Одуванчик лекарственный Taraxacum officinale L. как перспективный инструмент биодиагностики состояния городской среды

DOI:

Проведение экологического мониторинга состояния окружающей среды может осуществляться и с применением фитоиндикации загрязнений. В условиях экологического неблагополучия риск существует для всех живых организмов, при этом растения раньше, чем животные, реагируют на смену условий среды обитания [5]. Выбор растения-индикатора для проведения биотестирования имеет первостепенное значение по причине видовой специфики реакции на различные поллютанты [11]. Тест-растения обозначают собой те самые биологические элементы, которые составляют тест-систему [6; 13].

Почвы в совокупности с растениями-индикаторами аккумулируют значительную часть загрязнений, поступающих из атмосферного воздуха, в результате чего они служат индикаторами техногенной нагрузки на окружающую среду [8]. Адсорбция загрязняющих веществ и их удержание являются основными экологическими функциями почвы, что влияет на ее продуктивность и пригодность для произрастания различных растений, также она выполняет важные средообразующие функции [17].

В 2019 г., по данным Управления Федеральной службы по надзору в сфере природопользования (Росприроднадзор) по Волгоградской области, масса выбросов загрязняющих веществ в атмосферу по региону от стационарных источников составила более 80 тыс. т, а выбросы в атмосферу от автотранспорта по данным Единой межведомственной информационно-статистической системы (ЕМИСС) составили 91,4 тыс. т [3].

Научный и практический интерес представляет проведение мониторинга окружающей среды на содержание различных форм загрязнений в почвах вблизи источников антропогенного воздействия на экосистемы [4; 12; 15]. Депонирующая роль почв во взаимодействии с растительностью переходит в метаболическую роль, что выражается в преобразовании поллютантов в более биодоступ-ные формы [2].

Получение растительного маркера, отвечающего на конкретные загрязнения, способствует своевременному определению их присутствия в окружающей среде. Выведение потомственной линии однообразных особей для использования их в качестве тест-объектов позволит получить точные резуль- таты, а их применение будет наиболее эффективным при биомониторинге.

Материалы и методы

Одуванчик лекарственный ( Taraxacum officinale L.) выбран в качестве биоиндикатора ввиду повсеместной распространенности и хорошей изученности. Taraxacum officinale активно применяется в экологическом мониторинге, особенно часто его используют в качестве индикатора тяжелых металлов. Выбор одуванчика именно для индикации тяжелых металлов обусловлен тем, что металлы накапливаются в его листьях и корневой системе [16; 17].

В качестве методики для проведения биотестирования с использованием одуванчика лекарственного ( Taraxacum officinale ) нами был выбран метод определения фитотоксичности по ингибированию прорастания семян и роста проростков [10]. В используемом методе для развернутой оценки влияния загрязнения почвы учитывается ряд показателей, принятых в семеноводстве, к которым относятся всхожесть, энергия прорастания, дружность прорастания и скорость прорастания. Фитотестирование как способ оценки применяется в природоохранной практике для оценки экологического состояния окружающей среды, уровень фитотоксичности почв отмечается при накоплении тяжелых металлов в количествах, превышающих ПДК [7; 14].

Под всхожестью понимают число проросших семян, выраженное в процентах от общего количества высаженных семян.

К энергии прорастания относят число семян, проросших за первые трое суток, выраженное в процентах от общего количества семян, взятых для проращивания [9].

Дружность прорастания представляет собой средний процент семян, проросших за первые сутки прорастания:

^{Д —} П,

где Д – дружность прорастания; П – полная всхожесть; А – число дней прорастания.

Скорость прорастания – это сумма средних чисел семян, прорастающих ежедневно:

бв

С — a +1---+... +—, где С – скорость прорастания; а, б, в, …, n – число семян, проросших за первые, вторые, третьи и последующие сутки.

Также нами применялся метод определения всхожести семян, регламентируемый ГОСТ 12038-84 [1]. Для работы использовалась усредненная выборка 10 семян, полученная методом квартования из 100 семян. Семена раскладываются на трех слоях увлажненной фильтровальной бумаги в одноразовые контейнеры.

Для первого этапа исследования, проводимого в осенний период 2019 г., применялись семена Taraxacum officinale , собранные с плодоносящего одуванчика, произрастающего на территории города Волгограда. Семена высаживались в предварительно отобранную почву точек с неблагоприятным статусом, а также в месте с минимальным антропогенным воздействием на территории города Волгограда и Волгоградской области: на территории химического предприятия (ВОАО «Химпром»), на участке рядом с дорогой (2-я Продольная магистраль в Кировском районе города), в степи (Ольховский район, Волгоградская область). Контрольная выборка высеивалась на перлит. Для эксперимента был произведен отбор почвы с одинаковой глубины 20–30 см. Масса невысушенной почвы с каждой точки составила 1 килограмм. В каждую навеску почвы и перлит в начале эксперимента было высеяно по 20 семян. Образцы почвы и семена растений собирались в сентябре 2019 года.

По завершению опыта по определению фитотоксичности методом оценки ингибирования прорастания семян и роста проростков были выбраны наиболее типичные особи, от которых в конце весны 2020 г. был собран урожай семян.

На втором этапе исследования, который проводился осенью 2020 г., отобранные семена использовались для проверки следующих почвенных образцов: условно чистая почва, отобранная в степной зоне (Ольховский район, Волгоградская область); почвы загрязненной зоны химического предприятия (ВОАО «Химпром»), участка рядом с дорогой (2-я Продольная магистраль в Кировском районе го- рода) и с территории промышленного объекта (ВМК «Красный Октябрь»).

Результаты и обсуждение

В ходе проращивания семян в рамках первого этапа исследования было произведено сравнение ростков по внешнем признакам (рис. 1). При сравнении ростков, проросших в исследуемой почве к третьему дню наблюдения, можно отметить, что наиболее интенсивно проросли семена, высаженные в степную почву; семена, высаженные в перлит, проросли чуть позже, чем семена в степной зоне (рис. 1а). К шестому дню наблюдения можно отметить, что у особей, проращиваемых в почве степной зоны, в отличие от других, появились третьи листочки, более заостренные (рис. 1б). На двенадцатый день наблюдений отмечено резкое ускорение роста у особей, выращиваемых в почве, отобранной рядом с химическим предприятием и автомагистралью (рис. 1в). Такую парадоксальную реакцию можно объяснить тем, что находящиеся в данной почве загрязняющие вещества могли выступить в роли ростовых стимуляторов. На двенадцатый день все проросшие ростки имели по три листочка, один из которых имел уже четкую вытянутую форму (то есть был первым настоящим листом в обрамлении двух семядольных листочков). К последнему дню наблюдения одуванчики, выращиваемые в почве, отобранной рядом с дорогой, более вытянуты по сравнению с другими ростками (рис. 1г). Наименьший прирост к концу наблюдения был отмечен у особей, выращиваемых в чистом перлите. У более крупных ростков стали появляться последующие листья характерной для вида формы.

В ходе развернутой оценки влияния загрязнения почвы были определены всхожесть и энергия прорастания семян в отобранной почве. По формулам (1) и (2) были рассчитаны дружность прорастания и скорость прорастания семян.

Для определения всхожести семян было учтено количество семян, проросших к последнему дню наблюдения. Таким образом, можно отметить, что минимальные всхожесть и энергия прорастания отмечены у семян, выращиваемых в почве, отобранной рядом с дорогой. Максимальным процентом дружности прорастания обладают семена, выращиваемые в чистом перлите (см. табл. 1).

а) третий день эксперимента

б) шестой день эксперимента

в) двенадцатый день эксперимента

Рис. 1. Размеры ростков Taraxacum officinale в первом эксперименте

«Химпром» магистраль

г) двадцать первый день эксперимента

Сравнивая ростки Taraxacum officinale в ходе второго этапа исследования (рис. 2), можно отметить, что семена, высаженные в почву, характеризующуюся минимальным антропогенным воздействием, в первые дни прорастали более интенсивно, чем семена, высаженные в загрязненную почву (рис. 2 а ).

К девятому дню у ростков появились первые настоящие заостренные листочки, за исключением образцов проращиваемых в почве, отобранной на территории ОАО «Химпром» (рис. 2б). Это связано с запоздалой всхожестью семян, проращиваемых в данной почве, по сравнению с другими образцами. К двадцать седьмому дню у всех проростков имеется по три листа (один настоящий лист и два семядольных). Также отмечено, что рос- тки в почве, подвергшейся действию транспортных поллютантов, характеризовались менее насыщенной окраской по сравнению с другими образцами. Это сигнализирует о меньшем содержании хлорофилла. У большинства особей, выращиваемых в почвах, отобранных в условно чистом месте и рядом со 2-й Продольной магистралью Волгограда, к этому времени имеется уже более трех листков (рис. 2в).

Оценка влияния загрязнения на ростовые процессы одуванчика лекарственного в ходе второго этапа проводились аналогичным первому этапу образом по тем же формулам (1) и (2). Семена, пророщенные в степной почве, значительно превосходили другие образцы по энергии прорастания. Се-

Таблица 1

Показатели развернутой оценки влияния загрязнения почвы на прорастание семян за 2019 год

Показатели	Образцы отобранной почвы
	ОАО «Химпром»	2-я Продольная магистраль	Степь	Чистый перлит
Всхожесть семян	80 %	30 %	90 %	90 %
Энергия прорастания семян	65 %	30 %	80 %	85 %
Дружность прорастания семян	15 %	5 %	8,5 %	30 %
Скорость прорастания семян	5,1	2,3	6,1	6,6

Рис. 2. Размеры ростков Taraxacum officinale во втором эксперименте

мена, выращиваемые в почве, отобранной рядом с дорогой, отличаются энергией прорастания от семян, выращиваемых в почвах, отобранных рядом с предприятиями, и характеризуются большой всхожестью (табл. 2).

Таким образом, результаты двухэтапного опыта подтверждают общую тенденцию снижения показателей динамики прорастания семян и физиологического благополучия проростков одуванчика лекарственного. Также следует отметить повторяемую дифференцированную реакцию на различия в количественных и качественных характеристиках загрязнения обследуемой среды, что подтверждает возможность использования растения в качестве тест-организма в биодиагностической практике.

Заключение

В результате всех проведенных исследований и наблюдений нами были сделаны выводы о перспективности применения одуванчика лекарственного Taraxacum officinale в качестве биоиндикатора для проведения экологического мониторинга. Исследование загрязненных почвенных образцов подтвердило, с одной стороны, физиологически значимый уровень техногенной токсичности почв городской агломерации, с другой – возможность использования одуванчика лекарственного в качестве тест-организма благодаря его хорошо дифференцируемой реакции на поллютанты. Также к материальным результатам исследования следует отнести получение семенного фонда для дальнейшей селекции устойчивой линии с выровненным генофондом и фенотипической реакцией на воздействия в ходе биотестирования.