БИОТЕСТИРОВАНИЕ ПОЧВ ТЕХНОГЕННЫХ ЗОН ГОРОДСКИХ ТЕРРИТОРИЙ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ РАСТИТЕЛЬНЫХ ОРГАНИЗМОВ
|
ВВЕДЕНИЕ 3
ГЛАВА I. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ 8
1.1 Почва как депонирующая среда техногенных загрязнителей 8
1.1.1 Химическое загрязнение почвы 9
1.2 Биотестирование как один из методов оценки состояния окружающей среды 12
1.2.1 Использование международных тест-систем для оценки состояния
окружающей среды 17
1.2.2 Растения как тест-системы биологического тестирования качества
окружающей среды 20
1.2.3 Биотестирование почв с помощью животных и растительных тест-
систем 28
1.3 Эколого-географическая характеристика г. Ставрополя 33
1.3.1 Географическое положение 33
1.3.2 Климат 33
1.3.3 Почвы 35
1.3.4 Основные типы антропогенного воздействия в г. Ставрополе 37
ГЛАВА II. МАТЕРИАЛ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ 50
ГЛАВА III. ИЗУЧЕНИЕ ВЛИЯНИЯ ПОВЫШЕННОГО СОДЕРЖАНИЯ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ В ПОЧВАХ НА РАЗВИТИЕ ТЕСТ-ОТКЛИКОВ У МОДЕЛЬНЫХ РАСТЕНИЙ 63
3. 1 Содержание тяжелых металлов в почвах тестируемых пунктов 63
3. 2 Оценка загрязненности почв тестируемых пунктов тяжелыми металлами
с помощью митотической активности 65
3. 3 Биотестирование почв по всхожести семян модельных растений 68
3. 4 Тестирование почв на проростках редиса и кресс-салата 72
3.5 Действие повышенного содержания тяжелых металлов почв тестируемых пунктов на активность каталазы проростков модельных растений 80
ГЛАВА IV. БИОТЕСТИРОВАНИЕ ВОДНЫХ ВЫТЯЖЕК ПОЧВ 88
4. 1 Содержание тяжелых металлов в водных вытяжках почв тестируемых пунктов 88
4. 2 Чувствительность Allium-теста к присутствию ионов металлов в водных вытяжках почв тестируемых пунктов 90
4. 3 Действие водных вытяжек почв тестируемых пунктов на митотическую активность клеток меристемы корней Allium cepa 101
4. 4 Биотестирование водных вытяжек почв по всхожести семян модельных растений 104
4. 5 Биотестирование водных вытяжек почв на проростках редиса и кресс- салата 107
4. 6 Действие водных вытяжек почв на активность каталазы проростков модельных растений 113
4. 7 Расчет индекса токсичности почв и водных вытяжек почв по результатам биотестирования 119
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 127
ВЫВОДЫ 132
СПИСОК ЛИТЕРАТУРА
ГЛАВА I. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ 8
1.1 Почва как депонирующая среда техногенных загрязнителей 8
1.1.1 Химическое загрязнение почвы 9
1.2 Биотестирование как один из методов оценки состояния окружающей среды 12
1.2.1 Использование международных тест-систем для оценки состояния
окружающей среды 17
1.2.2 Растения как тест-системы биологического тестирования качества
окружающей среды 20
1.2.3 Биотестирование почв с помощью животных и растительных тест-
систем 28
1.3 Эколого-географическая характеристика г. Ставрополя 33
1.3.1 Географическое положение 33
1.3.2 Климат 33
1.3.3 Почвы 35
1.3.4 Основные типы антропогенного воздействия в г. Ставрополе 37
ГЛАВА II. МАТЕРИАЛ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ 50
ГЛАВА III. ИЗУЧЕНИЕ ВЛИЯНИЯ ПОВЫШЕННОГО СОДЕРЖАНИЯ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ В ПОЧВАХ НА РАЗВИТИЕ ТЕСТ-ОТКЛИКОВ У МОДЕЛЬНЫХ РАСТЕНИЙ 63
3. 1 Содержание тяжелых металлов в почвах тестируемых пунктов 63
3. 2 Оценка загрязненности почв тестируемых пунктов тяжелыми металлами
с помощью митотической активности 65
3. 3 Биотестирование почв по всхожести семян модельных растений 68
3. 4 Тестирование почв на проростках редиса и кресс-салата 72
3.5 Действие повышенного содержания тяжелых металлов почв тестируемых пунктов на активность каталазы проростков модельных растений 80
ГЛАВА IV. БИОТЕСТИРОВАНИЕ ВОДНЫХ ВЫТЯЖЕК ПОЧВ 88
4. 1 Содержание тяжелых металлов в водных вытяжках почв тестируемых пунктов 88
4. 2 Чувствительность Allium-теста к присутствию ионов металлов в водных вытяжках почв тестируемых пунктов 90
4. 3 Действие водных вытяжек почв тестируемых пунктов на митотическую активность клеток меристемы корней Allium cepa 101
4. 4 Биотестирование водных вытяжек почв по всхожести семян модельных растений 104
4. 5 Биотестирование водных вытяжек почв на проростках редиса и кресс- салата 107
4. 6 Действие водных вытяжек почв на активность каталазы проростков модельных растений 113
4. 7 Расчет индекса токсичности почв и водных вытяжек почв по результатам биотестирования 119
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 127
ВЫВОДЫ 132
СПИСОК ЛИТЕРАТУРА
Актуальность проблемы. В современных условиях природная среда подвержена комбинированному техногенному загрязнению. Известно, что в связи с жизнедеятельностью человеческой цивилизации синтезируются и попадают в окружающую среду сотни тысяч новых химических соединений с невыясненными токсикологическими характеристиками (Дятлов, 2000). Так, разнообразные соединения естественного и антропогенного происхождения накапливаясь в почве, обусловливают ее загрязненность и токсичность.
Методы биотестирования все чаще используются для определения токсических свойств окружающих нас сред: воздуха, воды, почвы, промышленных отходов, материалов и т. д. (Илющенко, Щегольков, 1990; Сан ПиН 2.1.7.573-96; Фролова, 2002; Белоусова, Селезнева, 2004; Underbrink, Sparrow, 1974; Ma, 1981 a; Grover, 1981; Ichikawa, 1981; Cebulska- Wasilewska et al., 1981; Cebulska-Wasilewska, 1986) Это обуславливается рядом обстоятельств: во-первых, указанные объекты обычно содержат большое количество ингредиентов, токсикологические свойства которых не всегда характеризуются простой суммой свойств каждого из них с учетом количественного состава, определяемого аналитическими методами; во- вторых, среда часто загрязнена неустойчивыми продуктами взаимодействия и распада, которые иногда токсичнее исходных веществ; в-третьих, количество присутствующих в окружающей среде загрязнителей значительно превышает число удовлетворительных физико-химических методов анализа, позволяющих контролировать их содержание на уровне ПДК (Илющенко, 1995). Помимо этого, биотестирование позволяет получить интегральную токсикологическую характеристику природных сред независимо от состава загрязняющих веществ, поскольку большая часть загрязняющих веществ, в связи с отсутствием оборудования, методик и стандартов, аналитически не определяется, в связи с чем методы биотестирования приобретают все большую популярность и внедряются повсеместно (Дятлов, 2000).
Проведение экспериментов по влиянию различных поллютантов на растительные объекты в контролируемых условиях позволяет решать многие задачи; установить причины разной устойчивости растений и тенденции приспособления к токсикантам, выявить влияние конкретного, исключить действие других факторов внешней среды, выяснить летальную дозу поллютанта и т.д. (Шершунова, Попова, 1999; Parry, et al., 1976; Klindworth, et al., 1979; Degrassi, Rizzoni, 1981; Panda, Sahu, 1985; Fiskesjo, 1985, 1993; Chauhan, et al.,1986; Leith et al., 1989; Badr, et al., 1992; Cordina, et al., 1993; Mishra, 1993; Ma, et al., 1995)
Городские почвы являются депонирующей средой практически для всех поллютантов и при геохимическом изучении транспортно-селитебных ландшафтов являются высоко информативными (Шунелько, 2000).
В связи с этим представляется актуальным разработка методов комплексного биотестирования почв с различным по интенсивности автотранспортным и промышленным воздействием и оценка чувствительности различных тест-откликов к повышенному содержанию тяжелых металлов в почве как в рамках одной тест системы, так и в сравнении чувствительности разных тест-систем.
Цель и задачи исследования. Цель настоящего исследования состояла в разработке методов биотестирования токсичности почвенного покрова техногенных зон города с различным по интенсивности автотранспортным и промышленным воздействием с помощью растительных тест-систем (на примере г. Ставрополя), а также в определении наиболее чувствительной тест-системы к содержанию тяжелых металлов в почве исследуемых пунктов.
Для достижения цели решались следующие задачи:
1. Определение содержания подвижных форм меди, свинца, кадмия, цинка и хрома в почвах техногенных зон исследуемых пунктов г.Ставрополя.
2. Установление наиболее чувствительной тест-системы к загрязнению почв техногенных зон городских территорий.
3. Выявление качественного проявления реакций индикаторных признаков тест-растений на повышенное содержание тяжелых металлов в почвах.
4. Проведение корреляционного анализа и выявление взаимосвязи между содержанием тяжелых металлов в почвах и количественным проявлением тест-откликов модельных растений.
5. Разработка шкалы токсичности сред по результатам биотестирования.
Научная новизна. Впервые проведено биотестирование почвенного покрова территорий с различным по интенсивности автотранспортным и промышленным воздействием с помощью трех растительных тест-систем (Raphanus sativus, Lepidium sativum, Allium cepa). Впервые предложен метод биотестирования водных вытяжек почв с экспонированием свежих луковиц Allium cepa в исследуемых вытяжках в течение 4, 7, 14 суток, с последующим измерением длины корней. Предложено использовать совместно ряд тест-откликов на одном растительном тест-объекте для биотестирования загрязненности почвенного покрова и водных вытяжек почв. Доказана перспективность использования активности каталазы проростков тест-растений в качестве чувствительного критерия для биотестирования загрязненности почвенного покрова тяжелыми металлами. Проведено сравнение тест-откликов используемых модельных организмов в сходных условиях загрязнения тяжелыми металлами почвенного покрова.
Основные положения, выносимые на защиту.
1. При биотестировании почв с повышенным содержанием тяжелых металлов эффективно использовать такие индикаторные признаки, как митотическая активность апикальной меристемы корешков проростков лука репчатого, всхожесть семян, каталазная активность, длина надземной и подземной части проростков редиса и кресс-салата.
2. Токсичность тестируемых почв проявляется в ингибировании и стимулировании развития тест-откликов у редиса и кресс-салата.
3. При биотестировании почв по морфометрическим признакам эффективно применять экспонирование свежих луковиц Allium cepa в тестируемых вытяжках почв.
4. Активность каталазы проростков редиса и кресс-салата возможно использовать в качестве биохимического индикатора оценки токсичности городских почв.
5. При обобщении данных используется шкала токсичности исследуемых сред, в которой учитывается не только ингибирование, но и стимулирование развития тест-откликов.
Теоретическая и практическая значимость. Научно обоснованные данные представляют интерес с точки зрения методов биотестирования загрязненности объектов окружающей среды ввиду открытости и актуальности этого вопроса на современном этапе развития экологии.
Проведенное биотестирование почв, с повышенным содержанием тяжелых металлов, при помощи нескольких тест-откликов на одном модельном организме, позволяет увеличить степень чувствительности биотеста. Использованные методы могут быть применены для диагностики загрязнения почв как тяжелыми металлами, так и недифференцированными поллютантами.
Материалы диссертации могут быть использованы в процессе преподавания экологии, цитологии, цитогенетики, а также при организации и проведении спецкурса «Биотестирование объектов окружающей среды».
Апробация работы. Результаты исследований были представлены и обсуждены на межрегиональной научно-практической конференции «Образование, здоровье и культура в начале XXI века» (г. Ставрополь, 2004); II Всероссийской научно-практической конференции «Химическое загрязнение среды обитания и проблемы экологической реабилитации нарушенных экосистем» (г. Пенза, 2004); Всероссийском постоянно действующем научно-техническом семинаре «Экологическая безопасность регионов России и риск от техногенных аварий и катастроф» (г. Пенза, 2004); научной конференции «Университетская наука - региону» (г. Ставрополь,
2004) ; международной научной конференции «Татищевские чтения: актуальные проблемы науки и практики (АПНП-2004)» (г. Тольятти, 2004); международной научной конференций студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов - 2004» (г. Москва, 2004); научной конференции «Эколого-гигиенические проблемы регионов России и стран СНГ» (г. Умаг, Хорватия, 2004); 50-й научной конференции «Университетская наука - региону» (г. Ставрополь, 2005); российской студенческой научной конференции «Актуальные проблемы современной биологии» (г. Астрахань, 2005)
Публикации. По теме диссертации опубликовано 11 работ.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов и списка цитируемой литературы. Работа содержит 159 страницы машинописного текста, включает 25 таблиц, 29 рисунков. Список цитируемой литературы включает 289 источников, в том числе 95 на иностранных языках.
Методы биотестирования все чаще используются для определения токсических свойств окружающих нас сред: воздуха, воды, почвы, промышленных отходов, материалов и т. д. (Илющенко, Щегольков, 1990; Сан ПиН 2.1.7.573-96; Фролова, 2002; Белоусова, Селезнева, 2004; Underbrink, Sparrow, 1974; Ma, 1981 a; Grover, 1981; Ichikawa, 1981; Cebulska- Wasilewska et al., 1981; Cebulska-Wasilewska, 1986) Это обуславливается рядом обстоятельств: во-первых, указанные объекты обычно содержат большое количество ингредиентов, токсикологические свойства которых не всегда характеризуются простой суммой свойств каждого из них с учетом количественного состава, определяемого аналитическими методами; во- вторых, среда часто загрязнена неустойчивыми продуктами взаимодействия и распада, которые иногда токсичнее исходных веществ; в-третьих, количество присутствующих в окружающей среде загрязнителей значительно превышает число удовлетворительных физико-химических методов анализа, позволяющих контролировать их содержание на уровне ПДК (Илющенко, 1995). Помимо этого, биотестирование позволяет получить интегральную токсикологическую характеристику природных сред независимо от состава загрязняющих веществ, поскольку большая часть загрязняющих веществ, в связи с отсутствием оборудования, методик и стандартов, аналитически не определяется, в связи с чем методы биотестирования приобретают все большую популярность и внедряются повсеместно (Дятлов, 2000).
Проведение экспериментов по влиянию различных поллютантов на растительные объекты в контролируемых условиях позволяет решать многие задачи; установить причины разной устойчивости растений и тенденции приспособления к токсикантам, выявить влияние конкретного, исключить действие других факторов внешней среды, выяснить летальную дозу поллютанта и т.д. (Шершунова, Попова, 1999; Parry, et al., 1976; Klindworth, et al., 1979; Degrassi, Rizzoni, 1981; Panda, Sahu, 1985; Fiskesjo, 1985, 1993; Chauhan, et al.,1986; Leith et al., 1989; Badr, et al., 1992; Cordina, et al., 1993; Mishra, 1993; Ma, et al., 1995)
Городские почвы являются депонирующей средой практически для всех поллютантов и при геохимическом изучении транспортно-селитебных ландшафтов являются высоко информативными (Шунелько, 2000).
В связи с этим представляется актуальным разработка методов комплексного биотестирования почв с различным по интенсивности автотранспортным и промышленным воздействием и оценка чувствительности различных тест-откликов к повышенному содержанию тяжелых металлов в почве как в рамках одной тест системы, так и в сравнении чувствительности разных тест-систем.
Цель и задачи исследования. Цель настоящего исследования состояла в разработке методов биотестирования токсичности почвенного покрова техногенных зон города с различным по интенсивности автотранспортным и промышленным воздействием с помощью растительных тест-систем (на примере г. Ставрополя), а также в определении наиболее чувствительной тест-системы к содержанию тяжелых металлов в почве исследуемых пунктов.
Для достижения цели решались следующие задачи:
1. Определение содержания подвижных форм меди, свинца, кадмия, цинка и хрома в почвах техногенных зон исследуемых пунктов г.Ставрополя.
2. Установление наиболее чувствительной тест-системы к загрязнению почв техногенных зон городских территорий.
3. Выявление качественного проявления реакций индикаторных признаков тест-растений на повышенное содержание тяжелых металлов в почвах.
4. Проведение корреляционного анализа и выявление взаимосвязи между содержанием тяжелых металлов в почвах и количественным проявлением тест-откликов модельных растений.
5. Разработка шкалы токсичности сред по результатам биотестирования.
Научная новизна. Впервые проведено биотестирование почвенного покрова территорий с различным по интенсивности автотранспортным и промышленным воздействием с помощью трех растительных тест-систем (Raphanus sativus, Lepidium sativum, Allium cepa). Впервые предложен метод биотестирования водных вытяжек почв с экспонированием свежих луковиц Allium cepa в исследуемых вытяжках в течение 4, 7, 14 суток, с последующим измерением длины корней. Предложено использовать совместно ряд тест-откликов на одном растительном тест-объекте для биотестирования загрязненности почвенного покрова и водных вытяжек почв. Доказана перспективность использования активности каталазы проростков тест-растений в качестве чувствительного критерия для биотестирования загрязненности почвенного покрова тяжелыми металлами. Проведено сравнение тест-откликов используемых модельных организмов в сходных условиях загрязнения тяжелыми металлами почвенного покрова.
Основные положения, выносимые на защиту.
1. При биотестировании почв с повышенным содержанием тяжелых металлов эффективно использовать такие индикаторные признаки, как митотическая активность апикальной меристемы корешков проростков лука репчатого, всхожесть семян, каталазная активность, длина надземной и подземной части проростков редиса и кресс-салата.
2. Токсичность тестируемых почв проявляется в ингибировании и стимулировании развития тест-откликов у редиса и кресс-салата.
3. При биотестировании почв по морфометрическим признакам эффективно применять экспонирование свежих луковиц Allium cepa в тестируемых вытяжках почв.
4. Активность каталазы проростков редиса и кресс-салата возможно использовать в качестве биохимического индикатора оценки токсичности городских почв.
5. При обобщении данных используется шкала токсичности исследуемых сред, в которой учитывается не только ингибирование, но и стимулирование развития тест-откликов.
Теоретическая и практическая значимость. Научно обоснованные данные представляют интерес с точки зрения методов биотестирования загрязненности объектов окружающей среды ввиду открытости и актуальности этого вопроса на современном этапе развития экологии.
Проведенное биотестирование почв, с повышенным содержанием тяжелых металлов, при помощи нескольких тест-откликов на одном модельном организме, позволяет увеличить степень чувствительности биотеста. Использованные методы могут быть применены для диагностики загрязнения почв как тяжелыми металлами, так и недифференцированными поллютантами.
Материалы диссертации могут быть использованы в процессе преподавания экологии, цитологии, цитогенетики, а также при организации и проведении спецкурса «Биотестирование объектов окружающей среды».
Апробация работы. Результаты исследований были представлены и обсуждены на межрегиональной научно-практической конференции «Образование, здоровье и культура в начале XXI века» (г. Ставрополь, 2004); II Всероссийской научно-практической конференции «Химическое загрязнение среды обитания и проблемы экологической реабилитации нарушенных экосистем» (г. Пенза, 2004); Всероссийском постоянно действующем научно-техническом семинаре «Экологическая безопасность регионов России и риск от техногенных аварий и катастроф» (г. Пенза, 2004); научной конференции «Университетская наука - региону» (г. Ставрополь,
2004) ; международной научной конференции «Татищевские чтения: актуальные проблемы науки и практики (АПНП-2004)» (г. Тольятти, 2004); международной научной конференций студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов - 2004» (г. Москва, 2004); научной конференции «Эколого-гигиенические проблемы регионов России и стран СНГ» (г. Умаг, Хорватия, 2004); 50-й научной конференции «Университетская наука - региону» (г. Ставрополь, 2005); российской студенческой научной конференции «Актуальные проблемы современной биологии» (г. Астрахань, 2005)
Публикации. По теме диссертации опубликовано 11 работ.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов и списка цитируемой литературы. Работа содержит 159 страницы машинописного текста, включает 25 таблиц, 29 рисунков. Список цитируемой литературы включает 289 источников, в том числе 95 на иностранных языках.
История вопроса об использовании растений в качестве чувствительных организмов к загрязнению окружающей среды уходит своими корнями в древние века. Первые наблюдения сделали еще античные ученые: Теофраст, Катон, Плиний старший, Колумелла.
На современном этапе развития человечества происходит бурное развитие методов биотестирования, как единственного подхода адекватной оценки состояния биологических и экологических систем. Для первичной оценки состояния окружающей среды используют специально подобранные тест- организмы, которые должны соответствовать следующим требованиям:
1. Высокая чувствительность к воздействиям даже малых доз мутагена.
2. Быстрота и экономичность методов тестирования.
3. Воспроизводимость (возможность получения аналогичных
результатов на этой же тест-системе).
4. Чувствительность не только к мутагенам, но и к их метаболитам.
5. Возможность экстраполировать данные, полученные при исследованиях in vitro на условия in vivo
Разнообразные техногенные процессы и бурная «эпидемия автомобилизации» как фактор загрязнения городской окружающей среды ведут к накоплению различных соединений, в т.ч. и тяжелых металлов в почве, обуславливая ее загрязненность. Городские почвы являются депонирующей средой практически для всех поллютантов и при геохимическом изучении транспортно-селитебных ландшафтов являются высоко информативными (Шунелько, 2000). В связи с этим представляется актуальным разработка методов комплексного биотестирования почв с различным по интенсивности автотранспортным и промышленным воздействием и оценка чувствительности различных тест-откликов к повышенному содержанию тяжелых металлов в почве как в рамках одной тест-системы, так и в сравнении чувствительности разных тест-систем.
В экспериментах по данной проблематике нами были использованы красный редис с белым кончиком (Raphanus sativis), кресс-салат (Lepidium sativum) и лук репчатый (Allium cepa). Исследования показали, что все три тест-системы оказались чувствительными к повышенному содержанию тяжелых металлов в почве, а лук репчатый наиболее чувствителен к содержанию тяжелых металлов в водных вытяжках почв техногенных зон города.
Тестируемые почвы содержат повышенное содержание меди, свинца, кадмия, цинка и хрома. В почве пункта 1 содержится Pb, Zn, Cr, превышающие ПДК в 5; 1,5; 3,9 раз соответственно; пункт 2 - Cu, Pb, Cd, Zn, Cr, превышающие ПДК в 1,08; 6; 2,7; 1,5; 3,9 раз; пункт 3 - Pb, Cd, Zn, Cr, превышающие ПДК в 8,3; 4,7; 1,4; 1,8 раз; пункт 4 - Pb, Cr, превышающий ПДК в 5,1 и 4,7 раз; пункт 5 - Cu, Pb, Cd, Zn, превышающие ПДК в 2,8; 10,1; 3; 3,3 раз; пункт 6 - Cu, Pb, Cd, Cr, превышающие ПДК в 3,6; 4; 3,7; 2 раза; пункт 7 - Cu, Pb, Cd, Zn, Cr, превышающие ПДК в 1,8; 9,9; 4; 2,8; 2 раза; пункт 8 - Pb, Cd, Zn, Cr, превышающие ПДК в 5,1; 4,3; 1,3; 4,3 раза.
При изучении митотической активности клеток апикальной меристемы корешков экспериментальных проростков наблюдалось достоверное ингибирование митоза по сравнению с контролем (максимальное ингибирование составило 30,77 % - пункт 5, минимальное-8,97 % - пункт 3). Проведенный корреляционный анализ позволил выявить корреляцию положительной и отрицательной направленности между содержанием ТМ в почве, превышающих ПДК, и активностью пролиферации клеток меристемы корешков проростков тест-растения.
В исследованиях по биотестированию почв установлено их фитотоксичное действие, которое проявилось в ингибировании всхожести семян редиса и кресс-салата. Максимальный процент ингибирования всхожести семян для редиса составил 70,73 % - пункт 6, минимум-36,34 % - пункт 8. Для кресс-салата максимум ингибирования составил-70,40 % - пункт 2 и минимум-23,89-пункт 1.
Фитотоксическое действие тестируемых почв проявилось как в ингибировании, так и в стимулировании развития подземной части редиса и кресс-салата. У всех изученных проростков редиса, выращенных на тестируемых почвах, происходило как ингибирование, так и стимулирование роста корневой системы, в отличие от кресс-салата, где наблюдалось только ингибирование. Аналогичное воздействие оказали тестируемые почвы на развитие надземной части редиса и кресс-салата. Почвы пункта 1 и 2 стимулировали (4,25 %, 17,24 %) развитие надземной части редиса. Для остальных пунктов характерно достоверное ингибирование развития надземной части проростков редиса: пункт 3 - 30,69%, пункт 4 - 20,12 %, пункт 5 - 27,82 %, пункт 6 - 26,21 %, пункт 7 - 27,82 %, пункт 8 - 10,57 %. На надземную часть проростков кресс-салата тестируемые почвы воздействовали угнетающе, достоверно ингибируя развития на 34,41 % пункт 1; 26,95 % - пункт 2; 44,58 % - пункт 3; 22,03 % - пункт 4; 30,17 % - пункт 5; 35,60 % - пункт 6; 22,03 % - пункт 7; 77,46 % - пункт 8. Проведенный корреляционный анализ показал наличие слабой корреляционной связи между содержанием гумуса в почве и длиной подземной и надземной части проростков редиса и кресс-салата, и наличие средней и тесной корреляции между содержанием ТМ в почвах и длиной подземной и надземной части проростков тест-растений.
Изучение воздействия повышенного содержания тяжелых металлов в почвах на активность каталазы в проростках редиса и кресс-салата, показало, что этот тест-отклик может быть использован при мониторинге загрязнения почв ТМ. Под воздействием тяжелых металлов почв происходило достоверное ингибирование активности каталазы в проростках редиса и кресс-салата. Максимальное ингибирование активности каталазы проростков редиса составило 71,29 % (пункт 3), минимальное - 29,12 % (пункт 8), для кресс-салата эти показатели соответственно составили 77,36 % (пункт 1) и 12,26 % (пункт 2). Кроме того, наблюдается заметная корреляция между содержанием ТМ в почве и активностью каталазы. Однако, не во всех случаях корреляция заметная. Была установлена слабая корреляция между содержанием ТМ превышающих ПДК и активность каталазы. Следует предположить, что наличие слабой корреляции между содержанием ТМ в почве, превышающих ПДК и активность каталазы связано с синергическим эффектом, который возникает при взаимодействии нескольких поллютантов.
При биотестировании водных вытяжек почв тестируемых пунктов оказалось, что водная вытяжка почв пунктов при четырехдневном экспонировании достоверно ингибирует развитие корней. Так, почвы пункта 5 при четырехдневном экспонировании в ней луковиц максимально ингибирует развитие корней Allium cepa на 72,67%. Водная вытяжка почвы пункта 1 максимально ингибирует развитие корней у Allium cepa на 7 и 14 сутки (66,90% и 65,15% соответственно). Кроме того, водная вытяжка почвы этого пункта больше других стимулирует, в количественном соотношении, образование утолщений на корнях луковиц лука репчатого (45,68%).
В экспериментах по биотестированию водных вытяжек, водная вытяжка почв вызвала достоверное ингибирование митотической активности, клеток апикальной меристемы корешков опытных проростков по сравнению с контрольными. Максимальное ингибирование оказала водная вытяжка почвы пункта 5 и составила 34,82 % Проведенный корреляционный анализ указывает на наличие связей между митотической активностью и содержанием ТМ в водных вытяжках почв: корреляционная зависимость имеет самые низкие значения в П. 1, 4 для цинка r Zn= 0.11; 0,20 ; в П. 2, 3, 5, 6 для меди r Cu= - 0,05; - 0,50; 0,27; 0,20; в П. 7, 8 для свинца r Pb= - 0,24; = - 0,24.
Энергия прорастания и всхожесть семян опытных тест-растений также были достоверно ниже (р > 0,9500) контрольных, что говорит о фитотоксичности водных вытяжек почв. Всхожесть семян кресс-салата максимально ингибировалась водной вытяжкой пункта 3 (33,40%), минимально - 3,96% (пункт 8). Максимальный процент ингибирования всхожести семян редиса оказала водная вытяжка почвы пункта 4 (41,02%). Минимальный - водная вытяжка почвы пункта 2 - 9,28%.
При биотестировании водных вытяжек почв было зафиксировано как ингибированное так и стимулированное развитие подземной и надземной частей у редиса и кресс-салата. У кресс-салата было зафиксировано достоверное ингибирование развития корневой системы, под действием водных вытяжек почв пунктов: 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, которое составило 23,12%, 23,12%, 32,08%, 19,17%, 34,17%, 37,50%, 36,87%, и 23,54% соответственно. Максимальное ингибированное развитие под воздействием водных вытяжек, было зафиксировано для пункта 4 и составило 22,09%. Минимальное - водные вытяжки почв пунктов 1 и 5 (3,33% и 3,58%).
Изучение влияния водных вытяжек почв тестируемых пунктов показало, что вытяжки достоверно ингибируют и стимулируют активность каталазы у проростков тест-растений. Максимально ингибирует активность каталазы проростков кресс-салата водная вытяжка почвы пункта 8 на 40,56%, минимально - пункт 2 5,38%. Недостоверное стимулирование было зафиксировано у проростков кресс-салата (0,66% - пункт 6). Для проростков редиса было зафиксировано достоверное стимулирование активности каталазы и максимально составило для пункта 7. Самый высокий процент ингибирования активности исследуемого биохимического показателя характерен для пункта 2 - 66,03%, самый низкий - 25,29% (пункт 5). Активность каталазы проростков редиса и кресс-салата может быть использована в качестве критерия для биотестирования водных вытяжек почв.
Таким образом, в результате проведенных экспериментов, опираясь на шкалу токсичности, удалось установить, что при биотестировании почв с повышенным содержанием тяжелых металлов эффективно использовать такие признаки, как митотическая активность апикальной меристемы корешков проростков лука репчатого, всхожесть семян, каталазная активность, длина, надземной и подземной части проростков редиса и кресс- салата.
Активность каталазы проростков редиса и кресс-салата возможно использовать как биохимический индикатор оценки токсичности городских почв.
При биотестировании почв по морфометрическим признакам эффективно применять экспонирование свежих луковиц Allium cepa в тестируемых вытяжках почв.
Почвы тестируемых пунктов более токсичными оказались для кресс- салата, а водные вытяжки почв тестируемых пунктов для лука репчатого. Второй тест-системой по чувствительности к присутствию тяжелых металлов в водных вытяжках оказался кресс-салат.
На современном этапе развития человечества происходит бурное развитие методов биотестирования, как единственного подхода адекватной оценки состояния биологических и экологических систем. Для первичной оценки состояния окружающей среды используют специально подобранные тест- организмы, которые должны соответствовать следующим требованиям:
1. Высокая чувствительность к воздействиям даже малых доз мутагена.
2. Быстрота и экономичность методов тестирования.
3. Воспроизводимость (возможность получения аналогичных
результатов на этой же тест-системе).
4. Чувствительность не только к мутагенам, но и к их метаболитам.
5. Возможность экстраполировать данные, полученные при исследованиях in vitro на условия in vivo
Разнообразные техногенные процессы и бурная «эпидемия автомобилизации» как фактор загрязнения городской окружающей среды ведут к накоплению различных соединений, в т.ч. и тяжелых металлов в почве, обуславливая ее загрязненность. Городские почвы являются депонирующей средой практически для всех поллютантов и при геохимическом изучении транспортно-селитебных ландшафтов являются высоко информативными (Шунелько, 2000). В связи с этим представляется актуальным разработка методов комплексного биотестирования почв с различным по интенсивности автотранспортным и промышленным воздействием и оценка чувствительности различных тест-откликов к повышенному содержанию тяжелых металлов в почве как в рамках одной тест-системы, так и в сравнении чувствительности разных тест-систем.
В экспериментах по данной проблематике нами были использованы красный редис с белым кончиком (Raphanus sativis), кресс-салат (Lepidium sativum) и лук репчатый (Allium cepa). Исследования показали, что все три тест-системы оказались чувствительными к повышенному содержанию тяжелых металлов в почве, а лук репчатый наиболее чувствителен к содержанию тяжелых металлов в водных вытяжках почв техногенных зон города.
Тестируемые почвы содержат повышенное содержание меди, свинца, кадмия, цинка и хрома. В почве пункта 1 содержится Pb, Zn, Cr, превышающие ПДК в 5; 1,5; 3,9 раз соответственно; пункт 2 - Cu, Pb, Cd, Zn, Cr, превышающие ПДК в 1,08; 6; 2,7; 1,5; 3,9 раз; пункт 3 - Pb, Cd, Zn, Cr, превышающие ПДК в 8,3; 4,7; 1,4; 1,8 раз; пункт 4 - Pb, Cr, превышающий ПДК в 5,1 и 4,7 раз; пункт 5 - Cu, Pb, Cd, Zn, превышающие ПДК в 2,8; 10,1; 3; 3,3 раз; пункт 6 - Cu, Pb, Cd, Cr, превышающие ПДК в 3,6; 4; 3,7; 2 раза; пункт 7 - Cu, Pb, Cd, Zn, Cr, превышающие ПДК в 1,8; 9,9; 4; 2,8; 2 раза; пункт 8 - Pb, Cd, Zn, Cr, превышающие ПДК в 5,1; 4,3; 1,3; 4,3 раза.
При изучении митотической активности клеток апикальной меристемы корешков экспериментальных проростков наблюдалось достоверное ингибирование митоза по сравнению с контролем (максимальное ингибирование составило 30,77 % - пункт 5, минимальное-8,97 % - пункт 3). Проведенный корреляционный анализ позволил выявить корреляцию положительной и отрицательной направленности между содержанием ТМ в почве, превышающих ПДК, и активностью пролиферации клеток меристемы корешков проростков тест-растения.
В исследованиях по биотестированию почв установлено их фитотоксичное действие, которое проявилось в ингибировании всхожести семян редиса и кресс-салата. Максимальный процент ингибирования всхожести семян для редиса составил 70,73 % - пункт 6, минимум-36,34 % - пункт 8. Для кресс-салата максимум ингибирования составил-70,40 % - пункт 2 и минимум-23,89-пункт 1.
Фитотоксическое действие тестируемых почв проявилось как в ингибировании, так и в стимулировании развития подземной части редиса и кресс-салата. У всех изученных проростков редиса, выращенных на тестируемых почвах, происходило как ингибирование, так и стимулирование роста корневой системы, в отличие от кресс-салата, где наблюдалось только ингибирование. Аналогичное воздействие оказали тестируемые почвы на развитие надземной части редиса и кресс-салата. Почвы пункта 1 и 2 стимулировали (4,25 %, 17,24 %) развитие надземной части редиса. Для остальных пунктов характерно достоверное ингибирование развития надземной части проростков редиса: пункт 3 - 30,69%, пункт 4 - 20,12 %, пункт 5 - 27,82 %, пункт 6 - 26,21 %, пункт 7 - 27,82 %, пункт 8 - 10,57 %. На надземную часть проростков кресс-салата тестируемые почвы воздействовали угнетающе, достоверно ингибируя развития на 34,41 % пункт 1; 26,95 % - пункт 2; 44,58 % - пункт 3; 22,03 % - пункт 4; 30,17 % - пункт 5; 35,60 % - пункт 6; 22,03 % - пункт 7; 77,46 % - пункт 8. Проведенный корреляционный анализ показал наличие слабой корреляционной связи между содержанием гумуса в почве и длиной подземной и надземной части проростков редиса и кресс-салата, и наличие средней и тесной корреляции между содержанием ТМ в почвах и длиной подземной и надземной части проростков тест-растений.
Изучение воздействия повышенного содержания тяжелых металлов в почвах на активность каталазы в проростках редиса и кресс-салата, показало, что этот тест-отклик может быть использован при мониторинге загрязнения почв ТМ. Под воздействием тяжелых металлов почв происходило достоверное ингибирование активности каталазы в проростках редиса и кресс-салата. Максимальное ингибирование активности каталазы проростков редиса составило 71,29 % (пункт 3), минимальное - 29,12 % (пункт 8), для кресс-салата эти показатели соответственно составили 77,36 % (пункт 1) и 12,26 % (пункт 2). Кроме того, наблюдается заметная корреляция между содержанием ТМ в почве и активностью каталазы. Однако, не во всех случаях корреляция заметная. Была установлена слабая корреляция между содержанием ТМ превышающих ПДК и активность каталазы. Следует предположить, что наличие слабой корреляции между содержанием ТМ в почве, превышающих ПДК и активность каталазы связано с синергическим эффектом, который возникает при взаимодействии нескольких поллютантов.
При биотестировании водных вытяжек почв тестируемых пунктов оказалось, что водная вытяжка почв пунктов при четырехдневном экспонировании достоверно ингибирует развитие корней. Так, почвы пункта 5 при четырехдневном экспонировании в ней луковиц максимально ингибирует развитие корней Allium cepa на 72,67%. Водная вытяжка почвы пункта 1 максимально ингибирует развитие корней у Allium cepa на 7 и 14 сутки (66,90% и 65,15% соответственно). Кроме того, водная вытяжка почвы этого пункта больше других стимулирует, в количественном соотношении, образование утолщений на корнях луковиц лука репчатого (45,68%).
В экспериментах по биотестированию водных вытяжек, водная вытяжка почв вызвала достоверное ингибирование митотической активности, клеток апикальной меристемы корешков опытных проростков по сравнению с контрольными. Максимальное ингибирование оказала водная вытяжка почвы пункта 5 и составила 34,82 % Проведенный корреляционный анализ указывает на наличие связей между митотической активностью и содержанием ТМ в водных вытяжках почв: корреляционная зависимость имеет самые низкие значения в П. 1, 4 для цинка r Zn= 0.11; 0,20 ; в П. 2, 3, 5, 6 для меди r Cu= - 0,05; - 0,50; 0,27; 0,20; в П. 7, 8 для свинца r Pb= - 0,24; = - 0,24.
Энергия прорастания и всхожесть семян опытных тест-растений также были достоверно ниже (р > 0,9500) контрольных, что говорит о фитотоксичности водных вытяжек почв. Всхожесть семян кресс-салата максимально ингибировалась водной вытяжкой пункта 3 (33,40%), минимально - 3,96% (пункт 8). Максимальный процент ингибирования всхожести семян редиса оказала водная вытяжка почвы пункта 4 (41,02%). Минимальный - водная вытяжка почвы пункта 2 - 9,28%.
При биотестировании водных вытяжек почв было зафиксировано как ингибированное так и стимулированное развитие подземной и надземной частей у редиса и кресс-салата. У кресс-салата было зафиксировано достоверное ингибирование развития корневой системы, под действием водных вытяжек почв пунктов: 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, которое составило 23,12%, 23,12%, 32,08%, 19,17%, 34,17%, 37,50%, 36,87%, и 23,54% соответственно. Максимальное ингибированное развитие под воздействием водных вытяжек, было зафиксировано для пункта 4 и составило 22,09%. Минимальное - водные вытяжки почв пунктов 1 и 5 (3,33% и 3,58%).
Изучение влияния водных вытяжек почв тестируемых пунктов показало, что вытяжки достоверно ингибируют и стимулируют активность каталазы у проростков тест-растений. Максимально ингибирует активность каталазы проростков кресс-салата водная вытяжка почвы пункта 8 на 40,56%, минимально - пункт 2 5,38%. Недостоверное стимулирование было зафиксировано у проростков кресс-салата (0,66% - пункт 6). Для проростков редиса было зафиксировано достоверное стимулирование активности каталазы и максимально составило для пункта 7. Самый высокий процент ингибирования активности исследуемого биохимического показателя характерен для пункта 2 - 66,03%, самый низкий - 25,29% (пункт 5). Активность каталазы проростков редиса и кресс-салата может быть использована в качестве критерия для биотестирования водных вытяжек почв.
Таким образом, в результате проведенных экспериментов, опираясь на шкалу токсичности, удалось установить, что при биотестировании почв с повышенным содержанием тяжелых металлов эффективно использовать такие признаки, как митотическая активность апикальной меристемы корешков проростков лука репчатого, всхожесть семян, каталазная активность, длина, надземной и подземной части проростков редиса и кресс- салата.
Активность каталазы проростков редиса и кресс-салата возможно использовать как биохимический индикатор оценки токсичности городских почв.
При биотестировании почв по морфометрическим признакам эффективно применять экспонирование свежих луковиц Allium cepa в тестируемых вытяжках почв.
Почвы тестируемых пунктов более токсичными оказались для кресс- салата, а водные вытяжки почв тестируемых пунктов для лука репчатого. Второй тест-системой по чувствительности к присутствию тяжелых металлов в водных вытяжках оказался кресс-салат.
Подобные работы
- БИОТЕСТИРОВАНИЕ ПОЧВ ТЕХНОГЕННЫХ ЗОН ГОРОДСКИХ ТЕРРИТОРИЙ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ РАСТИТЕЛЬНЫХ ОРГАНИЗМОВ
Диссертация , экология и природопользование. Язык работы: Русский. Цена: 500 р. Год сдачи: 2005 - Биотестирование почв техногенных зон городских территорий с использованием растительных организмов
Диссертации (РГБ), экология и природопользование. Язык работы: Русский. Цена: 470 р. Год сдачи: 2005 - Разработка комплекса мероприятий по очистке почв от фосфорсодержащих загрязнений
Бакалаврская работа, природопользование. Язык работы: Русский. Цена: 4600 р. Год сдачи: 2017 - КАДАСТРОВАЯ ПЕРЕОЦЕНКА ЗЕМЕЛЬ Г. ТОМСКА С УЧЕТОМ ТЕХНОГЕННОЙ НАГРУЗКИ НА ТЕРРИТОРИЮ
Магистерская диссертация, экология и природопользование. Язык работы: Русский. Цена: 5900 р. Год сдачи: 2016 - ОЦЕНКА ЭКОЛОГИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ТЕРРИТОРИИ В ЗОНЕ ТОКСИКОФИЦИРОВАННОГО ВОДОЕМА (НА ПРИМЕРЕ ОТСЕЧЕННОЙ ИЗЛУЧИНЫ РЕКИ КАЗАНКИ)
Дипломные работы, ВКР, природопользование. Язык работы: Русский. Цена: 6500 р. Год сдачи: 2019 - ОЦЕНКА КАЧЕСТВА ГОРОДСКОЙ СРЕДЫ ПО ПОКАЗАТЕЛЯМ БОБОВЫХ РАСТЕНИЙ (НА ПРИМЕРЕ ГОРОДА КАЗАНИ)
Дипломные работы, ВКР, экология и природопользование. Язык работы: Русский. Цена: 4900 р. Год сдачи: 2019 - БИОИНДИКАЦИЯ СОСТОЯНИЯ АТМОСФЕРНОГО ВОЗДУХА В ОКРЕСТНОСТЯХ Г. БЕЛГОРОДА
Дипломные работы, ВКР, биология. Язык работы: Русский. Цена: 4315 р. Год сдачи: 2018 - АНТРОПОГЕННЫЕ ИЗМЕНЕНИЯ ПОЧВ НА УРБАНИЗИРОВАННЫХ ТЕРРИТОРИЯХ
Бакалаврская работа, биотехнология. Язык работы: Русский. Цена: 4355 р. Год сдачи: 2020 - Флуктуирующая асимметрия листьев древесных растений в оценке состояния окружающей среды г. Красноярска
Магистерская диссертация, экология и природопользование. Язык работы: Русский. Цена: 4900 р. Год сдачи: 2016