект, Фо – показатель величины спонтанной фертильности пыльцы растений контрольной зоны, Фх – показатель величины индуцированной фертильности растений, растущих в фитотоксичной среде [13].

Проводили ранжирование тест-полигонов по классификации ЕС 10-90 : инициальное (слаботоксичное), эффективное (среднетоксичное) и сублетальное (высокотоксичное), содержание токсических концентраций загрязнителей в изученных районах – соответственно ЕС 10 , ЕС 50 , ЕС 90 , при которых наблюдалось ингибирование продукции фертильной пыльцы исследованных растений 10, 50 и 90% по сравнению с контролем, по полученным результатам сделан вывод о степени загрязнения парковых экосистем Киева [13].

1                                       2                                      3

Рис. Тест-полигоны г. Киев: 1. Урочище Бабин Яр (Шевченковский район);

2. ППСПИ «Феофания» (Голосеевский район); 3. Парк Победы (Дарницкий район) Примечание : желтым цветом отмечены тест-полигоны сбора пыльцы Taraxacum officinale .

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

На основании проведенной оценки экологической ситуации в административных районах Киева, с помощью расчета интегрального индекса антропогенной нагрузки и риск-оценки Н. Ми-рошник и И. Тесленко проведено экологическое зонирование районов города по степени экологического неблагополучия [10]. Сейчас целесообразно использовать скрининг палинотоксическо-го эффекта на ряду с традиционными методами. Результаты исследования показали, что между популяциями T. officinale, произрастающими в зонах с различным уровнем загрязнения, установлены отличия в продукции стерильной пыльцы. Изучение реакции мужской генеративной системы на повышение уровня загрязнения позволило прийти к заключению, что продукция стерильных пыльцевых зерен T. officinale была разной. Так, в урочище Бабин Яр Шевченковско- го района с плохой экологической ситуацией, зафиксирован самый высокий уровень абортив-ности пыльцевых зёрен – 26,9%, что в 2,3 раза больше чем в контроле. В Дарницком районе, который имеет хорошую экологическую ситуацию (парк Победы), процент безкрохмальных пыльцевых зёрен превышал контроль в 1,7 раз (таблица). Данный факт позволил прийти к выводу, что мужская генеративная система T. officinale палиночувствительная к высокому уровню загрязнения, что проявляется в изменении показателя продукции абортивной пыльцы по мере увеличения загрязнения парковых экосистем Киева.

Подобные изменения, а именно, увеличение уровня стерильности пыльцы T. officinale на градиенте аэротехногенного загрязнения в своих работах наблюдали В. Гришко, И. Комарова, Т. Морозова, В. Хрутьба, О. Кобзиста [5, 11].

Таблица

Показатели чувствительности пыльцы Тaraxacum officinale Wigg. в парковых экосистемах Киева

Название района	Тест-полигон	Показатели чувствительности пыльцы
		Кол-во пыльцы, шт	СП, %	ФП, %	Кчп	Ксп	ПЭ, %	Уровень загрязнения
Голосеевский	ППСПИ «Фео-фания»	2035	11,5	88,5	7,66	–	–	условный контроль
Дарницкий	Парк Победы	1589	19,6	80,4	3,62	1,37	30,8	инициальный
Шевченковский	Урочище Бабин Яр	1396	26,9	73,1	2,83	1,64	45,2	эффективный

Примечание: СП, % – стерильные пыльцевые зёрна, ФП, % – фертильные пыльцевые зёрна, Кчп – коэффициент чувствительности пыльцы, Ксп – коэффициент стерильности пыльцы, ПЭ, % – палинотоксический эффект.

В нашем исследовании установлено, что у популяций T. officinale , произрастающих в административных районах Киева с разным уровнем антропогенного воздействия, отмечено увеличение продукции стерильной пыльцы. Расчет коэффициента стерильности пыльцевых зёрен (Ксп) T. officinale выявил различие в продукции стерильных мужских гамет между тест-полигонами № 2 и № 3. В Шевченковском районе, который по показателям антропогенной нагрузки (Jан – 12,82) и по (Risk-оценка – 32,70) характеризуется как плохой по экологической ситуации, показатель стерильности пыльцы составляет 1,64 (тест-полигон № 3). А на тест-полигоне № 2 Дарницкого района с хорошей экологической ситуацией, где (Jан – 3,64) и (Risk-оценка – 4,70) этот коэффициент – 1,37 (табл.). Полученные данные позволили сделать заключение, что растения, которые изменяют продукцию абортивной пыльцы по мере увеличения загрязнения окружающей среды, являются чувствительными и могут быть рекомендованы как фитоиндикаторы при биоиндикационной оценке парков мегаполиса.

По отношению фертильных пыльцевых зерен к стерильным (Кчп) T. officinale на разных тест-полигонах наблюдалась определённая реакция пыльцы на уровень антропогенной нагрузки. Наивысший показатель коэффициента чувствительности 7,66 был отмечен в экологически благоприятных условиях Голосеевский район ППСПИ «Феофания» (контроль). В самом загрязненном Шевченковском районе Киева на тест-полигоне № 3 в урочище Бабин Яр этот показатель снизился в 2,7 раз по сравнению с контролем. Тенденция уменьшения в 2,1 раз этого коэффициента по отношению к контролю наблюдается и в Дарницком районе на тест-полигоне № 2 в парке Победы. Отмечена высокая чувствительность генеративных структур T. officinale по отношению к контролю, а между экспериментальными тест-полигонами (Кчп) незначительно отличаются, на тест-полигоне № 2 в парке Победы этот показатель в 1,2 раза больше, чем в урочище Бабин Яр.

При анализе полученных данных было проведено ранжирование исследованных районов Киева в соответствии с классификацией ЕС 10-90 . Установлено, что на тест-полигоне в парке Победы (Дарницкий район) токсиканты проявляли слаботоксичное действие на гаметогенез (ПЭ – 30,8%), что подтверждалось производством определённого уровня стерильности пыльцы генеративными органами T. officinale. На тест-полигоне № 3 в урочище Бабин Яр (Шевченковский район) имело место эффективного (среднетоксичного) действия поллютантов на органы мужской репродукции, показатель палинотокси-ческого эффекта составил 45,2%. Полученные данные позволяют прийти к выводу, что в районах с повышенной антропогенной нагрузкой загрязняющие вещества оказывают эффективное действие на гаметогенез растений T. officinale .

Анализ данных расчета ряда предложенных коэффициентов, по которым оценивают чувствительность мужского гаметофита T. officinale , свидетельствуют, что в условиях с разным уровнем антропогенного воздействия в парковых экосистемах Киева целесообразнее использовать индекс стерильности и палинотоксического эффекта, как более информативные. Эти показатели изменяются пропорционально с уровнем загрязнения окружающей среды. Тогда как для коэффициента чувствительности не всегда отмечается четкое разграничение к интенсивности антропогенной нагрузки. Подобное заключение сделали И. Комарова и В. Гришко, о том, что более показательными индексами для проведения биоиндикации с использованием T. officinale в условиях Криворожья оказались, индекс стерильности и палинотоксического эффекта [5].

ВЫВОДЫ

Итак, загрязнение окружающей среды приводит к запуску определенных адаптивных механизмов, обеспечивающих функционирование растений в неблагоприятных условиях существования. На примере T. officinale это проявляется в постепенном увеличении от 19,6 до 26,3% нежизнеспособной пыльцы к комплексу экзогенных факторов.

Наиболее показательными из всех предложенных индексов чувствительности мужского гаметофита T. officinale в условиях загрязнения парковых экосистем Киева оказались: индекс стерильности и палинотоксического эффекта.

Показатель повышенной продукции абортивных пыльцевых зерен T. officinale может быть использован в системе экологического мониторинга за объектами окружающей среды, испытывающими различную степень антропогенной нагрузки.

Считаем необходимым дальнейшее исследование реакции пыльцы T. officinale в парковых экосистемах мегаполиса.