Мониторинг состояния экосистем на территории города Ишима

В связи с высокой антропогенной нагрузкой на наземные и водные объекты урбанизированных территорий наблюдается прогрессирующее ухудшение их экологического состояния, ведущее к упрощению структуры и снижению устойчивости биоценозов. Актуальность данного исследования связана с фундаментальной задачей – изучением и сохранением биологического разнообразия, являющегося основой устойчивого и стабильного развития социума, и с прикладной задачей – оценкой экологического состояния наземных и водных экосистем урбанизированной территории г. Ишима по индикационным признакам наземной и пресноводной флоры и фауны. Полученные результаты могут послужить основой для перспективного прогнозирования качества воздуха и пресных вод в зависимости от направленности развивающихся антропогенных процессов, для разработки необходимых мероприятий по охране окружающей среды г. Ишима и его пригородов, для оптимизации мест расположения основных хозяйственных объектов, для принятия управленческих решений относительно природных ресурсов г. Ишима.

Цель исследования : изучение состояния наземных и водных экосистем г. Ишима методами эколого-биологического анализа.

Город Ишим расположен на Транссибирской железнодорожной магистрали и перекрестке автодорог федерального значения и играет важную роль в социально-экономической сфере соседних регионов. Площадь г. Ишима – 4616 га, автодорог федерального значения и играет важную

роль в социально-экономической сфере соседних регионов. Площадь г. Ишима – 4616 га, население – 61,9 тыс. человек. Основными источниками загрязнения в городе являются транспорт и промышленность. Промышленные предприятия и транспортная сеть города располагаются, в общем, равномерно. Поэтому при любом направлении ветра какая-либо часть города оказывается под шлейфом загрязнений. В тоже время ни одна часть города не получает одновременно суммарного воздействия от всех источников загрязнений. В последние 2 года состояние приземного слоя воздуха на центральной улице города – ул. Карла Маркса ухудшилось вследствие сплошной вырубки древесных насаждений в связи со строительством ливневой канализации. Водные объекты города загрязняются сточными водами, находящимися в контакте с городскими почвами, свалками. Отмечаются случаи нарушения водоохранных зон и нарушения гидрологического режима.

Материалы и методы исследований. Для оценки состояния наземно-воздушной среды г. Ишима применили метод биотестирования с помощью одуванчика лекарственного (Taraxacum officinale). Анализировали морфологические признаки семян одуванчика, которые в процессе созревания больше, чем другие части растения накапливают токсические вещества, влияющие на индивидуальное развитие. Сбор семян производили в лесопарке «Берёзовая роща», на городском пляже (река Ишим), в районе мясокомбината, на пересечении двух центральных улиц – Карла Маркса и Артиллерийской, машиностроительного завода, железнодорожного моста, завода железобетонных изделий (ЖБИ), на ул. Большая, испытывающих разные антропогенные нагрузки. Сбор плодов одуванчика осуществляли в период массового плодоношения в мае 2009 г. Для оценки выборочных показателей собирали плоды в корзинках (по 500 с каждой пробной площади), измеряли их длину и ширину с точностью до 0,1 мм. Для оценки жизнеспособности определяли всхожесть семян до 9 дня (1000 семян из каждой популяции).

Наряду с биотестированием провели оценку состояния наземно-воздушной среды методом биоиндикации по хвое сосны обыкновенной (Pinus sylvestris). Для этого с деревьев в возрасте 8-10 лет собирали хвою второго года жизни. С 4 участков на центральной улице К. Маркса исследовали по 200 хвоинок. При выборе участков руководствовались присутствием на них Pinus sylvestris, которая произрастает на территории города единично или небольшими группами (по 2-3 дерева). В каждой выборке учитывали процент хвоинок с повреждениями (некрозами и усыханиями) и определяли среднюю длину хвои. В качестве контроля использовали сопоставимую выборку хвои Pinus sylvestris с территории памятника природы Синицинский бор, расположенного в 16 км от г. Ишима.

Для выявления интегрированного воздействия факторов урбанизации на эпигенетические процессы методами фенетического анализа изучили изменчивость рисунка надкрылий в разных локальных популяциях клопа-солдатика (Pirrcho-coris apterus) [1]. Всего обследовали 300 особей из 6 районов г. Ишима (машиностроительный завод, свалка на выезде, Берёзовая роща, пересечение улиц К. Маркса и Артиллерийской, городской пляж, мясокомбинат).

Для оценки стабильности развития мелких млекопитающих провели фенетическое исследование 170 черепов полевой мыши (Apodemus agrarius) из 4 местообитаний: лесопарка «Народный парк», садового товарищества «Дорожник», территории, прилегающей к аэродрому ДОСААФ за пределами города на правом берегу реки Ишим, окрестностей с. Синицино Ишимского района (в качестве контроля). Популяционные группировки полевой мыши из Народного парка (юго-западная окраина города) и садового товарищества «Дорожник» (северовосточная окраина города) изолированы друг от друга значительным расстоянием и сложной городской инфраструктурой. Народный парк отделён от выборки с «аэродрома» рекой Ишим. В работе использовали методику феногенетического анализа мелких млекопитающих, предложенную в [2].

Для оценки состояния водных объектов провели эколого-фаунистическое исследование эвгленовых жгутиконосцев (Euglenoidea) с применением общепринятых методов отбора и микроскопического исследования протозоологиче-ского материала [3, 5]. Определение видовой принадлежности выявленных форм проводилось на живом материале по описаниям, содержащимся в литературе [6, 7]. Сапробность исследованных участков водотока определяли по относительной численности и индикаторной значимости видов в соответствии с таблицами В. Сладе-чека [8]. Полученные результаты обработали общепринятыми биометрическими методами [4].

Результаты и обсуждение. Анализ морфологических признаков одуванчиков из разных районов города показал, что достоверно более низкие, чем в контроле (р>0,01) средние показатели ширины и длины семян одуванчика и высокие коэффициенты их вариации наблюдаются в выборках растений из популяций в районах: мясокомбината, ул. Большой и моста через железнодорожное полотно в районе улицы Артиллерийской (табл. 1). Уменьшение параметров морфологических признаков и их высокая изменчивость свидетельствуют о неблагоприятной экологической ситуации в этих районах. Наиболее неблагоприятная обстановка наблюдается в районе мясокомбината, где кроме собственного производства источниками загрязнения служат расположенные рядом 2 автозаправочные станции, автобусный парк и автомагистраль, поддерживающие высокий уровень выхлопных газов и обусловливающие непосредственное загрязнение почв горюче-смазочными материалами.

Таблица 1. Морфометрические показатели Taraxacum officinale в выборках из разных районов исследования

Место сбора	Ширина (х±S x )	CV	Место сбора	Длина (х±S x )	CV
мясокомбинат	0,76±0,3	40,97	мясокомбинат	2,18±0,01	7,33
перекресток ул. К.Маркса и ул. Артиллерийской	0,98±0,01	12,91	перекресток ул. К.Маркса и ул. Артиллерийской	2,61±0,01	5,32
горпарк	0,98±0,01	12,27	горпарк	2,61±0,01	5,90
ж/д мост	1,11±0,01	14,82	ж/д мост	2,19±0,01	12,68
ул. Большая	1,14±0,01	12,67	ул. Большая	2,17±0,01	4,06
з-д ЖБИ	1,19 ±0,01	13,07	з-д ЖБИ	2,84±0,01	4,03
Машзавод	1,34±0,02	16,28	Машзавод	2,24±0,02	6,43
пляж	1,36±0,03	12,98	пляж	3,90±0,01	5,30

В районе моста растения находятся под действием загрязнителей как железнодорожного, так и автомобильного транспорта. На ул. Большой неблагоприятная экологическая обстановка обусловлена, вероятно, большой несанкционированной свалкой, организованной жителями района. В соответствии с экспериментальными данными несколько лучше экологическая ситуация в районе городского парка, машиностроительного завода, завода ЖБИ и на перекрестке улиц К. Маркса – Артиллерийской (в период проведения экспериментальной работы ул. К. Маркса была закрыта в связи с дорожно-ремонтными работами). Эти данные согласуются с результатами изучения всхожести семян одуванчика. Нулевая всхожесть семян отмечена в выборке с ул. Большой (табл. 2). Достоверно наиболее высокая всхожесть семян отмечена в выборке с городского пляжа (р>0,01), а наиболее низкая отмечена в выборках из окрестностей мясокомбината, железнодорожного моста. Таким образом, увеличение антропогенной нагрузки на экосистему приводит к повышению фенотипической изменчивости и коэффициентов вариации морфологических признаков, вероятно, носит адаптивный характер. Полученные результаты свидетельствуют о влиянии антропогенных факторов на эпигенез одуванчика.

Таблица 2. Всхожесть семян Taraxacum officinale в выборках из разных районов исследования

Место сбора	3-й день	7-й день	9-й день
мясокомбинат	-	20,3	50,0
мост	2,2	43,0	51,2
ул. Большая	-	-	-
Машзавод	-	28,0	52,1
ЖБИ	15,0	52,0	75,4
перекрёсток	1,2	36,1	79,6
парк	0,5	32,5	80,8
пляж	0,5	58,0	82,5
контроль	21,0	60,1	86,3

Биоиндикационный анализ Pinus sylvestris указывает на значительное содержание загрязняющих веществ в почве и атмосферном воздухе на центральной улице г. Ишима. Наибольший процент повреждённых хвоинок сосны обыкновенной выявлен в пробе, собранной по ул. К. Маркса, 49а (табл. 3). Степень повреждения хвоинок в указанной пробе сопоставима с повреждениями, наблюдающимися в крупных промышленных городах – Челябинске, Екатеринбурге, Новосибирске. Относительно высок процент повреждённых хвоинок в пробе, собранной на дворовой территории дома № 57. Можно предположить, что группы сосен по ул. К. Маркса, 49а и 57, испытывают неблагоприятное воздействие расположенных вблизи комбината хлебопродуктов и железной дороги, а проба № 3 ещё и прямое влияние автомагистрали. Относительно низкий, сопоставимый с контролем (12%) уровень повреждения хвоинок в пробах 1 и 2 можно объяснить отсутствием потока автотранспорта на соответствующих участках в течение всего летнего периода 2009 г. из-за перекрытия улицы в связи с дорожными работами.

Таблица 3. Характеристика хвои сосен, произрастающих по ул. К. Маркса

Адрес	Средняя длина иглы (см±0,2 см)	Иглы с по-врежде-ниями
		Всего	(%)
сквер им. Ленина	7,7	30	15
ул. К.Маркса,1	6,7	27	13,5
ул. К. Маркса, 49а	7,0	150	75
ул. К. Маркса, 57	6,3	80	43,5

Анализ меланистической окраски надкрыльев клопа-солдатика в разных локальных популяциях г. Ишима выявил широкий спектр фенотипической изменчивости этого признака. Большая вариативность фенов характерна для популяции машиностроительного завода по черному верхнему пятну А-8, для популяции свалки по нижнему красному пятну Д-9, в других популяциях вариативность несколько ниже. Вероятно, различные загрязнители, а также особенности микроклимата в разных районах города обуславливают своеобразие эпигенетических процессов и, соответственно, специфику фенетической структуры каждой локальной популяционной группы клопа-солдатика. Так, фен D-16 обнаружен в популяции машиностроительного завода, а фен А-11 – на пересечении улиц К. Маркса и Артиллерийской, Т-3 – в локальной популяции Берёзовой рощи, D-7 – на пересечении улиц К. Маркса и Артиллерийской. Возможно, это объясняется тем, что в каждой популяции господствующим является один какой-то загрязнитель. Следовательно, выявленные фены могут служить маркером для определения групп загрязнителей. Следует отметить, что частота фенов по каждому элементу рисунка в анализируемых популяциях различна. Особенно широк разброс по частоте фенов А и D.

Высокая вариативность и частота фенов, наблюдаемая в локальных популяциях возле мясокомбината, свалки, на пересечение улиц К. Маркса и Артиллерийской свидетельствует о менее благоприятной экологической обстановке в этих районах. Полученные данные указывают на то, что популяции клопа-солдатика четко реагируют на антропогенное загрязнение среды, в группировках клопа-солдатика, подвергающихся действию химических и биологических загрязнений, возникает следующее: повышается изменчивость, учащается число встречаемости редких фенов, связанных с фрагментацией основных или появлением дополнительных элементов соответствующих участков покровов тела. Описанная дифференциация состояния популяции повышает их пластичность и целостность.

Изучение эпигенетического полиморфизма полевой мыши (Apodemus agrarius) по 16 неметрическим признакам черепа показало, что каждая популяционная группа имеет своеобразную фе-нетическую структуру. Специфика проявляется как в отсутствии, или наличии отдельных фенов, так и в распределении их частот. В тоже время наиболее фенетически, а, следовательно, и эпигенетически, сходны популяционные группировки из Народного парка и Дорожника, расположенные в черте города. Учитывая, что в настоящее время они изолированы сложной пространственной структурой города и расстоянием, а также обитают в разных микроклиматических и микробиотопических условиях можно предположить, что выявленное эпигенетическое сходство отражает общность происхождения городской популяции мышей и влияние сходных факторов урбанизированной среды, а также поддерживается за счёт слабого потока генов через промежуточные внутрипопуляционные группы особей.

Обращает на себя внимание тот факт, что выборка полевой мыши с «аэродрома», пространственно смежная с выборкой Народного парка, отделённая от неё только рекой и автомагистралью, по распределению частот фенов ближе к синицинской, чем ко всем городским выборкам. Учитывая контрастность биотопов в окр. д. Синицино на территории реликтового соснового бора и в окр. г. Ишима, можно предположить, что между популяционными группами мышей, обитающими в районе аэродрома и в окр. с. Синицино существует слабый поток генов, например, через обмен мигрантами, или скрещивание с животными из промежуточных группировок. Возможно, река и проходящая через мост автомагистраль обеспечивают достаточно жёсткую изоляцию между городскими и загородными поселениями мышей. Статистическое сравнение показало, что между выборками полевой мыши из Народного парка и Дорожника нет достоверных различий ни по одному признаку. Выборки из Дорожника и «аэродрома» статистически значимо различаются по частотам 3 фенов: FPodu; FPmme и FBsme. Выборки из Народного парка и «аэродрома» достоверно отличаются по частотам 2 фенов: FPmme и FBsme. Меньшая эпигенетическая дифференциация последних может быть обусловлена их более длительной исторической связью, а также нарушением время от времени изолирующих пространственных барьеров. Не исключено также, что поток мигрантов существует постоянно, и тогда дифференциация сравниваемых популяционных групп поддерживается за счёт их приспособления к разным биотопическим условиям.

Объединённая ишимская популяционная группировка Apodemus agrarius достоверно отличается от синицинской по 4 фенам: FPmme, FePas, FHgsi, FMtdu. FPodu. Набор перечисленных фенов отличается от того, по которому различаются подразделения ишимской популяции и указывает на специфику фенетической структуры синицинской популяционной группы. Несмотря на выявленные межгрупповые различия по частотам фенов, между всеми исследованными выборками имеется некоторое сходство, что может быть обусловлено приспособлением к единому комплексу факторов среды в пределах одной физико-географической зоны – северной лесостепи. Например, во всех выборках высока встречаемость фена FHgsi, и наоборот очень низка частота фена FMtan. Следовательно, выявленная в городской популяции полевой мыши эпигенетическая изменчивость в общем не выходит за рамки сложившейся видовой нормы реакции, и, вероятно, влияние факторов урбанизации не превышает критического для живых систем уровня.

В результате протистологического исследования в пробах из реки Ишим и озера Чертовое обнаружено 23 вида фототрофных эвгленовых жгутиконосцев, относящихся к 5 родам. По видовому разнообразию лидирует род – Euglena – 11 видов. По 5 видов включают рода Trachelo-monas и Phacus . Роды Lepocinclis и Monomor-phina представлены 1 видом каждый. Фауна эвгленовых жгутиконосцев р. Ишим представлена 16 видами, что составляет 69,6% от общего числа видов. Наибольший вклад в эвгленофауну р. Ишим вносит род Euglena , представленный 8 видами. Численно же в пробах доминируют виды Phacus pleuronectes, Phacus acuminatus, Mono-morphina pyrum. Остальные виды в пробах встречаются редко.

Среди обнаруженных нами видов 1 вид характеризует олигосапробную зону, что составляет 6,3%, 6 видов – β-мезосапробную зону (37,5%), 2 вида – β-α- мезосапробную зону (12,5%) и 5 видов – α-мезосапробную зону (31,3%). Из соотношения видов, характеризующихся разной индикаторной значимостью видно, что в пробах из р. Ишим доминируют β-мезосапробные виды. Однако по индексу са-пробности р. Ишим является α-мезосапробным водоёмом (табл. 4). В пробах из озера Чертовое выявлено17 видов эвгленид, что составило 74% от общего числа видов. По видовому разнообразию здесь также лидирует род Euglena , представленный 10 видами. Доминантами по относительной численности выступают виды: Euglena proxima, Trachelomonas hispida, Tr. oblonga. Большая часть видов эвгленид озера Чертовое (58,8%) характеризует β-мезосап-робную зону, 23,5% видов – α-мезосапробную зону и 11,8% видов являются индикаторами олигосапробной зоны. Однако по значению индекса сапробности данный водоем относится к α-мезосапробной зоне.

Таким образом, обследованные водоёмы характеризуются значительным уровнем органического загрязнения. Высокий уровень насыщения органическими веществами воды озера Чер-товое, вероятно, обусловлен аллохтонным загрязнением вследствие хозяйственной деятельности человека, поскольку из-за слабого развития водной макрофитной растительности и бедности сообществ макробеспозвоночных животных поступление в этот водоём автохтонного органического вещества незначительно. Высокая сапробность исследованного участка р. Ишим обусловлена, вероятно, поступлением и аллохтонной, и автохтонной органики вследствие обмеления реки и разрастания макрофитной растительности.

Таблица 4. Характеристика хвои сосен, произрастающих по ул. Карла Маркса

	р. Ишим	оз. Черто-вое
индекс сапробно-сти, S	3,4	3,0
зона загрязнения водоема по са-пробности	α-мезоса-пробная	α-мезоса-пробная

Выводы:

• 1.    Исследованные популяции животных и растений характеризуются высокой вариабельностью морфологических признаков, уровень которой положительно коррелирует с величиной антропогенной нагрузки.

• 2.    Совокупное воздействие нескольких источников загрязнения приводит к уменьшению размеров, увеличению числа повреждений морфологических признаков и снижению всхожести семян у растений.

• 3.    Выявлен высокий уровень эпигенетического полиморфизма в городских популяциях животных, который отражает специфику условий развития, и соответственно, характера загрязнения, но не превышает критического значения.

• 4.    Обследованные водоёмы г. Ишима характеризуются значительным уровнем органического

• 5.    Результаты предварительных исследований свидетельствуют о необходимости систематического мониторинга за качеством окружающей среды города, включающего не только экологические, но и генетические исследования.

загрязнения, обусловленного, главным образом, хозяйственной деятельностью человека.