Эколого-биологический мониторинг урбоэкосистем

Одной из актуальных задач современной урбоэкологии является оптимизация состояния городской среды, поскольку в городах проживает большая часть населения планеты. Для принятия оптимальных решений на всех уровнях управления, эксплуатации, финансирования городского хозяйства необходимо иметь объективную информацию о химическом загрязнении среды, экологическом состоянии наземных и водных биогеоценозов и реакции живых организмов на интегрированное антропогенное воздействие, в том числе комбинированное техногенное загрязнение. Важнейшей экологической задачей представляется прогноз возможных генетических последствий действия загрязнителей.

Цель работы: комплексная оценка состояния наземных и водных экосистем г. Ишима аналитическими и биоиндикационны-ми методами с применением разных групп организмов.

Для проведения исследований выбраны районы г. Ишима, испытывающие различную антропогенную нагрузку (табл. 1). В качестве условно чистой зоны выбран лесопарк «Народный парк», расположенный на окраине города и испытывающий наименьшую из всех зелёных зон города антропогенную нагрузку.

Материалы и методы работы. С помощью индивидуальных переносимых газоанализаторов «АНКАТ-7664М» определяли содержание в воздушных пробах из 23 точек города

Шерер Дмитрий Олегович, аспирант содержание монооксида углерода (СО), диоксида серы (SO2), диоксида азота (NO2) и сероводорода (H2S). Измерения проводили в сентябре 2011 г. в утренние часы «пик» в 3 повторностях. Фактические концентрации изучаемых газов в атмосферном воздухе г. Ишима сравнивали с гигиеническими нормативами СаПиН (ГН 2.1.6.695-98 Предельно допустимые концентрации (ПДК) загрязняющих веществ в атмосферном воздухе населённых мест). По «эффекту суммации» анализировали комбинированное действие смесей загрязняющих веществ в атмосферном воздухе. Оценку цитогенетического гомеостаза проводили с использованием широко распространённого дикорастущего вида одуванчик лекарственный (Taraxacum officinale). Cемена одуванчика собирали в период массового плодоношения и проращивали на влажной фильтровальной бумаге в чашках Петри при 26оС в термостате до появления корешков 5-6 мм. Корешки фиксировали в спирт-уксусной смеси (3:1) не менее 2 часов. Проростки окрашивали ацетоорсеином на водяной бане в течение 10-12 минут и готовили временные давленые препараты по общепринятой методике [4]. Уровень мутаций определяли с использованием анафазно-телофаз-ного метода, учитывали «Мосты, которые появляются в результате образования дицентриков».

Качественные и количественные учёты птиц проводили методом фаунистических наблюдений трижды по каждому маршруту в утреннее время через 1-1,5 часа после рассвета. Отлов мелких млекопитающих производили методом массового неизбирательного отлова ловушками Геро. Отловленных животных подвергали полному морфофизиологическому обследованию [10]. Для оценки состояния сообществ птиц и мелких млекопитающих использовали общепринятые информационно-структурные показатели [3]. Достоверность выявленных цитогенетических и морфофизиологических изменений определяли по критериям значимости Стьюдента и Фишера [7].

Для оценки уровня органического загрязнения водоёмов г. Ишима отбирали про-тистологические пробы из рек Ишим, Кара-суль, старицы Ишимчик и проводили качественный и количественный анализ эвгленовых жгутиконосцев. Степень органического загрязнения данных водоёмов определяли путём подсчёта индекса сапробности, учитывая численность видов с разной индикаторной значимостью, частоту их встречаемости в водоёмах и пробах. Определение видовой принадлежности найденных животных проводили по имеющимся определителям.

Результаты и обсуждение. В результате химического анализа проб атмосферного воздуха выявлено очаговое повышение содержания угарного газа, превышающее ПДК в 1,6-

2,6 раз; очаговое повышение содержания диоксида азота в диапазоне от 1,2 до 21,2 ПДК; превышение допустимого значения эффекта суммации трёх газов (СО, SO 2 , NO 2 ) (табл. 1). Очаговое повышение концентрации угарного газа можно объяснить неравномерной транспортной нагрузкой территории города, поскольку основным антропогенным источником CO в настоящее время служат выхлопные газы двигателей внутреннего сгорания. Эффект суммации угарного газа, диоксида серы и диоксида азота максимально выражен на территориях с наиболее интенсивной транспортной нагрузкой (ж/д мост, ул. Республики, пересечение ул. Республики – Бригадная, ул. Чкалова – Ленина, ул. Артиллерийская – К.Маркса).

Таблица 1. Концентрация загрязняющих веществ в пробах атмосферного воздуха с территории г. Ишима

Места отбора проб	СО, мг/м3	SO 2 , мг/м3	H 2 S,м г/м3	NO 2 , мг/м3	Эффект суммации СО, SO 2 , NO2 , мг/м3
городской парк	0	0	0,007	0	0
народный парк	0	0	0,007	0	0
пересечение ул. Артиллерийской и ул. Карла Маркса	10	0	0,007	0,1	3,6
железнодорожный мост	8	0	0,009	0,95	13
ул. Республики (р-н «Мясокомбината»)	1	0	0,008	0,5	6,5
пересечение ул. Республики и Бригадной	2	0,1	0,009	1,8	21,9
ул. Бригадная («р-н ПАТП»)	3	0	0,008	1	12,5
ул. Республики (р-н «ИК-6»)	2	0	0,009	1,2	14,6
ул. Республики (р-н «ОБ №4»)	1	0	0,009	0,7	8,48
ул. Большая (частный сектор)	0	0	0,009	0	0
ул. Омская,1	0	0	0,008	0,1	1,17
завод ЖБИ	1	0	0,01	0,2	2,6
Ишимский машзавод	0	0	0,009	0,4	4,7
пересечение ул. Артиллерийской и ул. Большая Садовая	4	0	0,007	0,1	2,2
ул. Казанская (р-н « Берёзовая роща»)	0	0	0,009	0	0
коллективные сады (р-н с. Стрехнино)	0	0	0,009	0	0
пересечение ул. Чкалова-Ленина	13	0	0,008	0,3	6,78
р-н старицы «Ишимчик»	0	0	0,007	0	0
река Карасуль (р-н Стрехнино)	0	0	0,009	0	0
нормы максимально-разовых ПДК (мг/м³)	5	0,5	0,008	0,085

В ходе цитогенетического анализа семенного потомства Taraxacum officinale выявлены достоверные различия по митотическим индексам между опытными и контрольным вариантами, как с учётом, так и без учёта профаз (табл. 2). Наиболее существенное снижение профаз по сравнению с контролем наблюдается в районе мясокомбината. Известно, что при высоких уровнях стрессовых ситуаций наблюдается ингибирование митотического индекса [6]. В связи с тем, что митотический индекс у конкретного вида достаточно устойчивый показатель, его изменения может отражать мутагенное действие на исследуемые объекты загрязнителей окружающей среды [2]. Значимые различия по сравнению с контролем выявлены в доле клеток, находящихся на стадии метафазы. По-видимому, эти явления связаны с изменением времени формирования веретена деления и задержкой клеток на стадии метафазы в связи с блокированием процессов расхождения хромосом к полюсам, что следует рассматривать как механизм адаптации к стрессовым факторам среды и поддержания гомеостаза клеточной популяции. На опытных участках по сравнению с контролем достоверно выше частота аномалий в виде «Мостов» (Р≤0,01), что является показателем интенсивности репарационных событий, обеспечивающих адаптацию клетки к стрессовому воздействию [1, 9].

Таблица 2. Цитогенетическая характеристика семенного потомства одуванчика лекарственного из разных районов исследования

Цитогенетический показатель Контроль Центр го рода Р-н  Мясо комбината X±mx Х± mx X±mx митотическая активность с учетом профаз 6,4 ±0,02 5,3±0,02** 3,9±0,02* митотическая активность без учета профаз 4,6±0,02 4,0±0,02** 3,1±0,01* доля клеток на стадии профазы митоза 27,3±0,02 25,0±0,02 21,0±0,02 доля клеток на стадии метафазы митоза 16,01±0,01 30,0±0,02* 30,0±0,02* доля клеток на стадии анафазы+ телофаза митоза 57,0±0,02 46,0±0,02 48,0±0,02 уровень мутаций 0,02±0,006 0,07±0,01* 0,14±0,01* Примечание: * - различие с контролем достоверно (Р<0,01); " - различие между опытными группами дос- товерны (Р≤0,01).

При оценке степени экологического своеобразия местообитаний важными характеристиками являются показатели относительного обилия и видового разнообразия позвоночных животных [3]. Орнитологические исследования показали, что видовое биоразнообразие птиц на территории г. Ишима в целом достаточно велико: выявлено 52 вида из 24 семейств и 10 отрядов. По количеству видов и числу особей преобладают Воробьинообразные (Passeriformes) (28 видов, 14 семейств). Исследуемые сообщества птиц в целом имеют структуру, характерную для орнитоценозов умеренной зоны. Наибольшие индексы видового богатства отмечены в сообществах птиц Народного парка (R=28,97) и Берёзовой Рощи (R=19,18), наименьшие - в железнодорожном парке (R =9,49) и окрестностях мясокомбината (R= 6,25). Также распределяются и индексы видового разнообразия Шеннона (Н) и Симпсона (D) (соответственно: Н=2,6; 2,28; 1,25; 1,22; D=0,88; 0,85; 0,53; 0,62). Доминирование сильнее всего проявляется в сообществах птиц железнодорожного парка и окрестностей мясокомбината (С=0,46; 0,37), а выравненность - в Народном парке и Берёзовой роще (Е=0,79; 0,82). Наибольший индекс общей устойчивости отмечен для сообщества птиц Народного парка (U=3,01), наименьший - железнодорожного парка (U=1,45). Невысокие биоразнообразие, устойчивость и высокое доминирование в сообществе птиц железнодорожного парка при наличии удобных мест для питания, гнездования и укрытия указывает на то, что из факторов урбанизации наибольшее влияние на орнитофауну оказывают беспокойство, шум и трансформация местообитаний.

Относительная численность мелких млекопитающих на исследуемой территории в 2011 г. оказалась максимальной за 4 последних года. Максимальные темпы воспроизводства и, соответственно, наибольшее относительное обилие этой группы животных отмечены в Народном парке - 32,57 экз./100 лов.сут, а наименьшие - в Берёзовой роще и железнодорожном парке - 0 экз/100лов.сут. Отсутствие мелких млекопитающих в выборках из Берёзовой рощи и железнодорожного парка на фоне их высокой численности в Народном парке указывает на пессимальный характер данных местообитаний в связи со значительной антропогенной нагрузкой. В урёме реки Ишим обилие микромаммалий составило 4,0 экз/100лов.сут. Очевидно, что восстановление численности мелких млекопитающих быстрее происходит в биотопах с лучшими кормовыми и защитными свойствами, граничащих с разнообразными естественными ландшафтами, и в последнюю очередь - на сильно трансформированных участках.

В Народном парке отловлены зверьки четырёх видов: Clethrionomys rutilus, Microtus gregalis); Sorex araneus и Sorex minutes, характеризующиеся средними индивидуальными индексами антропогенной адаптированности (от 7,4 у малой бурозубки до 11,1 у узкочерепной полёвки). В урёме реки Ишим отловлены зверьки одного вида Mus musculus, характеризующегося максимальным среди мелких млекопитающих индивидуальным индексом антропогенной адаптированности (22,2). Интегральный показатель успешности размножения микротериоценоза Народного парка составил 4285,71; урёмы р. Ишим – 9999,99. Очевидно, что одним из механизмов адаптации сообществ мелких млекопитающих к трансформирующему действию городской среды являются высокие потенции к размножению, максимально реализующиеся у видов c высокой антропогенной адаптированностью.

Морфофизиологическое сравнение выборок самок-сеголеток обыкновенной бурозубки из Народного парка и окр. д. Синицино (16 км от города) показало, что городская выборка отличается достоверно большим индексом сердца (t=3,01 при Р<0,01), печени (t=2,94 при Р<0,05), надпочечника (t=2,35 при Р<0,05) и меньшим относительным весом селезёнки (t=4,16 при Р<0,001). Поскольку три первых признака характеризуют напряжённость функционально-энергетических систем организма, а вес надпочечника считается лучшим индикатором физиологического стресса, то можно предположить, что в урбанизированных местообитаниях популяции мелких млекопитающих находятся в состоянии функционального напряжения, требующего значительной мобилизации внутренних сил организма. Меньший индекс селезёнки в городской популяции бурозубок может быть обусловлен, с одной стороны, выбросом депонированной в селезёнке крови в кровоток при токсических анемиях [5], обусловленных действием загрязняющих веществ, с другой стороны, снижением инвазированности гельминтами вследствие чувствительности последних к комбинированному токсическому загрязнению и усложнением реализации их жизненных циклов вследствие сокращения видового биоразнообразия экосистем [8].

Фауна эвгленовых жгутиконосцев рек Ишим, Карасуль и старицы Ишимчик представлена в целом 29 видами, относящимися к 8 родам. Во всех водоёмах по количеству видов преобладает род Euglena (представленный соответственно 12, 7 и 6 видами). В пробах из р. Ишим обнаружено 22 вида эвгленид (75,8% от общего числа видов), численно доминируют виды Euglena limnophila, Phacus pleuronectes, Ph. acuminatus. По индексу сапробности р. Ишим является α-мезосапробным водоемом (S=3,0). Фауна эвгленид р. Карасуль значительно беднее и представлена 15 видами (51,7% от общего числа видов). Доминантами по относительной численности выступают виды: Euglena limnophila, Trachelomonas plancto-nica. По индексу сапробности р. Карасуль относится к α-мезосапробным водоемам (S=3,2). Для старицы Ишимчик отмечено 15 видов эвгленовых жгутиконосцев. Наиболее часто встречается в пробах Euglena oblonga, а также представители бесцветных жгутиконосцев – Entosiphon ovatus и Peranema trichophorum. Расчёта индекса сапробности показывает, что старица Ишимчик – α-мезосапробный водоем с тенденцией к полисапробности (S=3,4).

Выводы :

• 1.    Неравномерное распределение транспортных магистралей на территории г. Ишима обусловливает очаговые повышения содержания угарного газа и диоксида азота, превышающие ПДК; превышение допустимого значения эффекта суммации трёх газов (СО, SO 2 , NO 2 ).

• 2.    По видовому составу и численности эвгленовых жгутиконосцев водоёмы г. Ишима характеризуются альфа-мезосапробным (очень высоким) уровнем органического загрязнения.

• 3.    Клеточными механизмами адаптации к комбинированному действию антропогенных факторов и поддержания цитогенетического гомеостаза являются снижение митотической активности, задержка клеток на стадии метафазы и повышение интенсивности репарационных процессов.

• 4.    Население птиц и мелких млекопитающих на территории г. Ишима распределено неравномерно; видовое разнообразие и устойчивость сообществ птиц и млекопитающих снижаются по мере увеличения комбинированного антропогенного воздействия.

• 5.    Адаптивным популяционным ответом мелких млекопитающих на урбанизацию является мобилизация функционально-энергетических систем организма.

• 6.    На уровне сообществ адаптивный ответ проявляется в изменении структуры и возрастании в сообществах численности экологически пластичных, антропофильных видов и интенсификации процессов размножения.