БИОИНДИКАЦИЯ ЗАГРЯЗНЕНИЯ АТМОСФЕРНОГО ВОЗДУХА ПО СОСТОЯНИЮ ХВОИ СОСНЫ ОБЫКНОВЕННОЙ В РАЙОНЕ РАСПОЛОЖЕНИЯ МОУ «ГИМНАЗИЯ Г. НЕВЕЛЯ ПСКОВСКОЙ ОБЛАСТИ» Аннотация. В настоящее время наше общество уделяет большое внимание проблемам экологии. Цель работы: оценить загрязнение атмосферного воздуха по характеру повреждений хвои сосны обыкновенной на двух участках в районе расположения МОУ «Гимназия г. Невеля Псковской области» и на участке за городом. Сосна обыкновенная является важнейшим индикатором антропогенного влияния, и принимается экологами в настоящее время за «эталон биодиагностики». Сосна чутко реагирует на малейшее изменение условий произрастания, в том числе и загрязнение среды, широко распространена, имеет приоритет перед лиственными породами в связи с возможностью круглогодичных наблюдений. Данное исследование имеет практическую значимость: на основе результата исследований созданы рекомендации для населения по охране воздуха от загрязнений. Ключевые слова: биодиагностика, сосна, атмосферный воздух. 2 Введение В настоящее время наше общество уделяет большое внимание проблемам экологии. Если внимательно присмотреться к окружающему нас растительному и животному миру, то можно обнаружить, что организмы сами показывают человеку степень загрязнения окружающей среды. Город Невель не имеет крупных промышленных градообразующих предприятий на своей территории, но есть несколько небольших заводов и фабрик. Автомобиль, а в некоторых случаях – два, имеется в большинстве семей. Через город проходит железная дорога, станция Невель-2 является крупным транспортным узлом с большим количеством поездов. Эти факторы негативно влияют на экологическое состояние города. Цель работы: оценить загрязнение атмосферного воздуха по характеру повреждений хвои сосны обыкновенной на двух участках в районе расположения МОУ «Гимназия г. Невеля Псковской области» и на участке за городом. Задачи: 1. Исследовать последствия влияния атмосферных загрязнений на хвою сосны обыкновенной. 2. Оценить состояние хвои сосны обыкновенной на выбранных участках. 3. Сделать выводы о степени загрязнения атмосферного воздуха в обследуемых районах г. Невеля и за городом. Объект исследования: состояние атмосферного воздуха в районе г. Невеля, находящемся в районе МОУ «Гимназия г. Невеля». Предмет исследования: хвоя сосны обыкновенной. Актуальность исследования: в условиях постоянного загрязняющего воздействия человека на атмосферный воздух важно своевременно определять степень воздействия загрязнителей. Практическая значимость: на основе результата исследований будут созданы практические рекомендации для населения по охране воздуха от загрязнений. Гипотеза исследования: состояние атмосферного воздуха в черте города имеет прямую зависимость от выбросов транспорта, промышленных предприятий и котельных. Обзор литературы. Семёнова А.Ю., Малько С.В. [1, стр. 8] указывают, что ещё в Древнем Риме и Греции живые организмы использовались в качестве показателя определённых природных условий. Они же отмечают, что в трудах М.В. Ломоносова и А.Н. Радищева есть упоминания о растениях, которые указывали на особенности почв, подземных вод, горных 3 пород. Проблемами биоиндикации занимался выдающийся русский учёный-почвовед В.В. Докучаев. Теорией биологического мониторинга занимались профессора МГУ им.М.В. Ломоносова Федоров В.Д. и Бурдин К.С. Кондакова Г.В. даёт следующее определение биоиндикации это оценка состояния различных объектов окружающей среды по наличию тех или иных индикаторных организмов с учетом их морфофункциональных характеристик. [2, стр.7] Ляшенко О.А. указывает, что при всей важности проведения оценки качества среды на всех уровнях с применением различных подходов (включая физические, химические, социальные и другие аспекты) приоритетной представляется биологическая оценка. [3, стр.4] Объектом биоиндикации (по Назаренко Н.Н.) являются экологические свойства и биологические признаки, а предметом – закономерности взаимоотношений этих признаков (свойств) между собой и биотическими факторами. При этом необходимо помнить, что биоиндикация отображает влияние внешних по отношению к биосистеме факторов, в том числе и антропогенных [4, стр. 6]. Дендроиндикация – это метод биоиндикации, позволяющий на основе анализа характеристик древесного яруса и полога подроста (радиальный и линейный прирост, продолжительность жизни хвои, наличие некроза и хлороза, жизненное состояние древостоя и т. д.) судить о состоянии природной среды. Древесные растения наиболее часто выбираются для биоиндикационных исследований в силу их высокой индикаторной значимости [5, с. 23]. Дейнега Е.А., Савватеева О.А. указывают, что для условий лесной полосы России наиболее чувствительны к загрязнению сосновые породы. Это обусловливает выбор сосны как важнейшего индикатора антропогенного влияния, принимаемого в настоящее время за «эталон биодиагностики». Сосна чутко реагирует на малейшее изменение условий произрастания, в том числе и загрязнение среды, широко распространена, имеет приоритет перед лиственными породами в связи с возможностью круглогодичных наблюдений [6]. 1. Влияние атмосферных загрязнений на хвою сосны обыкновенной. Сосна обыкновенная является видом, активно реагирующим на продукты техногенеза. Условия произрастания популяций сосны в городской среде резко отличаются от условий произрастания сосны обыкновенной в районах, где антропогенное воздействие минимизировано. Сосна обыкновенная (Pinus sylvestris) - древесное 4 голосеменное вечнозеленое растение. На самом деле листья-иглы существуют до пяти лет и опадают ежегодно только частично, поэтому дерево кажется вечнозеленым. Растения болезненно реагируют на большой спектр загрязняющих выбросов, но особенно: оксиды серы, частицы тяжелых металлов, соединения фтора, фотохимическое загрязнение, углеводороды, оксид углерода, содержащийся в выхлопных газах автомобилей. Из-за постоянного воздействия загрязнителей деревья рано стареют, редеет и уродуется их крона, преждевременно желтеет и опадает хвоя. Доказано, что в нормальных условиях хвоя сосны опадает через 3 – 5 лет, а поблизости от источников загрязнения атмосферы – значительно раньше. Особенно чутко реагирует сосна на загрязнения сернистым газом. Под влиянием токсиканта хвоя сосны в зонах сильного загрязнения приобретает темно-красную окраску, затем отмирает и опадает, просуществовав всего год. Периодическое воздействие оксидов азота и серы вызывает у сосны обыкновенной опадание хвои, которая сохраняется лишь на побегах последнего года. Если сосновые иголки без пятен, воздух считают идеально чистым; если хвоинки с редкими мелкими пятнами, воздух чистый. Если имеются хвоинки с частыми мелкими пятнами, можно говорить о загрязненном воздухе, а при наличии желтых и черных пятен – об опасно грязном воздухе. Когда максимальный возраст хвои не превышает одного года и хвоинки все в многочисленных пятнах, можно говорить уже об очень грязном, вредном для здоровья воздухе. Под влиянием токсиканта у сосны происходят следующие изменения: уменьшение продолжительности жизни хвои; отмирание побегов; появление некрозов (омертвление тканей); изреживание кроны; уменьшение ширины годичных колец. Хвоепад (листопад) у сосны происходит осенью. Зеленые хвоинки располагаются на прошлогодних побегах и побегах текущего года. Желтые на более старых, которым уже более 3 лет. Также у сосны происходит изреживание кроны, появляется много сухих веток, покрытых редкой короткой хвоей. Сернистый газ поглощается растением через устьица, растворяется в жидкой фазе клеток (цитоплазме) и вызывает отравление живых тканей. Скорость поступления фитотоксиканта сильно зависит от влажности воздуха и насыщенности листьев водой. Увлажненные хвоинки поглощают сернистый газ в несколько раз больше, чем сухие. Растение интенсивно накапливает в тканях серу. Молодые хвоинки (молодые деревья) активнее поглощают сернистый газ, чем старые. Поэтому возраст сосновой хвои указывает на степень загрязнения. При концентрации сернистого газа 1 : 1000000 хвоя сосны опадает. Фотосинтез полностью прекращается. 5 Появление некрозов (омертвление тканей) чаще проявляется на хвоинках сосны под влиянием загрязняющих веществ. 2. Методика исследования. Исследование было проведено по методике Шайхутдиновой А. А., представленной в пособии «Атмосфера промышленного предприятия. Методы анализа и очистки» [6]. Дата проведения: 18-20 февраля 2022 года. Для проведения индикации были выбраны участки: Участок №1 находится в черте города на улице Гвардейская в районе дома №116. Рядом проходит автомобильная дорога к гаражам Великолукского мясокомбината. В шаговой доступности находится железная дорога, ряд промышленных предприятий. Вытаптывание участка слабо выражено. Участок №2 находится на ул. М. Маметовой возле дома № 38. Рядом проходит автомобильная дорога, через дорогу находится котельная. Участок №3 находится возле деревни Борки Невельского района, за 1000 м от автомобильной дороги. Движение по этой трассе отличается слабой интенсивностью. Вытаптывание участка отсутствует. Время проведения исследования: февраль 2022 года (приложения №1,2). Были выбраны модельные деревья высотой 1-1,5 метра, произрастающие на открытых местах. Открытое пространство при выборе учётной площадки важно для исследования, так как у деревьев, растущих на отдалении друг от друга, повреждения выражены более заметно, чем у деревьев, в густых насаждениях. В сосняках с чистым воздухом большая часть хвои не имеет повреждений, и лишь малая часть хвоинок может иметь светлозеленые пятна, некротические точки микроскопических размеров, которые можно обнаружить с помощью специального оборудования. При загрязнении окружающей среды у сосны возникают хлорозы и некрозы, замечается уменьшение длины хвоинок. Изменяется рост побегов текущего года и прошлых лет: их толщина, размер шишек, сокращается величина и число заложенных почек. Уменьшение числа заложенных почек приводит к уменьшению ветвления. Так как рост побегов и хвои в связи с загрязнением снижается, то на растении происходит сближение расстояния между хвоинками в загрязненной зоне (их больше на 10 см побега, чем в чистой зоне). Сама хвоя начинает утолщаться, уменьшается продолжительность ее жизни (1–3 года в загрязненной зоне и 6– 7 лет – в чистой). Этапы выполнения исследования: 6 1. Выбрали учетную площадку 10×10 м, на которой учитывали 5–6 модельных сосновых деревьев (в соответствии с рекомендациями автора методики были выбраны молодые особи высотой 1–1,5 м), которые растут открытых местах. 2. Отметили близость транспортных магистралей и степень вытаптывания участка по 4балльной шкале: 1- вытаптывания нет; 2- присутствуют тропы без травяного покрова; 3- интенсивное вытаптывание, на большей части площадки нет ни травы, ни кустарников; 4- интенсивное вытаптывание, травяной покров только у деревьев. В случае вытаптывания территории 3 и 4 балла, биоиндикация загрязнения атмосферы невозможна. 3. С модельных деревьев сделали выборку хвои по схеме: 1. осмотрели у дерева хвоинки предыдущего года (вторые сверху мутовки), если дерево большое, то обследование проводить на боковом побеге в четвертой сверху мутовке (рис. 1); 2. с нескольких боковых побегов в средней и верхней части кроны отобрали 300 хвоинок второго и третьего и четвёртого года жизни; Осмотрели отобранные хвоинки при помощи лупы и распределили их по степени повреждения и усыхания (Приложение 3-4): Виды повреждения и усыхания хвои: а – хвоя без пятен (КП1), нет сухих участков (КУ1); б – хвоя с небольшим числом мелких пятен (КП2), нет сухих участков (КУ1); в – хвоя с большим числом черных и желтых пятен (КПЗ), усох кончик 2 – 5 мм (КУ2); г – усохла треть хвои (КУЗ); д – усохло более половины длины хвои (КУ4); е – вся хвоя желтая и сухая (КУ4); КП – класс повреждения (некрозы); КУ – класс усыхания хвои. 3. Результаты исследования Таблица 1. Состояние хвои сосны обыкновенной на исследуемых участках Степень Исследуемые участки повреждения 1 хвоинок, класс Шт. повреждения (КП) 2 3 % Шт. % Шт. % 100 300 100 300 100 класс усыхания (КУ) Общее исследованных хвоинок число 300 7 неповрежденная 223 74,3 191 63,6 274 91,4 15,4 43 14,3 6 2 4.4 21 7 8 2,7 3,4 19 6,4 7 2,3 2,6 26 8,7 5 1,6 хвоя, КП I, КУ I хвоя с небольшим 46 количеством мелких пятен, нет сухих участков, КП II, КУ I хвоя с большим 13 количеством мелких пятен, есть сухие участки на кончике хвоинки, КП III, КУ II хвоя с признаками 10 усыхания более чем на треть поверхности листовой пластинки, КП III, КУ III хвоя с полностью 8 усохшей листовой пластинкой, КП III, КУ IV По классам повреждения и усыхания хвоинок построили гистограмму (Приложение №5). По классам повреждения хвоинок дали оценку чистоты воздуха: I – воздух идеально чистый; II – чистый; III – относительно чистый («норма»); IV – загрязненный («тревога»); V – грязный («опасно»); VI- очень грязный («вредно») Таблица 2. Экспресс-оценка загрязнения воздуха с использованием сосны обыкновенной. Максимальный Класс повреждения хвои на побегах второго года жизни 8 возраст хвои 1 2 3 4 I I-II III 3 I II III-IV 3 II III IV 2 _ IV IV-V 2 _ IV V-VI 1 _ _ VI « - « -невозможные сочетания Выводы: 1. При исследовании хвои сосны на всех участках были обнаружены хвоинки сосны с различной степенью некрозов и усыхания. Это говорит о том, что атмосферные загрязнения оказывают негативное влияние на состояние хвои. 2. На исследуемых участках процент здоровой хвои колеблется от 63,6 % (участок№2) до 91% (участок №3). Участок №1 имеет 74, 3% здоровой хвои. Хвоя с небольшим количеством мелких пятен, и с отсутствием сухих участков, наблюдается на участках №1-15,4% и на участке№2-14,3%, на участке №3-2%. Хвоя с большим количеством мелких пятен, и с сухими участками на кончике хвоинки наблюдается на участках №14,4% и на участке №2-7%, на участке №3-2,7%. Значительный процент по хвое с признаками усыхания более чем на треть поверхности листовой пластинки и хвои с полностью усохшей листовой пластинкой показывает участок №2-6,4% и 8,7% соответственно. 3. В соответствии с классами повреждения хвоинок воздух на участке №1 определяется– относительно чистый («норма»), на участке№2- загрязненный («тревога»), на участке№3 определяется как чистый. Заключение. Рекомендации для горожан по улучшению чистоты атмосферного воздуха. 1. Минимизировать использование частного автомобильного транспорта и чаще использовать общественный транспорт. 2. Начать использовать альтернативные способы передвижения на открытом воздухе (ходьба, бег, велосипед, самокат, ролики, скейтборд и т.д) 9 3. Высаживать вдоль дорог неприхотливые лиственные деревья и кустарники. Деревья и кустарники, покрытые листвой, поглощают до 85% оседающей на них пыли и выхлопных газов, а в состоянии без листвы - до 60%. Особыми свойствами очищения воздуха обладают деревья с широкой и густой кроной, например, клены и ясени. 4. Жителям города Невеля предлагается принять участие во Всероссийской акции «Чистый воздух» национального проекта «Экология» [8], позволяющего минимизировать выбросы загрязняющих веществ в атмосферу. На сайте акции транслируется счётчик пройденных километров участниками и, как следствие, полученные показатели (тонны) невыброшенных загрязняющих веществ в атмосферный воздух (Приложение 6). Список использованных источников 1.Семёнова. А.Ю., Малько С.В. Биоиндикация и биотестирование загрязнений природной среды. Курс лекций для студентов направления подготовки 05.04.06 Экология и природопользование очной и заочной форм обучения/ФГБОУ ВО «КГМТУ»-Керчь,202022 стр. 2.Кондакова, Г.В. Биоиндикация. Микробиологические показатели: учеб. пособие / Г.В. Кондакова ; Яросл. гос. ун-т. – Яро-славль: ЯрГУ, 2007 – 136 с. 3. Ляшенко О.А, Биоиндикация и биотестирование в охране окружающей среды: учебное пособие / СПб ГТУРП. - СПб., 2012 – 67 с. 4. Назаренко, Н.Н. Биоиндикация окружающей среды : учебно-практическое пособие / Н.Н. Назаренко, М.Ю. Мосиенко. – Челябинск: Изд-во Южно-Урал. гос. гуман.-пед. ун-та, 2019. – 115 с. 5. Биоиндикация загрязнений наземных экосистем / под ред. Р. Шуберта. – М.: Мир, 1988. – 350 с.] 6. Шайхутдинова, А. А. Атмосфера промышленного предприятия. Методы анализа и очистки:методическиеуказания/А.А. Шайхутдинова; Оренбургский гос. ун-т. – Оренбург : ОГУ, 2019 7.Фундаментальные исследования. – 2012. – № 5 (часть 2) – С. 407-411 Дейнега Е.А. Савватеева О.А. Экспресс-контроль антропогенной трансформации городских экосистем методами биоиндикации хвойных пород. https://rae.ru 8.Всероссийская акция «ВыбираюЧистый воздух»https://agrcity.ru›novosti/novosti/vserossijs kaya… 10 Приложение№1 Участки №1 и №2 (обозначены стрелками) Участок №3 11 Приложение №2 Участок№1(ул. М.Маметовой, д.38) Участок №2 (ул. Гвардейская, д.116) Участок №3 (в 1 км от деревни Борки Невельского района) 12 Приложение № 3 Части ветви хвойного дерева, служащие биоиндикаторами:А1,А2,А3-осевые побеги первого, второго и третьего года, В-мутовка, Б1,Б2,Б3-хвоя первого, второго и третьего года, Д-почки. Виды повреждения и усыхания хвои: а – хвоя без пятен (КП1), нет сухих участков (КУ1); б – хвоя с небольшим числом мелких пятен (КП2), нет сухих участков (КУ1); в – хвоя с большим числом черных и желтых пятен (КПЗ), усох кончик 2 – 5 мм (КУ2); г – усохла треть хвои (КУЗ); д – усохло более половины длины хвои (КУ4); е – вся хвоя желтая и сухая (КУ4); КП – класс повреждения (некрозы); КУ – класс усыхания хвои. 13 Приложение №4 Изучение повреждений хвои Приложение №5 14 100 90 80 70 60 участок1 50 участок2 участок3 40 30 20 10 0 КП I, КУ I КП II, КУ I КП III, КУ II КП III, КУ III КП III, КУ IV Гистограмма по классам повреждения сосны на исследуемых участках. По оси У обозначены проценты хвои с различной степенью повреждений. По оси Х указаны классы повреждения хвои. Приложение №6 15