Одним из опаснейших загрязнителей является группа тяжелых металлов. В окружающую среду тяжелые металлы попадают за счет интенсивных выбросов золы, шлака, дыма, пыли, других отходов промышленных предприятий, различных средств для ухода за дорогами, деятельности цементных заводов и т.д. [3]. Тяжёлые металлы относятся к приоритетным загрязняющим веществам, наблюдения за которыми обязательны во всех средах, так как они являются высокотоксичными веществами и отвечают за мутагенные эффекты [9].
К тяжелым металлам относятся свыше 40 элементов, имеющих атомную массу больше 50 [1]. Наиболее распространенными из них являются следующие: Pb, Cd, Hg, Cu, Zn, Sn, V, Cr, Mo, Mn и Ni.
Вычленение какого-либо конкретного вещества, вызывающего развитие аномалий в генеративной сфере, затруднительно, т.к. негативное воздействие вещества и ответная реакция растения значительно разнесены во времени [6].
Палинологический метод, учитывающий соотношение нормальных и аномальных, фертильных и стерильных пыльцевых зерен, является одним из инструментов биомониторинга.
Цель наших исследований - изучить фертильность пыльцевых зерен, аномалии строения и содержание тяжелых металлов в пыльце сосны обыкновенной, произрастающей в условиях разной антропогенной нагрузки.
Материал и методы исследований
Исследовали древостои сосны обыкновенной (Pinus sylvestris L.) в сосняках - зеленомошниках. Районы, где произрастают деревья, участвовавшие в исследовании, были условно разделены на 3 категории: условно-чистый район, без признаков атмосферного загрязнения (Красновишерский район Пермского края), условно-чистый, но под возможным влиянием атмосферных выбросов близ расположенного города (поселок городского типа Полазна) и загрязненный, с хорошо развитой промышленностью и сетью автодорог, город (г. Пермь). В 2010-2013 гг. на всех указанных участках собирали образцы пыльцы с 10 деревьев на каждом участке.
Микростробилы собирали на высоте 3-4 метра с северной и северо-восточной стороны дерева. Микростробилы фиксировались в уксуснокислом спиртовом растворе (фиксатор Кларка), затем переводились в 80 % этиловый спирт на хранение. Содержание крахмала в пыльцевых зернах определяли в растворе Люголя по степени окрашивания в 4-балльной системе: неокрашенные, слабо окрашенные, средне окрашенные и сильно окрашенные пыльцевые зерна. В целом, неокрашенные пыльцевые зерна - стерильные, окрашенные в разной степени - фертильные. Для исследования фертильности пыльцы из каждого образца (микростробилы одного дерева) изготавливали 10 препаратов, все препараты просматривали в 10 полях зрения. Проращивание пыльцы проводили в 15 %-ном растворе сахарозы на агаровом субстрате при температуре 26 ºС, через 7 дней подсчитывали число проросших пыльцевых зерен [7]. В целом было приготовлено и изучено 2000 препаратов. Для определения содержания тяжелых металлов в пыльце атомно-адсорбционным методом микростробилы собирали в конверты из фильтровальной бумаги, высушивали и просеивали через фильтр.
Математическую обработку результатов исследования проводили с помощью программы Microsoft Excel 2010.
Результаты
Анализ фертильности пыльцевых зерен показывает, что в 2010-2012 гг. процент фертильности был достаточно высок, варьировал от 69,6 до 89,8 % (г. Пермь) и от 73,9 до 97,5 % (пос. Полазна) (табл.1). Надо отметить, что фертильность пыльцы у сосны обыкновенной, произрастающей в относительно чистом районе - недалеко от пос. Полазна, была на 4-10 % выше, чем у деревьев в г. Перми.
В 2013 г., в отличие от предыдущих лет исследований, обнаружено значительное снижение фертильности до 11,5 % (г. Пермь) и 31,2 % (пос. Палазна). Также при проращивании пыльцы только в 2013 г. полностью отсутствовал рост пыльцевых трубок во всех опытах. При этом у 15 % исследованных пыльцевых зерен с деревьев г. Перми и у 6 % - из пос. Полазна наблюдали заражение грибным мицелием. По-видимому, это можно объяснить ухудшением погодных условий в 2013 г., более влажной и холодной весной.
Таблица 1
Фертильность пыльцевых зерен сосны обыкновенной
(йодная методика) в 2010-2013 гг.
|
Район исследования, год |
Всего |
Не окрашен ные п.з. |
Слабо окрашен ные п.з. |
Средне окрашенные п.з. |
Сильно окрашен ные п.з. |
Всего окрашен ные |
|
Пермь, 2010 |
998 |
234 |
695 |
58 |
11 |
764 |
|
% |
|
23,4 |
69,6 |
5,8 |
1,2 |
76,6 |
|
Пермь, 2011 |
1152 |
350 |
771 |
25 |
6 |
802 |
|
% |
|
30,4 |
66,9 |
2,2 |
0,5 |
69,6 |
|
Пермь, 2012 |
1059 |
108 |
762 |
129 |
60 |
951 |
|
% |
|
10,2 |
72,0 |
12,2 |
5,6 |
89,8 |
|
Пермь, 2013 |
1480 |
1310 |
55 |
70 |
45 |
170 |
|
% |
|
88,5 |
3,7 |
4,7 |
3,1 |
11,5 |
|
Полазна 2010 |
1526 |
215 |
1003 |
233 |
75 |
1311 |
|
% |
|
14,1 |
65,7 |
15,3 |
4,9 |
85,9 |
|
Полазна 2011 |
1293 |
337 |
637 |
176 |
143 |
956 |
|
% |
|
26,1 |
49,3 |
13,6 |
11 |
73,9 |
|
Полазна 2012 |
1242 |
31 |
960 |
197 |
54 |
1211 |
|
% |
|
2,5 |
77,3 |
15,9 |
4,3 |
97,5 |
|
Полазна 2013 |
1114 |
766 |
52 |
92 |
204 |
348 |
|
% |
|
68,8 |
4,7 |
8,3 |
18,3 |
31,2 |
В результате исследований морфологии пыльцевых зерен было выявлено 9 аномалий (табл. 2). Аномалии, когда у пыльцевого зерна развивалось четыре воздушных мешка или пыльцевое зерно было нормального размера, но с мелкими воздушными мешками, наблюдались только в выборке из загрязненного района (г. Пермь). В то же время пыльцевые зерна с тремя воздушными мешками были обнаружены во всех выборках.
В целом процент пыльцевых зерен с нарушениями в строении в условиях г. Перми был в 2-3 раза больше, чем в условиях Красновишерского района (условно чистый район).
Таблица 2
Аномалии пыльцевых зерен сосны обыкновенной в 2010-2013 гг.
|
Аномалии пыльцевых зерен |
Район исследования |
|||||||||
|
Пермь |
Полазна |
Краснови-шерск |
||||||||
|
2010 |
2011 |
2012 |
2013 |
2010 |
2011 |
2012 |
2013 |
2010 |
2011 |
|
|
Всего просмотренных пыльцевых зерен |
7483 |
5594 |
5998 |
6240 |
2463 |
4510 |
5742 |
10590 |
3163 |
3022 |
|
С 4 воздушными мешками |
3 |
4 |
2 |
1 |
- |
- |
- |
- |
- |
- |
|
С 3 воздушными мешками |
|
3 |
1 |
|
2 |
2 |
1 |
2 |
2 |
2 |
|
Мелкие п.з. с нормально развитыми воздушными мешками |
2 |
- |
3 |
20 |
- |
- |
1 |
8 |
- |
- |
|
Мелкие п.з. с мелкими воздушными мешками |
110 |
111 |
102 |
122 |
19 |
50 |
70 |
85 |
21 |
23 |
|
П.з. с нормальным и гигантским воздушным мешком |
34 |
13 |
29 |
5 |
9 |
14 |
17 |
35 |
4 |
4 |
|
Пыльцевые зерна с мелкими воздушными мешками |
2 |
- |
1 |
5 |
- |
- |
- |
- |
- |
- |
|
Пыльцевые зерна с 1 нерасправленным воздушным мешком |
27 |
29 |
33 |
45 |
4 |
13 |
7 |
40 |
2 |
4 |
|
П.з. с 2 нерасправленными воздушными мешками |
14 |
12 |
19 |
6 |
6 |
3 |
5 |
19 |
- |
- |
|
Пыльцевые зерна без ядер |
21 |
16 |
- |
19 |
3 |
6 |
4 |
24 |
1 |
10 |
|
Всего аномалий |
213 |
192 |
190 |
223 |
43 |
88 |
105 |
213 |
30 |
43 |
|
Процент аномалий |
2,85 |
3,43 |
3,17 |
3,57 |
1,75 |
1,95 |
1,83 |
2,01 |
0,95 |
1,42 |
Содержание тяжелых металлов в исследованной пыльце сосны заметно колебалось из года в год, например, количество магния в образцах из г. Перми в 2010 году составляло 3669,89 мкг/г, но в 2011 этот показатель был равен 912,97 мкг/г. В 2010 году пробы не отличались достоверно по содержанию кобальта, в 2011 году выборки из Красновишерского района и г. Перми не отличались достоверно по количеству железа и марганца (табл. 3).
Таблица 3
Содержание тяжелых металлов в пыльце сосны обыкновенной
|
Место сбора, год |
Макро- и микроэлементы в пыльце сосны обыкновенной, M±m, мкг/г |
|||||||||
|
Mg |
Fe |
Cr |
Mn |
Co |
Ni |
Cu |
Zn |
Cd |
Pb |
|
|
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
10 |
11 |
|
Красн-й р-н,2010 |
1042,62 ±59,4 |
28,54 ±1,62 |
0,24 ±0,01 |
77,66 ±4,42 |
0,82 ±0,04 |
2,31 ±0,13 |
1,85 ±0,1 |
42,68 ±2,43 |
- |
0,81 ±0,04 |
|
Пермь, 2010 |
3669,89 ±209,18 |
172,41 ±9,82 |
1,84 ±0,11 |
217,0 ±12,37 |
1,7 ±0,42 |
23,23 ±1,32 |
7,89 ±0,45 |
107,51 ±6,13 |
- |
2,75 ±0,16 |
|
Красн-й р-н, 2011 |
758,61 ±26,36 |
43,08 ±11,62 |
0,25 ±0,06 |
101,18 ±4,6 |
0,18 ±0,05 |
5,41 ±0,69 |
4,53 ±0,49 |
48,2 ±1,3 |
0,77 ±0,04 |
2,16 ±0,29 |
|
Полазна, 2011 |
819,51 ±34,24 |
26,96 ±5,19 |
0,28 ±0,12 |
123,53 ±11,37 |
0,51 ±0,1 |
2,82 ±0,68 |
4,11 ±0,93 |
45,38 ±0,85 |
0,86 ±0,11 |
1,85 ±0,24 |
|
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
10 |
11 |
|
Пермь, 2011 |
912,97 ±25,94 |
57,06 ±17,2 |
0,71 ±0,13 |
78,33 ±11,3 |
0,58 ±0,12 |
6,61 ±0,4 |
5,78 ±0,73 |
47,77 ±1,75 |
1,08 ±0,16 |
1,14 ±0,22 |
|
Полазна, 2012 |
718,75 ±17,0 |
16,86 ±1,03 |
0,33 ±0,17 |
357,29 ±170,18 |
0,12 ±0,06 |
5,01 ±1,8 |
5,72 ±1,08 |
49,51 ±2,3 |
0,24 ±0,12 |
0,26 ±0,18 |
|
Пермь, 2012 |
938,18 ±61,56 |
47,53 ±7,36 |
5,52 ±1,09 |
1027,06 ±69,61 |
3,61 ±0,38 |
42,65 ±4,95 |
19,05 ±6,64 |
45,72 ±2,9 |
0,86 ±0,11 |
1,53 ±0,33 |
В целом, пыльца из Красновишерского района и пыльца из пос. Полазна не отличались достоверно по содержанию тяжелых металлов. Содержание 8 из 11 обнаруженных тяжелых металлов в пыльцевых зернах сосны обыкновенной из г. Перми значительно превышало их концентрацию в пыльце из пос. Полазна.
В ходе исследования была выявлена также сильная положительная связь между появлением мелких пыльцевых зерен с нормально развитыми воздушными мешками и концентрацией в пыльце хрома, марганца, кобальта, никеля и меди (при р =0,99). Содержание никеля и появление пыльцевых зерен с двумя нерасправившимися воздушными мешками также находятся в сильной положительной связи. Появление пыльцевых зерен нормального размера с мелкими воздушными мешками вызывают высокие концентрации магния, железа и цинка.
Выводы
- Фертильность пыльцевых зерен сосны обыкновенной из г. Перми оказалась ниже на 4-10 %, чем в условиях условно-чистого района (пос. Полазна).
- Стерилизация пыльцевых зерен связана с нарушениями строения и заражением грибным мицелием.
- Выявлено 9 аномалий пыльцевых зерен сосны обыкновенной. Пыльца с увеличенным числом воздушных мешков и мелких размеров наблюдалась только в г. Перми.
- Максимальная концентрация исследованных элементов в пыльце отмечена для магния (719,75-3669,89 мкг/г) и марганца (77,66-1027, 06 мкг/г), минимальное содержание характерно для кобальта (0,12-3,61 мкг/г) и свинца (0,26-2,75 мкг/г).
Еремченко О.З., д.б.н., профессор, зав. кафедрой физиологии растений и микроорганизмов ФГБОУ ВПО Пермский государственный национальный исследовательский университет, г. Пермь;
Переведенцева Л.Г., д.б.н., профессор кафедры ботаники и генетики растений ФГБОУ ВПО Пермский государственный национальный исследовательский университет, г. Пермь.