Морфологическая изменчивость пыльцы Pinus sylvestris L. в условиях промышленного города (на примере г. Мончегорска)

Палиноиндикация широко используется в современных экологических исследованиях для оценки качества окружающей среды [1], [2], [3], [4], [5], [8], [9], [13]. Жизнеспособность пыльцы может служить косвенным показателем мутагенности и фитотоксичности загрязнителей [1]. Под воздействием промышленных эмиссий растения продуцируют большое количество те-ратоморфных (уродливых) и стерильных пыльцевых зерен. При этом чем хуже экологическая обстановка, тем выше процент содержания патологической пыльцы, и наоборот [5]. Отмечено, что количество тератоморфных пыльцевых зерен значительно увеличивается вблизи промышленных центров [3], [5], [8], [9], [11], [17].

Город Мончегорск расположен за Полярным кругом (67°56’ с. ш., 32°52’ в. д.), в зоне крайней северной тайги. Мончегорский промышленнотерриториальный комплекс включает в себя ряд медно-никелевых месторождений, карьер, ме- таллургический комбинат «Североникель» с отстойником и шламохранилищем. Выбросы Кольской ГМК и ОАО «Североникель» составили в 2010 году 39,1 тыс. т [7]. Основными загрязняющими веществами комбината при переработке медно-никелевого сырья являются диоксид серы и пыль, содержащая тяжелые цветные металлы (никель, медь, кобальт). Помимо медно-никеле-вого комбината в городе действуют: завод железобетонных изделий, щебеночный завод, ремонтно-механические предприятия, несколько предприятий легкой и пищевой промышленности [12]. Теплоснабжение города осуществляется от местной ТЭЦ, работающей на мазуте. Основными поставщиками токсичных элементов в окружающую среду являются: металлургический комбинат, местная ТЭЦ, предприятия строительной индустрии и городская инфраструктура. Загрязнение атмосферного воздуха и природной среды происходит за счет газоводымовых эмиссий комбината «Североникель»,

проведения взрывных работ, транспортировки и механической переработки руд, полуфабрикатов, природного камня, производства строительных материалов, сжигания мазута. Имеет значение и наличие большого количества оголенных грунтов (промплощадки, откосы дорог и песчаных карьеров), которые являются источником естественной геогенной пыли [12].

В то же время Мончегорск является одним из примеров продуманного проектирования промышленного центра. Город построен на достаточном удалении от комбината «Северони-кель» с учетом розы ветров, при этом сохранены участки естественного леса. Большинство зеленых насаждений сформировано на основе лесных сообществ, в которых доминирует Pinus sylvestris L. (cосна обыкновенная).

Сосну обыкновенную часто используют в качестве тест-объекта состояния окружающей среды из-за высокой чувствительности данного вида к загрязнению [3], [9], [10], [11], [22]. В условиях техногенной нагрузки отмечаются изменения морфометрических и морфологических показателей генеративных органов сосны, увеличение гибели семенных зачатков и эмбрионов, уменьшение количества и качества семян, снижение жизнеспособности пыльцы в результате увеличения продукции аномальных пыльцевых зерен [10]. Естественный полиморфизм пыльцы сосны обыкновенной представлен достаточно большим количеством морфотипов. Однако содержание тератоморфных пыльцевых зерен в таких пробах не превышает 3–7 % от общего числа исследованных [6]. В условиях загрязнения число морфотипов аномальной пыльцы и ее количество значительно возрастают [2], [3], [9], [10]. При этом формируется пыльца низкого качества [22], [24], [25], что оказывает значительное влияние на формирование женских шишек: семена продуцируются в основном стерильные [22].

Цель исследования – изучение морфологической изменчивости пыльцы Pinus sylvestris L. и палиноиндикация окружающей среды г. Мончегорска.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Исследования выполнены в полевой сезон 2013 года. В парках и скверах г. Мончегорска заложено 9 пробных площадок. В качестве контрольной выбрана площадь у Свято-Вознесенского кафедрального собора, находящегося на наибольшем удалении от комбината «Севе-роникель». Сбор проб осуществлялся в период массового пыления сосны – во второй половине июня 2013 года. Высоту деревьев измеряли при помощи лазерного дальномера Bosch DLE 50. Для сбора проб использовали деревья высотой около 12–13 м. На каждой пробной площади с 5 деревьев P. sylvestris была взята общая проба микростробил с созревшей пыльцой [9].

Мужские шишки подсушивали и фиксировали в 50 % растворе спирта. Для палиноморфологического анализа использовали микроспорофиллы из средней части микростробил, материал окрашивали в 1 % растворе ацетокармина [4], [18]. Палиноморфологические исследования проводили с помощью световой микроскопии. При первичном анализе микропрепаратов, на основе аномалий развития пыльцы P. sylvestris , описанных в литературе [4], [5], [9], выделены морфотипы тератоморфных зерен. В каждом поле зрения микроскопа фиксировалось наличие нормальной, тератоморфной пыльцы разных морфотипов, подсчитывалось их количество и анализировались морфологические особенности [4]. С каждой пробной площади изучено не менее 400 пыльцевых зерен.

Палиноиндикацию городской среды Мончегорска проводили на основе содержания нормально развитой пыльцы сосны в образцах по классификации Н. А. Калашник [9], [11]. Согласно данной шкале экологического районирования территорий, пробы пыльцы условно чистых территорий содержат более 90 % нормально развитой пыльцы, умеренно загрязненных – 89,4– 82,9 %, сильно загрязненных – 82,3–75,2 %, критически загрязненных – 68,6–62 %.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

В результате палиноморфологических исследований выявлено, что наибольшее количество нормально развитой пыльцы содержится в образцах контроля (90 %), проспекта Кирова (87 %) и Экопарка (86 %) (см. таблицу). Среди остальных проб диапазон варьирования типичной, морфологически не измененной пыльцы очень широкий. В образцах с площадей Революции и Пяти углов, улицы Ферсмана ее доля составляет от 71 до 76 %, низкое количество у сосен, произрастающих в Городском парке (от 60 до 64 %), на проспекте Металлургов (45 %).

Аномальные (нетипичные) пыльцевые зерна сосны отличаются от нормальных размерами, формой и количеством воздушных мешков. При палиноморфологическом анализе выделено 10 морфотипов тератоморфной пыльцы: без пыльцевых мешков, одномешковые, двухразномеш-ковые, трехмешковые, четырехмешковые, без содержимого, с нарушениями экзины, полиады, гигантские и редуцированные пыльцевые зерна (см. таблицу). В протестированных пробах содержание тератоморфной пыльцы от 10 до 55 %.

Больше всего палиноморф с аномалиями развития в пробах проспекта Металлургов (55 %) и Городского парка (36–41 %). Палиноморфизм у сосен на этих площадках достигает максимума, наблюдается увеличение количества и разнообразия типов тератоморф, выделено 9 морфо-типов аномальной пыльцы. Палинотератный комплекс в образце с площади Революции на-

Морфотипы пыльцевых зерен Pinus sylvestris L. на территории г. Мончегорска (среднее число, %)

Морфотипы пыльцевых зерен Места взятия проб (площадки) Городской парк (центр) Зеленая зона на проспекте Металлургов Сквер на проспекте Кирова Экопарк в районе Ленинградской набережной Территория Свято-Вознесенского кафедрального собора Городской парк (юг) Городской парк (север) Лесо-парковая зона на улице Ферсмана Площадь Революции Площадь Пяти углов Нормальные 60,25 45,25 86,75 85,75 90,25 59,5 64,25 76 71,25 72,75 Тератоморфные пыльцевые зерна Из них: 39,75 54,75 13,25 14,25 9,75 40,5 35,75 24 28,75 27,25 Без пыльцевых мешков 5,75 6,5 0,5 1,5 0 8,5 3,5 1 4,25 1,5 Одномешковые пыльцевые зерна 4,75 5,5 1,5 0,5 0,5 2 4,5 2 3,25 4,5 Двухразномеш-ковые пыльцевые зерна 3 6,5 2,5 2,5 0 2,75 2,5 2,25 3,25 2,75 Трехмешковые пыльцевые зерна 0,5 0,5 0 0 0 0,25 0,75 0 1 1 Четырехмешко-вые пыльцевые зерна 0 0 0,5 0 0 0 0 1 0,75 0 Без содержимого 10,25 14,75 4,5 2,5 2,5 5,25 5,50 4,25 2,75 3 Нарушения экзины 0 4,5 0 0 0 0,75 1,5 0,25 0,25 0 Полиады 2,5 2,5 0 0 0 1 2 1,5 1 1 Гигантское тело 5, 5 4,5 0 5,5 1,25 5,25 4,5 3,25 3,25 3,25 Редуцированное тело 7,5 9,5 3,75 1,75 5,5 14,75 11 8,5 9 10,25 считывает 10 типов нарушений развития (29 %), площади Пяти углов – 8 (27 %), проспекта Кирова и Экопарка – 6 (13–14 %). В контроле также содержится аномальная пыльца (10 %), но уровень ее морфологической изменчивости значительно ниже: выделено 4 морфотипа тератоморфной пыльцы.

Наиболее часто у сосен на территории г. Мончегорска встречаются такие аномалии развития, как пыльца с редуцированным телом, без содержимого, гигантская, без пыльцевых мешков, одномешковая и двухразномешковая. Во всех образцах (кроме контроля) выявлены пыльцевые зерна, значительно отличающиеся от общепринятой нормы по своим морфологическим характеристикам, с аномалиями воздушных мешков (безмешковые, одномешковые и двухразномеш-ковые). Самое большое содержание таких нетипичных зерен (18,5 %) у сосен на проспекте Металлургов и двух площадках Городского парка (юг, центр – 13,5 %). Значительно реже в пробах встречается трех- и четырехмешковая пыльца (см. таблицу). Трехмешковая пыльца выявлена в незначительных количествах (от 0,25 до 1 %) в образцах шести площадок, четырехмешковые пыльцевые зерна обнаружены в пробах трех площадок (от 0,5 до 1 %). Во всех протестированных образцах выявлены мелкие пыльцевые зерна с редуцированным телом. Самая высокая встречаемость такой пыльцы в пробах Городского парка (юг) (15 %) и площади Пяти углов (10 %). Развитие нанопыльцы в загрязненных районах также отмечают многие исследователи [4], [22]. Почти во всех образцах присутствует гигантская гипертрофированная пыльца (1–5,5 %). Полиады и аномальные зерна с нарушениями экзины составляют небольшую долю в палинотератном комплексе (см. таблицу).

В ходе палиноморфологических исследований P. sylvestris в г. Мончегорске выявлен высокий уровень полиморфности пыльцы. Количество тератоморфных пыльцевых зерен значительно различается по районам города – от 10 % (контроль) до 55 %. На территории г. Костомукши, находящегося в зоне действия комбината по производству железорудного сырья «Карельский окатыш», содержание аномальной пыльцы в среднем составляет 43 % [3], [9].

Данные по полиморфизму пыльцевых зерен сосны в условиях промышленного загрязнения г. Мончегорска представляют особый интерес. Многообразие морфотипов пыльцы свидетельствует о высокой лабильности ее структуры. Как известно, для пыльцы семейства сосновых (за исключением лиственницы, тсуги и псевдотсуги) характерны билатерально-симметричные двухмешковые пыльцевые зерна. Воздушные мешки у них образуются в результате расхождений слоев экзины, пространство между которыми у сформированного пыльцевого зерна заполнено воздухом. Как показали исследования [21], развитый воздушный мешок выполняет не столько функцию летательного аппарата, сколько гармомегата, то есть при помощи него регулируется объем пыльцевого зерна в зависимости от содержания в нем влаги. В качестве летательного аппарата они, по-видимому, были использованы вторично. В изученных нами образцах пыльцы сосны г. Мончегорска встречаются такие тератоморфы, как безмешковые, одномешковые, двухразномешковые, трех- и че-тырехмешковые пыльцевые зерна. Асимметричное расположение воздушных мешков приводит к нарушению летных свойств пыльцы, отсутствие или наличие только одного воздушного мешка также снижает ее парусность. Такие мор-фотипы наиболее часто встречаются в изученных образцах пыльцы сосны и не могут выполнять адаптивную функцию. Асимметричность пыльцевых зерен с двумя пыльцевыми мешками разного размера и расположения, с их редукцией и с одним пыльцевым мешком можно рассматривать как признак нестабильности развития [23]. Появление же многомешковой пыльцы у хвойных в условиях техногенного загрязнения может быть связано с необходимостью увеличения летучести пыльцевых зерен [15], [16]. Такая пыльца развивается у представителей родов Pinus и Piceae только в экстремальных условиях среды [21].

Среди аномалий пыльцы сосны на территории г. Мончегорска выявлена большая доля зерен с редуцированным телом. Возможно, это реакция на пониженную влажность воздуха, характерную для техногенной среды, когда в ходе микроспорогенеза образуется большое количество пыльцевых зерен, у которых уменьшается объем тела. На образование мелких пыльцевых зерен вследствие сухости воздуха в условиях загрязнения указывают многие авторы [4], [15], [22]. В результате потери воды объем живого пыльцевого зерна сокращается, воздушные мешки смыкаются над вминающейся внутрь тела бороздой и закрывают собой наиболее тон- кий участок экзины. Эти процессы приводят к снижению испарения и предохраняют пыльцевые зерна от полного высыхания [17], [18]. В то же время другие авторы [14], [23] считают, что палинотератный комплекс с господством карликовых палиноформ в условиях высоких широт связан с адаптацией к низким температурам и избыточному увлажнению. Такие формы выявлены в некоторых поверхностных пробах, отобранных из тундровой зоны Западной Сибири [14].

Считается, что реакция растений разных видов на экологический стресс генетически детерминирована и отражает конкурентоспособность, адаптивные возможности и устойчивость к неблагоприятным воздействиям [17]. Однако современные исследования показывают, что даже видовые признаки пыльцы достаточно изменчивы [19]. Пыльца, как носитель генетической информации, должна обладать устойчивыми видовыми признаками, но полученные результаты свидетельствуют об обратном [16].

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Палиноморфологический анализ P. sylvestris г. Мончегорска выявил высокую морфологическую изменчивость пыльцы, что проявляется в образовании большого числа тератоморф. Многочисленные нарушения развития пыльцевых зерен свидетельствуют о том, что пыльники микростробил сосны обыкновенной, произрастающей на территории г. Мончегорска, подверглись воздействию промышленных эмиссий, о нарушениях в процессах микроспорогенеза и микрогаметогенеза.

Содержание в образцах типичной и аномально развитой пыльцы значительно различается по районам г. Мончегорска. При этом можно выделить несколько достаточно экологически благополучных районов города, где отмечено низкое содержание тератов: территория Свято-Вознесенского собора, Экопарк, проспект Кирова. Более высокое содержание тератоморф-ной пыльцы отмечено у сосен, произрастающих в лесопарке на ул. Ферсмана, на площадях Революции и Пяти углов. Согласно палинологической шкале [11] экологического районирования территорий (по содержанию нормальной пыльцы), эти районы г. Мончегорска можно отнести к сильно загрязненным. Городской парк и проспект Металлургов, где выявлено наименьшее содержание нормальной пыльцы и наиболее высокое содержание тератоморф, являются зонами с критическим уровнем загрязнения.