Способ определения фитотоксичности почв с использованием биоиндикатора
Владельцы патента RU 2540580:
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Брянская государственная сельскохозяйственная академия" (RU)
Изобретение относится к области сельского хозяйства, лесоводству и экологии. Способ включает определение индекса ветвления как отношения числа особей с отклонениями к числу всех особей в выборке мха. При этом в качестве биоиндикатора используют гилокомиум блестящий, индекс ветвления гилокомиума блестящего определяют по формуле:
Изобретение рекомендовано использовать в фоновом и импактном биомониторинге общего состояния почв экосистем зоны хвойно-широколиственных лесов европейской части России при наличии бриоиндикатора - Hylocomium splendens (Hedw.) B.S.G. (гилокомиума блестящего).
Принят за прототип, наиболее близкой полезной моделью, является методика учета годового прироста, способов ветвления у зеленых (листостебельных) мхов, разработанная Яковлевой О.В. с соавторами (2001), Гончаровой И.А., Беньковым А.В. (2005) [1, 2]. Методика предполагает вычисление годичного прироста у сфагновых мхов, а также у зеленых мхов с «этажным» ветвлением побега, когда можно четко визуально дифференцировать годичный прирост. Полученные данные по биомассе используют для вычисления годичной продукции углерода и для косвенных выводов о связи гетерогенных условий местообитания (в основном почвенных) и продукционных, а также морфологических особенностей мохообразных (показатель продукционных характеристик мохообразных).
Известная модель продукционных и морфологических показателей бриоинидкаторов содержит:
- проведение геоботанических описаний сообществ на пробных площадках;
- измерение годичного прироста у варианта выборки мохообразных;
- диагностика морфологического состояния особей по степени их ветвления;
- моделирование процесса отклика биологических особенностей мохообразных с климатическими условиями местности в таежной зоне;
- вычисление баланса углерода и оценка продуктивности экосистем.
Применение прототипа требует проведения ретестовых (повторных испытаний), а также длительных наблюдений за состоянием бриоиндикаторов.
Недостатки известного «Показателя продукционных и морфологических характеристик мохообразных»:
- показатель продукционных характеристик используется для вычисления баланса углерода в той или иной экосистеме, требует отличного знания сопутствующих характеристик в сообществах;
- необходим тщательный учет и определение видового состава бриобиоты на изученной территории;
- необходимо знание экологических особенностей видов мохообразных, описываемых при исследовании;
- в этой методике не выявляется химическая природа экотоксикантов и сама методика не предполагает связи с факторами загрязнения сред обитания;
т.о. известный объект не может быть применен ввиду того, что данная модель продукционных и морфологических показателей мохообразных используется для установления эталонных эколого-биологических характеристик биогеохимических циклов в экосистемах, разработан для региональных условий и требует постоянного участия экспертных оценок.
Задача изобретения - повышение точности, надежности, значимости количественных характеристик бриоиндикационных исследований и сокращение трудозатрат при их проведении в зоне хвойно-широколиственных лесов для фонового и импактного мониторинга путем сравнения полученных показателей по годовому приросту и типам ветвления с эталонным индексом и установление степени отклонения от нормы при наличии стрессовых воздействий.
Предложен индекс ветвления (В), позволяющие посредством разовых замеров вариант в выборке зеленых мхов, проведенных в лесных экосистемах, вычислить отклонения от нормы по годичному приросту и ветвлению у «этажного мха» - гилокомиума блестящего. Согласно представленной шкале оценить нарушение ростовых и морфологических показателей бриоиндикатора и выявить общее состояние почв при фоновом и импактном биомониторинге.
Объективные количественные показатели при оценке состояния почв рассчитывается по формуле:
где В - индекс ветвления гилокомиума блестящего (в %), Bn - число особей в выборке, имеющих отклонения от нормального ветвления у гилокомиума блестящего, BN - число обследованных особей в выборке. Отклонений в ветвлении наблюдается 2 типа. Значения В: от 0 до 10% - нормальное (не фитотоксичное) состояние почв, более 10% - нарушенное общее состояние почв (почвы фитотоксичны).
Индекс ветвления показывает число особей гилокомиума, имеющих отклонения в морфологических показателях (ветвлении) от нормального, этажного. Такие изменения в ветвлении всегда стимулируются общим фитотоксическим эффектом почвы, загрязненной химическими веществами различного спектра действия. Индекс ветвления отличается от известных методик тем, что при их вычислении устраняются субъективные факторы, имеются четкие границы констатации фитотоксического эффекта, оказываемого загрязненными почвами, наблюдается упрощение метода, уменьшение трудоемких определений видового состава; индекс не содержит переменных, определяемых субъективно; возможно применение без метода экспертных оценок.
Предлагаемый способ позволяют проводить диагностические биомониторинговые исследования на территориях, где рекогносцировочные обследования не выявили явное воздействие загрязнителей на биосистемы, т.е. вести предварительный импактный мониторинг или констатировать данные фонового биомониторинга среды и вычислять показатель морфологического состояния бриоиндикатора по формуле:
где В - индекс ветвления гилокомиума блестящего (в %), Bn - число особей в выборке, имеющих отклонения от нормального ветвления у гилокомиума блестящего, BN - число обследованных особей в выборке. Отклонений в ветвлении наблюдается 2 типа. Значения В: от 0 до 10% - нормальное (не фитотоксичное) состояние почв, более 10% - нарушенное общее состояние почв (почвы фитотоксичны).
Ограничения индекса ветвления у гилокомиума блестящего: для применения индекса и достижения его точности, объективности необходима достаточная представительности выборки, исследования состояния только тех лесных сообществ, в которых присутствует бриоиндикатор - гилокомиум блестящий.
Предложенные индексы линейного прироста и ветвления, т.е. бриоиндикация, осуществляется следующим образом.
Бриоиндикация - это установление общего состояния сред обитания с использованием биоиндикаторов - мохообразных. Все работы в области бриоиндикации подразделяются на качественные и полуколичественные с вычислением некоторых индексов.
Наиболее информативны количественные бриоиндикационные исследования состояния сред обитания, основанные на инструментально фиксируемых характеристиках биологических систем с последующей математической обработкой для исключения фактора субъективности, особых требований к учету показателей у мохообразных. Для наиболее информативных исследований необходимо подобрать виды мохообразных, у которых визуально хорошо дифференцируются годичные приросты и их морфология, а также широко распространенные. Для экосистем зоны хвойно-широколиственных лесов наиболее выгодным с позиций бриоиндикации в фоновом и импактном мониторинге является вид гилокомиум блестящий - Hylocomium splendens (этажный мох). Видовая принадлежность этого вида листостебельных мхов хорошо определяется, он выступает доминантом в хвойно-широколиственных лесах европейской части России.
Hylocomium splendens отвечает требованиям к биосистемам-биоиндикаторам: имеет продолжительный жизненный цикл, широко распространен, отвечает изменением в морфологических показателях (ветвлении и годичном приросте) на токсическое загрязнение почв, т.е. на стрессовые воздействия загрязнителей.
Объективные количественные показатели информативности зеленого мха - гилокомиума блестящего - как биоиндикатора отражают их скорость линейного прироста, отклонение в ветвлении от нормального (этажного), т.е. в индексе ветвления, рассчитываемого по формуле:
где В - индекс ветвления гилокомиума блестящего (в %):
Bn - число особей в выборке, имеющих отклонения от нормального ветвления у гилокомиума блестящего,
BN - число обследованных особей в выборке. Отклонений в ветвлении наблюдается 2 типа.
Значения В: от 0 до 10% - нормальное (не фитотоксичное) состояние почв, более 10% - нарушенное общее состояние почв (почвы фитотоксичны).
С помощью индекса ветвления (В) четко выделяются изотоксичные зоны, проводится корреляция с уровнем общей загрязненности почв, устанавливается фитотоксический эффект почв, создается карта изучаемой местности с учетом влияния общего загрязнения почв на жизненность бриоиндикатора.
Наименьшее абсолютное значение индекса линейного прироста свидетельствует о наименьшем загрязнении почв и наименьшем фитотоксическом эффекте, наибольшее значение - о высоких.
Значение индекса ветвления гилокомиума блестящего выше 10% свидетельствует о загрязнения почв и изменении их общего состояния, т.е. о наличии эффекта фитотоксичности, проявляющегося на морфологическом уровне у особей. При приближении значения индекса ветвления гилокомиума блестящего к максимальной величине - 100% - свойства почв при стрессовых воздействиях значительно изменены.
Примеры применения индекса ветвления в бриоиндикации общего
состояния почв
Для исследования выбран фоновый вид - Hylocomium splendens L., годичный прирост которого визуально дифференцируется и позволяет достаточно надежно оценить его ветвление. Экобиологические показатели гилокомиума блестящего исследовались на стационарных пробных площадках (ПП) в районе санитарно-защитной зоны (СЗЗ), а также в зоне защитных мероприятий и на ее границе объекта утилизации химического оружия (ОУХО) Почепского района Брянской области - в реперных точках 1, 2, 27 (первый круг точек), и точке 68 и 75 (второй круг точек).
Лесные ценозы на ПП в реперных точках ОУХО представлены черноольшаником крапивным ассоциации Urtico dioicae-Alnetum glutinosae Bulokchov et Solomethch 2003, ельниками ассоциации Eu-Piceetum (Cajander 1921) K.-Lund 1962, заболоченными сосняками Pino-Ledetum palustris Tx. 1955, сосняками зеленомошными ассоциации Dicrano-Pinetumn sylvestris Preising et Knapp ex Oberdorfer 1957 [3].
Для оценки способов ветвления для Hylocomium splendens на каждой пробной площадке площадью 1 м2 собирали по 100 гаметофитов (побегов), описывали их морфологическое строение (по: [1]) и определяли возраст. Стебель мха Hylocomium. splendens состоит из этажно расположенных облиственных веточек. Каждый «этаж» соответствует годовому побегу, который закладывается значительно ниже верхушки побега предыдущего года.
Для Hylocomium splendens характерно этажное расположение годичных побегов. Верхние части годичных побегов единожды-трижды перисто ветвятся (рисунок 1).
Рисунок 1 - Схема ветвления годичных побегов Hylocomium splendens (по Яковлевой и др., 2001) [1].
А - этажное (обычное) ветвление; б - Схема ветвления побега; В - ветви текущего года на побеге 3-х летнего возраста; г - образование этажа одной из первой пары ветвей II порядка; гп - годичный побег (этаж), пв - побег 2-ого года, пп - побег 1-ого года, пт - побег третьего года, ст - стебель; I - стебель (побег I порядка), II-IV - веточки (побеги соответствующих порядков).
Образование новых -этажей побега может происходить по-разному. Обычно побег следующего года развивается приблизительно посередине обветвленной части стебля предыдущего года. Как правило, новые побеги (1-2) возникают ежегодно, образуя этаж следующего года (рисунок 1, а). Однако в некоторые годы новые этажи не образуются, и молодые побеги развиваются только через 1-2 года, закладываясь скученно, по 2-3 (рисунок 1, в). В некоторых случаях на побеге прошлого года начинает разрастаться одна из первой пары веточек II порядка, которая и преобразуется в ось I порядка и образует этаж следующего года (рисунок 1, г). Таким образом, Hylocomium splendens пластичен в отношении реализации различных вариантов образования годичных приростов, что было подтверждено ранее [1, 4]). Отмеченные различия могут быть связаны как с генотипической, так и морфологической изменчивостью особей.
Образцы зеленого мха отбирались в различных элементах микрорельефа: на кочках, в межкочье и на гнилой древесине в «лесные окнах».
Анализ результатов исследований для биомассы, прироста осуществлен статистическими методами с использованием пакета MS Excel 2003 [5]. Определение валовой концентрации элементов группы тяжелых металлов проводилось пробах грунта по «Методике выполнения измерения массовой доли металлов и оксидов металлов в порошкообразных пробах почв методом рентгенофлуоресцентного анализа. М049-П/04», с использованием прибора «Спектроскан Макс». Ориентировочно допустимые концентрации (ОДК) химических веществ в грунте определялись по ГН 2.1.7.2041-06, ГН 2.1.2042-06 [6].
Обзор динамики климатических условий изучаемых местностей приведен ниже. Климат района расположения 1111 в реперных точках характеризуется как умеренно-континентальный с теплым летом. Продолжительность периода со среднесуточной температурой воздуха ниже 0°С составляет 140 дней, от середины ноября до марта включительно. Переход среднесуточной температуры воздуха через 0°С происходит в конце марта и в начале ноября.
Весна в районе преимущественно короткая. В середине апреля средняя суточная температура воздуха переходит через +5°С, в начале мая - через +10°С и в конце мая - начале июня через +15°С. Лето чаще всего жаркое. Осенний период длится до середины ноября. Переход среднесуточной температуры воздуха через 0°С отмечается в конце первой декады ноября. В целом среднемесячные температуры за вегетационный период соответствуют среднеклиматической норме в 2009 и 2011 гг. Самый жаркий июнь, июль и август зарегистрированы в 2010 году. Общее количество осадков определяется, главным образом, циклонической деятельностью. Наибольшее количество осадков приходится на летний период. Месячное колебание количества осадков в среднем составляет 3,1 мм (март) и 82 мм (июль). Средние годовые суммы осадков составляют 580 мм [7]. В 2011 году выпавшие осадки превысили норму, в 2009 году - соответствовали норме, 2010 год характеризовался засухой.
Для Hylocomium splendens характерно этажное расположение годичных побегов. В экосистемах и ПП реперных точек обнаружено несколько морфологических вариаций роста зеленого мха. В исследованном фитоценозе каждый гаметофит обычно представлен 3-5-годичными побегами (этажами), остальные, если они имеются, находятся на разных стадиях отмирания и разложения. Наименьшее число разновозрастных побегов отмечено у мхов в подушке на прикорневой части стволов. Сокращение числа разновозрастных годичных побегов свидетельствует об экологическом стрессе [8].
При исследовании морфологических особенностей Hylocomium splendens на ПП в реперных точках при фоновом мониторинге были выявлены следующие особенности ветвления и рассчитан индекс ветвления, в %, как отношение числа побегов аномальным ветвлением от нормального ветвления (табл.1).
| Таблица 1 | ||||
| Особенности ветвления Hylocomium splendens на ПП реперных точек по годам | ||||
| Реперые точки | Типы морфологических особенностей | Морфологические особенности Hylocomium splendens (в %) | ||
| 2009 г. | 2010 г. | 2011 г. | ||
| 1 | нормальное ветвление | 88,0 | 89,0 | 82,9 |
| пропуск годичных приростов | 12,0 | 11,0 | 10,0 | |
| побеги 1 и 2 года | 0 | 0 | 7,1 | |
| Индекс В (в %) | 12 | 11 | 17,1 | |
| 2 | нормальное ветвление | 94,4 | 90,0 | 91,0 |
| пропуск годичных приростов | 4,0 | 9,0 | 3,0 | |
| побеги 1 и 2 года | 1,6 | 1,0 | 6,0 | |
| Индекс В (в %) | 5,6 | 10 | 9 | |
| 27 | нормальное ветвление | 90,0 | 74,0 | 88,0 |
| пропуск годичных приростов | 10 | 12,0 | 10,5 | |
| побеги 1 и 2 года | 0 | 14,0 | 1,5 | |
| Индекс В (в %) | 10 | 26 | 12 | |
| 68 | нормальное ветвление | 89,0 | 86,0 | 90,0 |
| пропуск годичных приростов | 9,0 | 8,0 | 0 | |
| побеги 1 и 2 года | 2,0 | 6,0 | 10,0 | |
| Индекс В (в %) | 12 | 14 | 10 | |
| 75 | нормальное ветвление | 97,0 | 92,0 | 95,0 |
| пропуск годичных приростов | 1,7 | 3,5 | 3.0 | |
| побеги 1 и 2 года | 1,3 | 0,5 | 2,0 | |
| Индекс В (в %) | 3 | 4 | 5 |
Для трехлетнего периода наблюдений характерно преобладание нормального ветвления побегов Hylocomium splendens, с незначительной встречаемостью (в %) пропуска годичных приростов и наличием побегов только 1 и 2 года. В сезон 2010 г. с преобладанием высоких положительных температур и недостаточным увлажнением были зарегистрированы аномалии ветвления побегов мха: в большей части случаев - это пропуски годичных приростов, а также наличием побегов только 1 и 2 года. Пластичность Hylocomium splendens по отношению к внешним стрессовым факторам выражается в появлении у особей отклонений в ветвлении. Следовательно, морфологические особенности прироста у гилокомиума блестящего зависят от климатических факторов, а также могут стимулироваться химическим и физическим загрязнением среды обитания. Поэтому выявленные особенности морфологии ветвления у Hylocomium splendens в фоновом мониторинге показало величину пластичности морфотипа растения. Наличие указанных отклонений от нормального морфотипа может быть связано как с генотипической, так и модификационной изменчивостью.
При анализе химического состава почв на исследованных реперных точках по отношению к тяжелым металлам выяснено, что валовое содержание некоторых из них превышает ОДК. В почве реперной точки 1 превышена ОДК по меди и никелю, в точке 2 - по мышьяку, цинку, меди, никелю, в точке 27 - по мышьяку, цинку, меди, никелю, в точке 68 - по мышьяку, в точке 75 - концентрации химических элементов соответствуют ОДК. Наиболее значительные (в %) отклонения от нормального ветвления у гилокомиума блестящего проявляются на ПП в реперных точках 2, 27. Поэтому резкие изменения абиотических факторов биотопа (в основном климатических) в сочетании с наличием токсических факторов (в превышении ОДК может вызывать отклонения от нормального ветвления у мха-биоиндикатора. Эти особенности позволяют рекомендовать гилокомиум блестящий как биоиндикатор и биотест с учетом возможного размаха признаков в проявлении морфотипических особенностей вида. Дл выявления токсического эффекта почв рекомендовано принять величину отклонения в ветвлении в 10% (это индекс В).
Итак, гилокомиум блестящий может служить биоиндикатором (ибиотестом) на популяционно-видовом уровне, отвечая изменением ветвления (морфологических параметров), отражая микроэкологическую гетерогенность условий произрастания в объеме малых временных рядов, а также и других стрессовых факторов антропогенного происхождения.
Источники информации
1. Яковлева О.В., Бузников А.А., Паутов А.А., Андреева Е.Н., Юрковская Т.К., Алексеева-Попова Н.В. Морфолого-анатомическая характеристика Hylocomium splendens (Musci) - индикатора загрязнения лесов Карельского перешейка // Ботан. журнал. - Т.86. - №8. - 2001. - С.52-62.
2. Гончарова И.А., Беньков А.В. Динамика прироста зеленых мхов в лесоболотных комплексах юга Западной Сибири // Лесоведение. - №1. - 2005. - С.43-51.
3. Булохов А.Д., Соломещ А.И. Эколого-флористическая классификация лесов Южного Нечерноземья России. - Брянск: Издательство БГУ, 2003. - 359 с.
4. Brumelis G.D., Brown H. Movement of metals to new growing tissue in the moss Hylocomium splendens (Hedv.) BSG // Ann. Bot. - 1997. - Vol.79. - P.679-686.
5. Лакин Г.Ф. Биометрия. - М.: Высш. шк., 1990. - 352 с.
6. ПДК и ОПДК химических веществ в почве (ГН 2.1.7.2041-06, ГН 2.1.2042-06).
7. Природа и природные ресурсы Брянской области / Под ред. Л. М. Ахромеева. - Брянск: Изд-во Брянского госпедин-та, 2001. - 216 с.
8. Домбровская А.В., Шляков Р.Н. Лишайники и мхи севера европейской части СССР. - Л., 1967. - 182 с.
Способ определения фитотоксичности почв с использованием биоиндикатора, включающий определение индекса ветвления как отношения числа особей с отклонениями к числу всех особей в выборке мха, отличающийся тем, что в качестве биоиндикатора используют гилокомиум блестящий, индекс ветвления гилокомиума блестящего определяют по формуле:
где В - индекс ветвления гилокомиума блестящего (в %), Bn - число особей в выборке, имеющих отклонения от нормального ветвления у гилокомиума блестящего, BN - число обследованных особей в выборке, при В от 0 до 10% состояние почвы нормальное, не фитотоксичное, при В более 10% состояние почв нарушенное - почвы фитотоксичны.
