Исследование биоиндикативных свойств Quercus castaneifolia С.А. Меy на природных и урбанизированных территориях Республики Азербайджан

В настоящее время экологические проблемы являются одними из основных глобальных проблем, стоящих перед современной ци вилизацией. Стремясь преобразовать природу в своих интересах, современное индустриальное общество осуществляет невиданное давление на окружающую среду. При таком уровне негативного антропогенного воздействия необхо- димым для реализации основных принципов устойчивого развития является постоянный контроль и всесторонний анализ состояния окружающей среды. Для этих целей организуется система экологического мониторинга. Перспективным методом экологического мониторинга для интегральной оценки качества среды является биоиндикационный анализ. Надежными биоиндикаторами качества среды считаются растения. Они как неподвижные живые организмы вынуждены для выживания адаптироваться к условиям среды произрастания с помощью определенных перестроек организма. Поэтому оценка стабильности развития растений позволяет нам получить объективную информацию об экологическом состоянии среды их произрастания (Гелашвили 1999; Мамедова 2008).

Наиболее простым, эффективным, и поэтому часто применяемым методом оценки стабильности развития растений является определение величины флуктуирующей асимметрии (ФА) их билатеральных морфологических признаков (Franiel 2008; Hagen 2008; Неверова 2009; Хузина 2010; Беляев 2013; Мамедова 2017). "

Поскольку загрязнение среды тяжелыми металлами возрастает с каждым годом, выявление видов растений, способных к биоаккумуляции токсических элементов, изучение их реме-диативных свойств и оценка перспективности их использования в озеленении представляют особый интерес как методы улучшения экологического состояния среды (Tomasevic 2004; Tian 2009; Pourkhabbaz et al. 2010; Ализаде 2011).

В предлагаемой работе были изучены биоиндикационные и фиторемедиационные свойства каштанолистного дуба - Q. castaneifolia с целью оценки перспективности его использования в экологическом мониторинге среды в республике Азербайджан. Исследование проводилось на основе сравнительного анализа результатов комплексного изучения фенотипического изменения морфологического признака листьев и элементного анализа листьев каштанолистных дубов, произрастающих на территориях, отличающихся по степени загрязнения.

Материал и методика

В качестве объекта исследования были использованы листья растения Quercus castaneifolia С. А. Меу - каштанолистного дуба из семейства Fagaceae - Буковые. Это довольно морозостойкое, устойчивое к засухе и сильным ветрам растение. Ценное дерево для озеленения населенных пунктов. Вид внесён в Красную книгу Азербайджана и охраняется в Гиркан-ском заповеднике (Флора Азербайджана 1957).

Были выбраны 4 пробные площадки и взяты их географические координаты. В качестве относительно экологически загрязненной урбанизированной зоны произрастания каштанолистного дуба были выбраны 2 пробные площадки на территории города Баку - столицы Азербайджанской Республики, где зафиксирован достаточно высокий уровень загрязнения, что объясняется населением в 4 млн человек, мощностью транспортного потока и наличием промышленных предприятий. Первая пробная площадка в Баку находилась на территории Центрального Ботанического сада Национальной Академии Наук Азербайджана (НАНА) (40°2Г22.4"Х 49°48'52.6"Е), а вторая -в парке рядом с Бакинским государственным университетом (БГУ) (40°22'24.8"N 49°48'45.0"Е). Третьей пробной площадкой был выбран участок придорожной лесной полосы вблизи магистральной дороги скоростного движения Баку-Шемаха-Евлах на территории Гобустанского района (40°3T41.4"N 48°47'44.4"Е). В качестве четвертой - природной, экологически относительно более чистой пробной площадки была выбрана территория Гирканского Национального Парка (ГНП) (38°45T9.2"N 48°40'44.7"Е).

Для анализа стабильности развития морфогенеза листьев был использован метод оценки их показателей ФА. Этот метод прост с точки зрения сбора, хранения и обработки материала, но в то же время позволяет получить интегральную характеристику состояния организма при всем комплексе действующих на него факторов среды (Van Valen 1962; Palmer, Strobeckl986). Для исследования на каждой пробной площадке было собрано по 200 неповрежденных листьев с условно-одновозрастных деревьев. С каждой дерева было собрано по 2040 листьев. Листья были собраны в июле 2015 г., по всему периметру кроны с высоты 1,5-2,0 м. У исследуемых листьев измеряли длину главной жилки и максимальную ширину листовой пластинки справа (R) и слева (L) от главной жилки. Измерения проводились под лупой МБС-9, а результаты измерений обрабатывались с использованием специального программного пакета, созданного на основе языка программирования JAVASCRIPT (ЕСМА Script 6). ' '

Статистическая обработка результатов исследования проводилась методом ANOVA. На основе этой программы у исследуемых листьев были определены коэффициент ФА, дисперсия и среднее значение билатеральной раз- ницы исследуемого признака (Van Valen 1962; Palmer, Strobeck 1986; Лакин 1990).

Для оценки биоаккумулятивных свойств каштанолистного дуба был произведен элементный анализ листьев и почвы. Для этого были использованы методы пробоотбора, про-боподготовки и анализа, соответствующие государственным стандартам Российской Федерации (ГОСТ). Так, с каждой пробной площадки отобрано не менее одной объединенной пробы почвы в соответствии с ГОСТ 17.4.4.022017. Объединенная проба получена путем смешения точечных проб, отобранных методом конверта послойно с глубины 0-5 см и 5-20 см, не менее 0,2 кг каждая.

На каждой пробной площадке проведен отбор проб листьев по всему периметру кроны с высоты 1,5-2,0 м. Количественный анализ микро- и макрокомпонентов образцов почв и растений, определение органического вещества, минералогического состава и pH образцов почв проводились в Центре коллективного использования аналитических приборов и оборудования в Институте геологии и геофизики НАНА. Для подготовки проб к анализу используются автоматический комплекс для измельчения и прессования «Herzog НР-МР» (HERZOG Maschinenfabrik, Германия) и автоклав - микроволновая печь Sineo MBES-86 (SINEO, КНР). Анализ основных химических компонентов в пробах листьев и почв проведен на масс-спектрометре с индуктивно-связанной плазмой 7700 е ICP-MS (Agilent Technologies, США) и атомно-абсорбционном спектрометре - Agilent 200 Series АА (Agilent Technologies, США) (Важенина 1974; Хавезов 1983).

Анализ микрокомпонентов в пробах листьев и почв проведен на рентгенофлуоресцентном спектрометре S8 Tiger (Bruker AXSGmbH, Германия) (для растений - с предварительным сухим озолением при температуре 525°С) в соответствии с ГОСТ 33850-2016.

Определение органического вещества почвы проводили гравиметрическим методом в соответствии с ГОСТ 26213-91.

Минералогический состав почвы был определен на рентгеновском дифрактометре Miniflex 600 (Rigaku, Япония). pH водной суспензии в почвенных образцах определяли по ГОСТ 26423-85.

Результаты и их обсуждение

Результаты компьютерной обработки измеренных исследуемых признаков листьев даны на рисунке 1. Согласно полученным результатам коэффициент ФА в выборке листьев из природной лесной зоны на территории ГНП самые низкие показатели среднего значения билатеральной разницы, коэффициента ФА, и дисперсии. Самые высокие показатели среднего значения билатеральной разницы, коэффициента ФА и дисперсии получены в выборке листьев из придорожной лесной полосы магистральной дороги скоростного движения Баку-Шемаха-Евлах на территории Гобустанского района. В целом в выборках листьев из урбанизированных территорий эти параметры выше, чем в природной лесной территории ГНП. Так, в выборке листьев из ботанического сада НАНА показатели среднего значения билатеральной разницы в 1,5 раза, коэффициента ФА в 1,9 раз, а дисперсии в 2,2 раза выше по сравнению с выборкой из лесной зоны ГНП. В парке рядом с БГУ показатели среднего значения билатеральной разницы в 1,5 раза, коэффициента ФА в 2,7 раз, а дисперсии в 2,4 раза выше по сравнению с выборкой из лесной зоны ГНП. А в выборке листьев из придорожной лесной полосы магистральной дороги скоростного движения Баку-Шемаха-Евлах на территории Гобустанского района показатели среднего значения билатеральной разницы в 2 раза, коэффициента ФА в 5,5 раз, а дисперсии в 3 раза выше по сравнению с выборкой из природной лесной зоны ГНП. Таким образом, под действием антропогенного прессинга повышается уровень фенотипических изменений морфологического признака в листьях каштанолистного дуба.

Результаты распределения изменения показателей билатеральной асимметрии изучаемого морфологического признака в пределах выборок листьев с территорий исследования даны на рисунке 2.

Самый высокий показатель билатеральной разницы, равный 1,1, и самое меньшее количество листьев, в которых наблюдается отсутствие асимметрии в исследуемом билатеральном признаке, соответствует выборке листьев из придорожной лесной полосы магистральной дороги скоростного движения Баку-Шемаха-Евлах на территории Гобустанского района. Тогда как в выборке листьев из лесной зоны ГНП самый высокий показатель билатеральной разницы равен 0,6, а количество листьев, в которых отсутствует асимметрия в исследуемом билатеральном признаке, равняется 40. Это показывает, что в ходе онтогенетического развития в условиях экологического стресса на урбанизированных территориях в листьях Q. castaneifolia повышается уровень нарушения стабильности развития исследуемых билатеральных морфологических признаков.

Результаты анализа минералогического состава проб почв даны на рисунке 3. Согласно полученным результатам, в пробах почв с территорий Ботанического Сада НАНА, придорожной лесной полосы в Гобустанском районе, природной лесной зоны ГНП содержание кварца выше, чем остальных минералов. А в пробе почвы с территории парка рядом с БГУ содержание кальцита выше, чем остальных минералов.

Ботанический Сад Парк рядом с БГУ Гобустанский район      ГНП

■ Коэффициент ФА ■ Билатеральная разница ■ Дисперсия

Рис. 1. Показатели коэффициента ФА, дисперсии и среднего значения билатеральной разницы в исследуемых выборках листьев каштанолистного дуба

■ Ботанический Сад НАНА ■ Парк рядом с БГУ ■ Гобустанский район ■ ГНП

Рис. 2. Изменение показателей билатеральной асимметрии изучаемого морфологического признака в пределах выборок листьев с территорий исследования

Рис. 3. Минералогический состав проб почв с пробных площадок в %

Реакция почвенных растворов из Ботани-  ной зоны ГНП (pH 6,9) и в придорожной лес- ческого Сада НАНА (pH 6,9), природной лес-  ной полосе в Гобустанском районе (pH 6,7)

слабокислая, а в парке рядом с БГУ (pH 7,4) -слабощелочная.

Был произведен сравнительный анализ микроэлементов в пробах почв с территорий исследования с содержанием микроэлементов в пробах листьев растений, произрастающих на той же территории. Результаты анализа микроэлементов почвы и листьев даны в таблице 1.

Таблица 1

Микроэлементный состав проб почв и листьев

Микроэлементы мг/кг (ppm)	Класс опасности (в почве) ГОСТ 17.4.1.02-83	Зона исследования
		Ботанический Сад НАНА		Парк рядом с БГУ		Гобустанский район		ГНП
		Почва	Лист	Почва	Лист	Почва	Лист	Почва	Лист
Сг	II	154	2.14	194.1	1.62	194.3	2.76	113.5	1.17
Ва	III	484	10.62	469.2	4.16	560.2	12.21	496.3	9.35
Zn	I	65.5	9.45	200.2	11.73	181.6	19.34	93.2	7.05
Zr	—	194.5	1.2	298.4	1.1	290.7	2.1	193.8	1.1
Sr	III	253	1.1	385.6	2.8	186.4	1.9	276.4	1.2
Си	II	32	8.65	93.7	6.1	91.2	16.3	38.4	7.43
Pb	I	9.5	0.45	11.8	0.39	12.5	0.84	4.9	0.34
Ni	II	42	1.03	96.5	1.18	90.4	1.64	46	0.93

Окончание таблицы 1

Микроэлементы мг/кг (ppm)	Класс опасности (в почве) ГОСТ 17.4Л.02-83	Зона исследования
		Ботанический Сад НАНА		Парк рядом с БГУ		Гобустанский район		ГНП
		Почва	Лист	Почва	Лист	Почва	Лист	Почва	Лист
Rb	—	58.3	1.16	97.4	1.94	99.3	2.04	43.6	0.79
Mo	II	0.6	—	0.9	—	1.2	—	0.5	—
Nb	—	8.6	—	10.5	—	17.6	—	5.9	—
V	III	81.5	0.86	101.2	0.94	87.6	1.29	84.6	0.91
Ga	—	0.91	—	1.2	—	1.4	—	0.95	—
Cd	I	0.97	0.016	1.7	0.011	3.1	0.029	1.62	0.024
As	I	1.97	0.13	10.6	0.28	12.8	0.37	1.29	0.09
Co	II	5.4	0.94	9.2	0.64	10.4	1.23	6.4	1.02
Se	I	—	0.13	—	0.12	-	0.14	—	0.09

В пробе почвы из парка рядом с БГУ концентрация цинка, меди, никеля, ванадия, стронция и циркония выше, чем в пробах из трех остальных зон исследования. Концентрации бария, свинца, рубидия, молибдена, ниобия, галлия, кадмия, мышьяка, кобальта в пробе почвы из придорожной лесной полосы в Гобу-станском районе выше, чем в остальных зонах.

Содержание хрома в пробах почв из придорожной лесной полосы в Гобустанском районе и из парка рядом с БГУ почти одинаковое и выше, чем в пробах почв из Ботанического Сада НАНА в 1,2, а из природной лесной зоны ГНП в 1,7 раза. Но листья с территории Гобу-станского района и Ботанического Сада НАНА аккумулируют больше хрома, чем листья из парка рядом с БГУ и ГНП.

В пробе листьев из парка рядом с БГУ аккумулируется в 1,4 раза больше стронция, чем в Гобустанском районе и примерно в 2 раза больше, чем в ботаническом саду НАНА и ГНП.

Концентрация бария в почве из Гобу-станского района выше, чем в остальных зонах исследования. Также и содержание бария в пробах листьев из придорожной лесной полосы Гобустанского района выше, чем у остальных.

Цинка в пробе почвы из Ботанического сада НАНА в 3 раза, из природной лесной зоны ГНП в 2,1 раза и с территории Гобустанского района в 1,1 раза меньше, чем в почве из парка рядом с БГУ. Но аккумулируют больше цинка в листьях из зоны Гобустанского района.

В целом в пробе листьев из придорожной лесной полосы в Гобустанском районе концентрации хрома, бария, свинца, рубидия, кадмия, мышьяка, кобальта, ванадия, цинка, меди, циркония и селена выше по сравнению с пробами листьев с других пробных площадок.

Данные валового химического состава проб почв и листьев с территорий исследования показаны в таблицах 2 и 3.

Таблица 2

Валовый химический состав почв, %

Макроэлементы почвы, %	Территории исследования
	Ботанический сад НАНА	Парк рядом с БГУ	Гобустанский район	ГНП
Na2O	0.81	0.75	0.83	0.85
MgO	1.84	1.90	2.28	1.95
А12ОЗ	8.2	9.74	15.42	8.12
Si 02	52.74	39.74	58.68	55.8
Р2О5	0.26	0.40	0.11	0.31
S03	0.24	0.42	0.15	0.25
К20	1.96	1.75	3.31	1.87
СаО	14.43	20.12	2.07	11.3
TiO2	0.41	0.55	0.92	0.29
МпО	0.22	0.13	0.16	0.21
Fe2O3	5.03	4.62	7.42	3.48
П.П.П.	13.6	20.61	8.42	15.8

П.П.П. - потери при прокаливании при температуре 950°С

Из данных, представленных в таблице 2, видно, что содержание MgO, А12О3, SiO2, К2О и Fe2O3 выше в пробе почвы из придорожной лесной полосы Гобустанского района, чем в пробах почв с остальных пробных площадок. В пробе почвы из парка рядом с БГУ содержание Р2О5, SO3, СаО, ТЮ2 выше, чем в пробах почв из Ботанического сада НАНА, Гобустанского района и ГНП. В пробе почв из Ботанического сада НАНА содержание МпО выше, чем в других зонах исследования. А в пробе почвы из природной лесной зоны ГНП содержание Na2O выше по сравнению с остальными зонами исследования. В пробах почв из Ботанического сада НАНА, природной лесной зоны ГНП и парка рядом с БГУ несколько повышенное содержание SiO2 и СаО по сравнению с другими макроэлементами. А в почве из придорожной лесной полосы Гобустанского района наблюдается несколько повышенное содержание SiO2 и А12О3 по сравнению с другими макроэлементами.

В пробе листьев из Ботанического сада НАНА содержание Mg, в пробе листьев из парка рядом с БГУ содержание S, Са, Ti, Ге, С1, а в пробе листьев из придорожной лесной полосы Гобустанского района содержание Si, Р, К, Мп, Na выше по сравнению с остальными пробными площадками. Содержание А1 в пробах листьев из Ботанического сада НАНА и придорожной лесной полосы Гобустанского района одинаковое и выше, чем в парке рядом с БГУ и в природной лесной зоне ГНП в 1,5 раза.

Таблица3

Химический состав проб листьев, %

Химические элементы в листьях (%)	Территории исследования
	Ботанический сад НАНА	Парк рядом с БГУ	Гобустанский район	ГНП
Na	0.0063	0.0065	0.0084	0.0062
Mg	0.12	0.08	0.11	0.13
Al	0.03	0.02	0.03	0.02
Si	0.13	0.17	0.18	0.13
P	0.06	0.05	0.07	0.06
S	0.03	0.05	0.04	0.04
К	0.45	0.42	0.46	0.43
Ca	0.23	0.63	0.31	0.25
Ti	0.0008	0.0010	0.0007	0.0006
Mn	0.0008	0.0009	0.0024	0.0007
Fe	0.0086	0.0097	0.0073	0.0081
Cl-	0.01	0.04	0.01	0.01
П.П.П.	98.9	98.3	98.7	98.8

П.П.П. - потери при прокаливании при температуре 950°С

В целом в пробах листьев из ботанического сада НАНА, из придорожной лесной полосы Гобустанского района и природной лесной зоны ГНП содержание Mg, Si, Са и К -выше по сравнению с другими макроэлементами. В листьях из парка рядом с БГУ из всех макроэлементов содержание Si, Са и К более высокое. Содержание Са в пробе листьев из Ботанического сада НАНА в 2,7, из придорожной лесной полосы Гобустанского района в 2, а из природной лесной зоны ГНП в 2,5 раза меньше, чем листьях из парка рядом с БГУ. Также и СаО в пробе почвы из парка рядом с БГУ выше, чем в других зонах исследования. Содержание С1 в пробе листьев из парка рядом с БГУ в 4 раза больше, чем на других площадках. Содержание Мп в пробе листьев из Ботанического Сада НАНА в 3, из парка рядом с БГУ в 2,6, а из лесной зоны ГНП в 3,4 раза меньше, чем в пробе листьев из придорожной лесной полосы Гобустанского района. Хотя содержание МпО в пробе почвы из Гобустанского района в 1,3 раза меньше, чем в Ботаническом саду НАНА и ГНП.

Выводы

Сравнительный анализ стабильности развития листьев Q. castaneifolia показал, что в условиях Азербайджана в урбоэкосистемах древесное растение Q. castaneifolia может быть использовано как активный биоиндикатор в биомониторинге на основе изменения показателей ФА листьев.

Установлено, что Q. castaneifolia также обладает ремедиативным свойством. Так, в пробах почв и листьев Q. castaneifolia из парка рядом с БГУ и из Гобустанского района вблизи магистральной дороги концентрация металлических элементов оказалась выше по сравнению с другими территориями.